預制溝道纜線管廊工作井設縫形式對受力性能影響

付偉慶, 聶長強, 王嘉偉, 王建

(1.青島理工大學土木工程學院， 青島 266033； 2.青島理工大學藍色經濟區工程建設與安全協同創新中心， 青島 266033; 3.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司， 上海 200092)

工作井作為溝道式纜線管廊系統的重要組成部分，具有電纜敷設作業、設置電纜中間接頭和電纜引出等多種功能[1]。為縮短建設周期，減少對周邊道路交通的影響，目前工作井多采用加工廠分塊預制加工，現場裝配拼裝模式。工作井具有斷面小、埋深淺和接縫受力形式復雜等特點，不合理的拼縫設計可造成結構變形過大或局部破壞，進而引起井內滲水和內部纜線破壞。

目前，中外學者對頂管工作井和盾構工作井研究較多。夏明耀等[2]首次提出一種圓形頂管工作井的結構設計方案，建立了頂進階段工作井穩定性驗算方法。戴顏斌[3]、黎勤波[4]和甄亮等[5]對頂管工作井結構提供了設計與計算。趙武勝等[6]對盾構工作井的變形與受力進行參數分析，優化了設計方案。莫海鴻等[7]、耿亞梅等[8]對盾構工作井支護結構的變形和受力進行了研究。針對溝道式工作井，朱安邦等[9]對溝道式工作井內空間結構尺寸進行了設計；王建等[10]提出了溝道式工作井內部管線布置方案。綜合現有研究文獻，目前鮮見對溝道纜線管廊工作井設縫方案的研究分析。

因此，現建立一字形、T字形和十字形3種常見工作井的有限元模型，側土壓力下對縱向拼縫形式構件進行抗彎性能分析，對橫向拼縫形式構件進行抗彎抗剪性能分析，同時與相同受力情況下整體現澆工作井進行內力和變形對比。所做研究對預制溝道式纜線管廊工作井的拼裝設計與工程應用具有參考價值。

1 纜線管廊工作井有限元建模

實際工程中一般采用一字形、T字形和十字形3種形式工作井。其中一字形工作井可用于電纜直線段敷設，T字形工作井用于單側纜線轉彎引出，十字形工作井用于兩側纜線轉彎引出。工作井由混凝土工作井部件、鋼筋籠和上部蓋板組成，長度均為2 500 mm，截面尺寸及配筋圖以十字形工作井為例，如圖1所示。其中混凝土采用C40，壁厚150 mm，鋼筋采用HRB400，箍筋直徑10 mm，縱筋直徑14 mm，創建的一字形、T字形、十字形工作井與其對應的鋼筋籠有限元模型如圖2所示。

圖1 十字井截面尺寸及配筋圖Fig.1 Cross well section size and reinforcement drawing

有限元模型中的混凝土與螺栓采用實體單元，鋼筋采用桁架單元，并選用《混凝土結構設計規范》中無明顯屈服點彈塑性本構模型，材料具體參數如表1所示。

圖2 工作井結構及鋼筋籠模型Fig.2 Work well structure and reinforcement cagemodel

表1 材料參數表Table 1 Material parameter table

2 工作井分縫設計與加載方案

2.1 分縫設計方案

根據專家建議并考慮施工現場工作井吊裝與運輸能力，對3類工作井進行如圖3所示兩種分縫設計。其中縫1為底板沿縱向拼接縫，縫2為沿橫向拼接縫，接縫連接方式均為螺栓連接并輔以一定的防水措施。設置縫1時，底部已設置素砼墊層，無需考慮縱向分縫工作井的剪切問題，但側土壓力會對工作井產生彎曲變形。設置縫2時，需要考慮不均勻沉降導致工作井接縫彎曲和剪切問題。針對不同類型工作井和設縫后受力特點，設計如表2所示有限元模擬試驗方案。

圖3 溝道式工作井頂部平面圖Fig.3 Top plan of trench work well

表2 有限元模擬試驗方案Table 2 Finite element simulation test scheme

工作井分縫后使用10.9級M24螺栓進行連接，在初始的分析步中定義模型的初始邊界條件和相互作用，鋼筋與混凝土之間采用內嵌約束進行耦合。分析步1中對螺栓施加50 kN預緊力，分析步2中對加載點施加向下的位移直至接頭破壞。

2.2 荷載施加方案

在進行1～3號模擬試驗時，需要考慮對模型施加側向土壓力。溝道式工作井一般布置在人行道或非機動車道上，以一字形工作井為例，其布置形式如圖4所示。其中道路荷載q保留安全余量取為20 kN/m2，主動土壓力系數Ka取0.7；土體假設為砂土，靜止土壓力系數K0取0.4，填土的重力密度為γ=18 kN/m3，側土壓力分布如圖5所示。

根據側土壓力的計算公式為

ehk=KaqL

(1)

e0=γzK0

(2)

式中：ehk為附加側向土壓力標準值；qL為局部均布荷載標準值；e0為靜止土壓力標準值；z為土層深度。經計算可知，施加到縱向設縫工作井模型上的側土壓力e1=2.45 kPa、e2=10.08 kPa。

在進行4～9號模擬試驗時，需要考慮縫2處彎曲和剪切受力影響，模擬時將有限元模型中墊片設置為固定不動，在蓋板加載點處施加向下的位移荷載P，模擬受彎剪試驗加載布置如圖6所示。

圖4 縫1工作井受力示意圖Fig.4 Work well stress diagram of fracture 1

e1為道路荷載q對側壁產生的壓力；e2為土的側向壓力圖5 側土壓力分布圖Fig.5 Distribution of lateral earth pressure

圖6 縫2工作井加載布置圖Fig.6 Workwell loading arrangement of fracture 2

3 設縫形式對工作井受力影響分析

3.1 縱向設縫受力分析

圖7 縱向設縫工作井破壞云圖Fig.7 Work well damage map of longitudinally seam

圖8 無縫形式工作井最大主應力云圖Fig.8 Max principal stress of seamless work well

圖7為1～3號模擬試驗中，一字形、T字形、十字形工作井在側土壓力下混凝土破壞云圖，底面縱向中線(圖7中紅線虛線部分)設為監測路徑。通過對比圖8和圖9對縱向分縫與無縫形式工作井受力差異進行分析。

由圖7～圖9可以看出，在側壓力下，整體無縫工作井薄弱點在側面和底面連接處，設縫后螺栓連接處為薄弱點，其受到應力最大，螺栓承擔了大部分拉應力。在監測路徑上，整體無縫和縱向設縫工作井最大主應力對比如圖10所示，豎向變形對比如圖11所示。

由圖10可知，分縫處最大主應力發生應力突變，說明螺栓承擔了大部分拉應力。在側向土壓力下，一字井、T字井和十字井螺栓底部應力最大，分別為150、173、153.7 MPa。由圖11可知，整體工作井底部豎向變形量與監測路徑長度的關系曲線為拋物線；設縫后，底部豎向變形量與監測路徑長度關系曲線在接縫處出現明顯的尖點。T字井整體結構變形量最低點在距直線井壁700 mm處，設縫后由于兩側井壁形狀不對稱，導致直線井壁一側的結構承載力比另一側變低且變形較大。

由式(3)可得，一字形、T字形、十字形工作井設縫后剛度下降率分別為48%、51%和44%。其中U1設為分縫工作井最大豎向相對變形，U2為整體結構的最大豎向相對變形，η為剛度下降率。

(3)

3.2 橫向設縫受力分析

3.2.1 受彎性能分析

4～6號試驗模擬工作井在橫向設縫下的彎曲性能，采用位移加載模式，3種工作井彎曲作用下荷載-位移曲線與彎矩-轉角曲線如圖12所示。

從圖12(a)中可以看出，在加載后期屈服階段，一字井所需要荷載和抗彎剛度均較大，這樣可以更好地發揮高強螺栓的材料性能。在重力作用下，開始加載時工作井會產生很小的變形量。在彈性階段，工作井分縫處產生縫隙，預緊力處于消壓過程中，螺栓應力不斷增大；在屈服階段相同加載位移下，螺栓處混凝土破壞，結構逐漸失去承載能力。從圖12(b)中可以看出，抗彎剛度隨著轉角增大而減小，原因是隨著轉角增大，混凝土受壓區高度減小，壓應力增大，混凝土變形量增長速度加快，抗彎剛度減小。

圖10 整體與縱向設縫工作井最大主應力對比Fig.10 Comparison of max principal stress between integral and longitudinal fractured workwells

圖11 整體與縱向設縫工作井豎向變形對比Fig.11 Comparison of vertical deformation between integral and longitudinal fractured work wells

圖12 橫向設縫3種工作井性能曲線Fig.12 Performance curves of three working wells with transverse fractures

圖13 整體與設縫工作井加載位移曲線Fig.13 Loading displacement of integral andseam work well

整體無縫和橫向分縫3種工作井，受彎加載位移曲線如圖13所示，可以看出設縫對工作井抗彎性能有較大的影響，整體結構承載力較高，約為帶縫結構的2倍，相對于整體工作井剛度，分縫后一字井、T字井和十字井剛度分別下降34%、32%和26%。

3.2.2 受剪性能分析

7～9號試驗模擬3種工作井橫向設縫下受剪性能，工作井受剪加載曲線與剪力錯動量曲線如圖14所示。

圖14 橫向設縫工作井受剪性能曲線Fig.14 Shear performance of transverselyseam work well

從圖14可以看出隨著荷載的施加，接頭處剪力隨錯動量增大而增大，剪力-錯動量曲線切線斜率隨著錯動量增大而減小。這是由于隨著錯動量增大，接頭兩側上下錯動，混凝土接觸面積減小，壓應力增大，混凝土變形量增長速度加快，剪切剛度減小。在彈性階段內3種工作井抗剪剛度相同，加載至屈服階段荷載也相同，說明分縫后主要由4根連接螺栓承受剪力，分縫處結構受力較小。

設縫與整體工作井混凝土損傷云圖如圖15和圖16所示。通過對比可以明顯看出，整體工作井混凝土破壞區域較大，整截面承受剪力，設縫工作井則僅在螺栓及螺栓處混凝土承受剪力，螺栓處混凝土首先發生破壞。由此可見，在相同錯動量下，整體工作井所需施加荷載要遠高于設縫工作井。

4 結論

(1)在側向土壓力下，整體無縫工作井受力薄弱點在側面與底面連接處，縱向設縫后工作井薄弱點在螺栓連接處。設縫后一字井、T字井和十字井抗彎剛度分別下降48%、51%和44%。

(2)在預緊力和腋角長度等因素固定情況下，橫向設縫相對整體無縫一字井、T字井和十字井承受最大抗彎荷載分別下降了50%左右，抗彎剛度分別下降34%、32%和26%。

圖15 設縫工作井損傷云圖Fig.15 Damage map of fractured working well

圖16 整體工作井損傷云圖Fig.16 Damage map of integral working well

(3)在相同錯動量下，整體工作井所需施加荷載遠高于設縫工作井，因此可以采取加強螺栓處混凝土，提高預緊力大和使用高強度螺栓等措施來提高設縫后抗剪能力。

(4)縱向設縫后僅需兩種便可拼接出3種工作井，具有較高的通用性，且不需要考慮剪切問題。橫向分縫后工作井抗剪性能大大削弱，因此綜合比較下，縱向分縫形式相對更合理。