直螺栓连接预制综合管廊节段承载力试验研究

2019-02-27沈继美肖立韬杨伟儒陈庆军

广东土木与建筑 2019年2期

沈继美，肖立韬，杨伟儒，陈庆军，3

（1、广东省建筑设计研究院广州510010；2、华南理工大学土木与交通学院广州510641；3、亚热带建筑科学国家重点试验室广州510641）

0 引言

综合管廊是指将多种城市管线集中设置于地下的一个隧道空间中，所形成的一种现代化的城市基础设施。预制综合管廊指的是所有构件在工厂进行加工预制完成，运输到现场就位安装，构件安装过程中，无需采用混凝土现浇施工的综合管廊[1]。预制拼装综合管廊最早出现在原苏联，并逐渐推广到欧美地区和日本等发达国家。与现浇混凝土综合管廊相比，预制综合管廊具有构件生产方便快速、安装简单、对环境友好等优点。

随着我国综合管廊工程建设浪潮的兴起和建筑产业化发展的不断深入，预制拼装综合管廊正得到越来越广泛的应用。预制综合管廊分为仅有纵向接头以及同时具有纵、横向接头两类结构形式。薛伟辰、胡翔等人[2,3]根据上海世博会园区预制预应力综合管廊工程，对采用弯曲螺栓连接和预应力筋连接的预制综合管廊试件进行了试验研究，结果表明，接头试件的受力过程分为消压、预应力筋屈服和混凝土受压区破坏三个阶段，破坏机制为桁架机制，其抗弯刚度随外荷载的增大而减小；足尺试件破坏时接头与管体侧壁端部屈服，破坏机制为弹簧铰闭合框架机制，试件具有良好的承载力和延性。马素[4]对装配整体式综合管沟接头进行了抗弯性能试验，结果表明，与现浇混凝土板相比，装配整体式板的抗弯性能较差，但仍然具有一定的延性，可满足一定的承载力要求。

目前，国内一些学者对不同结构形式的预制拼装综合管廊做了较多的研究，但对纵向接头采用直螺栓进行连接的预制综合管廊结构的受力性能研究较少。本文将通过对纵向接头采用直螺栓进行连接的预制综合管廊接头节段试件进行承载力试验，以进一步了解采用直螺栓连接的预制综合管廊的力学性能。

1 试件概况

1.1 试件设计

直螺栓连接预制综合管廊整体试件由两节长度和高度均为1 800 mm、宽度为500 mm、侧壁厚度为200 mm的预制混凝土管廊节段经直螺栓拼接而成，角部设有高度为100 mm的腋角，试件如图1所示。其中每段管廊上预留螺栓孔道，在管廊拼缝处预留橡胶槽并放置遇水膨胀橡胶条。根据实际工程荷载得到管廊的底面均布设计荷载为130 kN/m2，据此进行内力计算及配筋，试件配筋图如图2所示，试件拼装过程如图3所示。其中，试件的混凝土强度等级为C40，板内钢筋的强度等级为HRB400，螺栓为4.8级M24螺栓。

图1 试件尺寸Fig.1 Dimension of Specimen（mm）

图2 试件配筋图Fig.2 Reinforcement Detail of Specimen

图3 试件拼装过程Fig.3 Process of Specimen Assembling

混凝土的实测立方体抗压强度为37.4 MPa，螺栓和钢筋的力学性能实测值如表1所示，试件螺栓预紧力为螺栓屈服拉力的0.70。

表1 螺栓与钢筋力学性能Tab.1 Mechanical Properties of Bolts and Steel Bars

1.2 加载与测量

试件加载方式如图4所示，在管廊4个侧壁中点处施加等值集中力。本次试验中测量的内容有螺杆应变、板内钢筋应变、管廊侧壁及顶板跨中挠度、接头拼缝张开量等。

图4 加载示意图Fig.4 Loading Schematic

2 试验结果及分析

2.1 试验现象及破坏形态

在加载初期，试件没有明显的现象，随着荷载的增加，管廊顶板、底板及侧壁的跨中产生挠度并持续增大。当荷载增加至350 kN时，试件顶板、底板及侧壁的跨中、角部开始出现细微裂缝。当荷载增加至400 kN时，跨中和角部裂缝增多，原有的裂缝延伸至整个板面。当荷载增加至490 kN时，顶板预留螺栓孔附近出现了裂缝，而后裂缝宽度不断增大。当荷载增加至504 kN时，管廊顶板处原有的一处弯剪斜裂缝发展为裂缝宽度较大的临界弯剪裂缝，构件达到极限承载力而破坏。破坏时，观察接头处的拼缝，可发现此处张开并不明显。此时的螺杆应变也并未达到屈服应变，而螺杆与螺母未发生相对滑移，板内跨中及角部受拉钢筋屈服，腋角处斜向受压钢筋未屈服，如图5所示。

图5 试件破坏形态Fig.5 Destructive Form of the Test Piece

2.2 荷载-挠度曲线

通过布置在试件上的测点的位移计，得到在试验过程中管廊试件顶板跨中处的荷载-挠度曲线及试件侧壁跨中处的荷载-挠度曲线，如图6所示，可见：

⑴刚开始加载时，试件处于弹性阶段，荷载-挠度曲线的斜率基本上不变，当荷载达到360 kN时，试件荷载-跨中挠度曲线开始呈现非线性关系，曲线斜率减小，直至试件发生弯剪破坏；

⑵根据《混凝土结构设计规范：GB 50010-2010》，根据该试验管廊试件的配筋，采用钢筋屈服强度及混凝土试验强度进行反算，得到该试验管廊试件的设计承载力为263.2 kN，而试件发生弯剪破坏时，其承载力为504 kN，达到试件的设计承载力的1.91倍，表明该结构具有较好的安全余量；

⑶当试件发生破坏时，试件顶板跨中处的极限挠度为5.78 mm，试件侧壁跨中处的极限挠度为6.12 mm。

图6 荷载-跨中挠度曲线Fig.6 Load-span Deflection Curve

2.3 螺杆应变

试验过程中试件螺杆的荷载-应变曲线如图7所示，可见，在整个加载过程，螺杆应变一直很小，在试件破坏时，螺杆应变均在100με以内。

图7 荷载-螺杆应变曲线Fig.7 Load-screw Strain Curve

2.4 接头拼缝张开量

通过布置在试件测点上的位移计，得到试验过程中管廊试件接头拼缝的荷载-拼缝张开量关系曲线如图8所示，可见：在整个加载过程中，试件接头拼缝张开量随荷载的增大而增大，当荷载小于200 kN时，其增大速度较快；当荷载大于200 kN时，其增大速度逐渐变得缓慢。试件破坏时，拼缝张开量小于2.5 mm。

2.5 普通钢筋应变

通过布置管廊试件中钢筋上的测点，得到试件的钢筋的荷载-应变曲线，如图9所示，可见：试件由2块管廊框架试件经螺栓拼装而成，在整个加载过程中，试件顶板及侧壁的跨中、角部受拉钢筋应变值较大而试件腋角处斜向受压钢筋应变则较小。当试件发生破坏时，试件顶板及侧壁的跨中、角部受拉钢筋的应变在2 500με左右，已经达到屈服应变，而试件腋角处斜向受压钢筋的应变在300με以内，尚未屈服。