装配叠合式管廊腋角受力性能及整体破坏形态试验研究

杨艳敏 徐 冉 张志新 葛泽森 李子根

（吉林建筑大学土木工程学院，吉林 长春 130118）

0 引言

随着我国城市化水平的不断提高，对有限的城市地下空间争夺已进入非常剧烈的阶段，综合管廊作为重要的城市地下基础设施，在我国迅速推广和发展，目前国内外学者对这种构件进行了大量研究。胡翔和薛伟辰等[1-3]通过对足尺管廊模型开展单调静力试验，并使用ABAQUS软件进行有限元模拟对比分析,较为系统地研究了采用预应力筋连接的预制预应力管廊结构和管廊结构下部边节点的受力性能。易伟建等[4]通过对有无腋角的2种综合管廊进行静载试验，对比分析其破坏机制、承载能力以及裂缝状开展状况，发现适当增加管廊顶板的纵筋配筋率，无腋角的管廊结构性能与有腋角的管廊结构性能接近。Shatnawi等[5]采用有限元法对不同尺寸、不同厚度的钢筋混凝土箱涵在不同填土高度下的受力性能进行了数值研究。Chen等[6]为了减少箱涵结构上路基土对其产生荷载，提出了一种新型减载式涵洞结构，并通过模型试验研究了其土压力分布情况。由于装配叠合式管廊既有预制构件施工简便、快速，节能环保的特点，又具有现浇结构整体性能好的优点，符合我国可持续发展和绿色建筑的要求，目前成为管廊发展的新方向[7]。本文将对一个装配叠合式缩尺管廊模型进行静力加载试验，研究其在模拟覆土荷载作用下的破坏现象、承载能力及腋角各测点荷载应变曲线、荷载位移曲线等，为后期结合多种变量研究装配叠合式管廊在火灾全过程中的结构性能提供参考。

1 试验概况

1.1 装配叠合式管廊模型设计与制作

进行缩尺管廊模型结构性能试验研究时，缩尺管廊模型与原管廊结构需要满足静力试验要求的几何相似、物理相似、荷载相似及边界条件相似[8]。本试验管廊模型缩尺比例根据量纲分析基本原理确定，综合考虑试验仪器量程及尺寸限制，最终确定缩尺比例为1/6。依据我国《混凝土结构设计规范》GB 50010—2010[9]设计试件，本实验管廊模型设计强度等级为C40，腋角高度为50 mm，配筋率为1.90%，管廊端部截面尺寸及配筋如图1所示。试件采用装配叠合的建造方式，首先根据设计尺寸及配筋要求对管廊的顶板、底板和两侧墙板进行预制。各板养护成型后进行拼装，每块板腋角位置纵向钢筋都有一定的锚固长度，将此部分钢筋插入与之相连的板内，并进行绑扎（见图2），最后浇筑混凝土并养护成型。

1.2 加载方案

加载装置：为模拟管廊真实受力情况，本试验使用极限力为500 kN的微机控制结构试验系统进行加载，采用四集中力即八分点加荷，用二级分配梁等效代替覆土均布荷载。由于管廊结构可认为是封闭框架结构，其顶板、底板所受的力大小相同，方向相反，故在管廊底部设置4个钢垫块，使得顶板、底板受力对称，试验加载装置（见图3），图中1为竖向加载装置，2为分配梁，3为垫块，4为管廊试件。

加载制度：参考管廊结构足尺模型试验对本试验的加载制度进行设计[10]。本试验管廊设计埋置深度为6 m，管廊结构覆土荷载设计值根据实际情况计算确定为85 kN，试验将分级加载至覆土荷载设计值，待裂缝、变形稳定后，继续加载，直至结构破坏。

观测方案：在管廊模型腋角处选取具有代表性的位置布置混凝土应变片和位移计，分别如图4～图5所示，本试验使用2台DH3816N静态测试分析采集仪分别采集混凝土应变和位移；裂缝宽度用北京智博联F71-F800裂缝综合测试仪进行测量；结构承载力根据结构试验系统来测量。

2 试验结果分析

2.1 破坏现象

管廊模型试验现象为：从开始加载至荷载达到75 kN，管廊模型混凝土表面无明显裂缝，结构无明显位移，表现稳定。继续加载，左侧墙板距底部9 cm处混凝土表面出现第1条细微裂缝，宽度为0.05 mm；随着荷载不断加大，第2条裂缝出现在第1条裂缝右上方距底部24 cm处，宽度为0.03 mm，2条裂缝均沿管廊模型长度方向延伸，管廊模型右侧墙板和端部均出现若干细微裂缝。当荷载达到109 kN时，裂缝沿管廊模型长度方向延伸速度明显加快，左右两侧墙板裂缝分布基本一致；当荷载达到127 kN时，1条45°斜裂缝出现在管廊模型端部左下侧腋角处，且延伸至底板内壁；当荷载达到149.6 kN时，另一侧端部右下腋角处也出现斜裂缝，且裂缝宽度迅速增大（见图6（a））；随着荷载继续增大，管廊内部上壁和下壁均出现大量裂缝，腋角处45°斜裂缝继续增宽，底板内壁裂缝接近贯通；当荷载达到176.8 kN时，由于腋角处45°斜裂缝不断增大，此处的混凝土突然崩裂，底板预制混凝土层与后浇混凝土连接部分产生滑移，底板钢筋外露，腋角处斜裂缝沿预制混凝土层轮廓分布（见图6（b））；最大裂缝宽度已到达1 cm（见图6（c））；底板发生剪切破坏，试验结束，左侧墙板和管廊断面破坏现象分别（见图6（d）和（e））。观察试件顶板、底板表面的裂缝分布情况（见图 6（f）），可发现顶、底板内壁跨中裂缝密集，这是由于顶、底板内壁跨中处均承受负弯矩，内壁表面受拉，所受拉应力超出混凝土抗拉强度而形成裂缝。

2.2 荷载-应变曲线分析

混凝土荷载应变曲线可作为分析管廊腋角受力情况的重要依据，装配叠合式管廊模型在分级加大的竖向荷载作用下，混凝土腋角各测点荷载－应变曲线如图7所示。从开始加载至荷载达到75 kN，各测点应变增量均随荷载的增加而变大，且各测点应变均为压应变；荷载增加到90 kN，此期间由于墙板出现裂缝，除测点1应变变化幅度甚微，其余测点应变变化幅度略大；荷载继续增加到127.5 kN，由于管廊试件内壁出现大量裂缝，各测点应变产生波动，但波动幅度较小。荷载增大至131 kN时，由于管廊模型底板一侧腋角处产生延伸至底板内壁的45°斜裂缝，除测点4应变增量较小，其余各测点应变迅速增加至一定程度后保持稳定；直至荷载到达150 kN时，由于管廊模型底板一侧腋角处产生延伸至底板内壁的主裂缝，各测点迅速由受拉状态转变为受压状态，应变反应剧烈，且均随继续加载产生大幅波动。加载至管廊试件达到极限状态时，各测点应变状态均为压应变，测点3即底部跨中腋角处压应变最大，应变值为-263.4 με；测点1即底板端部腋角处压应变最小，应变值为-115.6 με。顶、底部跨中腋角对应测点3，4应变值明显大于顶、底端部腋角对应测点1，2；底部跨中腋角测点3应变远大于顶部跨中腋角测点4，而底板腋角端部测点1和顶板腋角端部测点2应变值相差较小。

2.3 荷载-位移曲线分析

对顶部腋角各测点的位移数据进行整理归纳可得到管廊顶部腋角测点荷载-位移曲线，如图8所示。分析荷载位移曲线可知，管廊结构破坏过程大体可以分为3个阶段。

混凝土开裂阶段：从开始加载至荷载到达75 kN，此期间试件混凝土表面无裂缝，管廊结构处于弹性工作状态，顶部腋角各测点位移随荷载增加呈线性增长。随着荷载继续增大，试件凝土表面产生裂缝，管廊结构逐渐从弹性工作状态进入非弹性工作状态，荷载-挠度曲线呈现出非线性的变化规律，并且出现刚度衰减现象。

钢筋屈服阶段：当荷载增加至149.6 kN时，试件受拉区混凝土裂缝不断开展，底部腋角处45°斜裂缝宽度迅速增大，形成主裂缝，试件刚度明显下降，受拉区钢筋开始进入屈服阶段，此时荷载增长不大，而位移持续增长；构件屈服后荷载有所下降，而位移急剧增加，是构件主裂缝持续增大且不断产生新裂缝所致。经过一段不稳定平台后，荷载又有所上升，这是由于部分钢筋已经处于屈服平台，钢筋应力不断发生变化，构件荷载不能持荷。

破坏阶段：此阶段荷载增长缓慢，主裂缝宽度不断增长，位移急剧增大，结构变形明显，管廊结构的刚度出现较为明显的衰减。荷载在达到149.6 kN前，各测点位移与荷载的增长趋势呈现出一定的线性关系，只有在极限荷载作用下才产生较大的变形，说明管廊结构的抗变形能力较强。

3 结论

通过对装配叠合式管廊模型进行静力加载试验可得到以下结论。

1）装配叠合式管廊试件的极限承载力为176.8 kN，是管廊荷载设计值的2.08倍，具有足够的安全储备。

2）装配叠合式管廊试件的破坏形式为单板剪切破坏，试件的主裂缝为端部腋角处沿着预制混凝土层和后浇混凝土层交界位置产生的斜裂缝，由此可见装配叠合式管廊试件薄弱位置在预制混凝土层及后浇混凝土层交界部位，在实际工程中应对此部位进行加强设计。

3）腋角在正常使用状态下未产生明显裂缝，仅在极限荷载作用下产生较大的变形且最大挠度为14.91 mm，受力性能良好。