预制拼装综合管廊接头有限元计算方法研究

丁思盼，夏樟华，许有胜，王远洋

( 1.福州大学 土木工程学院， 福建 福州 350108；2.深圳市市政设计研究院有限公司， 广东 深圳 518035)

城市地下综合管廊是指在城市地下用于集中敷设电力、通信、广播电视、给水、排水、热力、燃气等工程管线的公共隧道及附属设施[1-2]。从诞生至今将近有两百年的历史，在许多发达国家得到极大发展，成为市政建设与公共管理现代化的象征[2-5]。近年来，我国通过设置多个试点城市，发布相关政策与规范，推进管廊建设，以解决“马路拉链”，“空中蜘蛛网”等难题。随着建筑工业化的进程，预制装配技术在管廊建设中得到广泛的应用，其中以预制预应力综合管廊为主，其具有连接可靠，耐久性高的优势，可大幅提高施工速度，缩短工期[6]。管廊接头是整个管廊结构的关键部位，若接头发生较大的变形，不仅对管廊结构造成破坏，引起渗漏水、不均匀沉降等病害，甚至会导致管廊内部管线设备的锈蚀损坏。

目前，闫鑫雨等[7]对于采用弧形螺栓+榫槽的综合管廊接头进行足尺模型试验，比较不同材料的管廊接头的抗弯刚度与抗剪强度。李荣华等[8]利用FLAC3D有限差分方法模拟土工布对填土沉降的防护以及土工格栅的构造因素对外部荷载作用下的管廊防护进行研究。顾卫兵等[9]通过足尺试验比较预制装配式管廊与现浇管廊的力学性能差异。马姣蓉[10]对于采用剪力键+斜螺栓的分块预制拼装管廊接头进行弹性试验与破坏试验，确定应力集中区域，并针对该接头提出改善措施。余泽[11]基于DKT(离散基尔霍夫技术)建立一种预制综合管廊的新型板-接头计算模型，通过对数值算例进行对比分析，该单元与以往的梁-弹簧模型相比，在变形与受力上更加符合预制综合管廊结构的实际受力情况。朱瑶宏等[12]通过足尺试验方法，针对直螺栓与弯曲螺栓两种不同形式的接缝进行接头的极限承载能力进行研究，通过对比分析得到两种螺栓的破坏过程大致相同，从总体来看，弯曲螺栓的承载能力要略大于直螺栓。沈继美等[13]针对采用直螺栓连接的预制综合管廊接头的螺栓预紧度与节段承载力进行实验研究，通过对比分析，得到螺栓连接的最适合的预紧度范围。

在实际工程中，预制拼装综合管廊的接头常常因土体及外部荷载作用而发生较大变形，从而引起管廊渗漏或土体侵蚀等病害，因此，根据上海世博会综合管廊示范工程为背景[14]，以平接头足尺试验模型为研究对象，基于ABAQUS软件针对预制预应力接头进行分析，从破坏过程、普通钢筋及预应力筋变化情况、接头抗弯刚度、接头截面变形情况等方面进行研究，通过与试验结果的对比进一步证明了有限元计算方法的可行性，为预制预应力综合管廊的接头受力性能研究提供依据。

1 建立有限元模型

1.1 模型设计

该接头模型由两块预制混凝土板通过一根预应力筋进行拼装而成,预制混凝土板的尺寸为长2 400 mm，宽1 000 mm，高300 mm。如图1所示。

图1 结构尺寸图(单位:mm)

所采用的预应力筋为有粘结形式的Φ32精轧螺纹钢筋，混凝土采用的是C40混凝土，混凝土板内的纵向受力钢筋采用的是直径为12 mm的HRB400钢筋，钢筋间距为150 mm，横向分布钢筋采用的是直径为16 mm的HRB400钢筋，保护层厚度为50 mm，具体材料性质见表1。

表1 材料性质表

1.2 网格划分

预制混凝土板在截面高度上划分为5个网格单元，沿纵向划分为12个网格单元，在横向划分为10个网格单元，采用的单元类型为C3D8R网格单元。钢筋与预应力筋的网格单元在沿钢筋方向上划分为10个网格单元，采用的单元类型为T3D2单元。网格划分结果如图2所示。

图2 网格划分

1.3 加载方式与边界条件

该模型的加载步骤分为两步，首先在水平方向上施加预应力，其次在竖直方向上施加竖向荷载。其中两个荷载作用位置距离接头处500 mm。两个支座位于预制混凝土板端部，加载示意图见图3。

图3 加载方式(单位:mm)

边界条件设置于两端垫块耦合点处，边界条件为一端固定，一端滑动。施加预应力的方法为降温法[15]，需要根据公式计算得到施加预应力所需要降低的温度，创建并设置初始温度场，在靠跨中位置的两垫块耦合点处施加相同的竖向荷载。

2 接头受力过程分析

2.1 预应力张拉完成

根据U1方向的位移云图(见图4(a))可以看出整个试验模型在X方向上的位移基本为负值，收缩最大值为-0.108 4 mm，出现在预应力筋附近，这表示通过降温法进行预应力张拉的预应力筋存在明显收缩情况。从U2方向的位移云图(见图4(b))可以看出在两块混凝土板的邻近接头区域产生的竖向位移为正值，但十分微小，在跨中处产生的最大位移为0.010 9 mm。通过以上两点可以说明在张拉完成预应力时，两个预制混凝土板之间的接头是完全闭合的，且在边界条件及预应力张拉的作用下，接头模型有轻微的反拱趋势现象，相关云图结果见图4。

2.2 施加竖向荷载

在对接头模型施加竖向荷载的过程中，总共经历两个阶段，分别是消压、屈服阶段。接头模型混凝土应力云图如图5所示。由于预应力的作用，且预应力筋布置于截面中心处，可以从应力云图的结果中看出接缝处的混凝土接缝处全截面受压。随着竖向荷载的不断增加，由竖向荷载产生的纯弯矩不断增大，由弯矩作用产生混凝土截面上的拉应力与预应力产生的初始压应力相互抵消，此时接缝下部将会逐渐张开，当竖向荷载大约在23 kN时，接缝下缘的张开量为0.08 mm，说明已经达到消压状态。

接头下缘的张开量随荷载逐渐增大，通过应力云图的结果对比可知，这是因为接缝处下缘在逐渐张开，张开后的预制混凝土板间不存在压应力，接头受压区减少。接缝上缘混凝土接触区的压应力也在不断增大。同时预应力筋也发生相应的变形，随着荷载的继续增大，接缝的张开量迅速增大，当预应力筋达到屈服强度即807 MPa时，接头达到屈服状态。

图4 位移云图

图5 应力云图

3 接头受力性能分析

3.1 荷载挠度曲线

荷载-挠度关系曲线见图6，通过对接头模型的破坏过程分析可知，接头模型在竖向荷载作用下经历消压、屈服两个阶段，通过荷载-挠度曲线可知，接头模型的消压荷载为23 kN，对应的挠度值为0，当竖向荷载达到了65 kN时，接头才开始发生下挠，屈服荷载为110 kN，最大挠度值为24.3 mm。

图6 荷载-挠度曲线

3.2 普通钢筋的应力应变情况

承受外力作用时，钢筋与混凝土间的粘结作用增加了管廊节段的延性及抗变形能力。通过有限元模拟分别取预制混凝土板中受压侧与受拉侧的普通钢筋中的两处的应力值与应变值，构成荷载关系曲线，如图7所示。结果表明在竖向荷载作用下，两位置的钢筋应变值随荷载增大而增大，受压侧钢筋应变值增加速度较慢，而受拉侧钢筋应变值增加速度较快。当达到屈服时，受压侧钢筋应变值小于200 με，而在试验中受压侧钢筋应变值也小于200 με，并未发生屈服现象。

图7 普通钢筋荷载-应变曲线

3.3 预应力筋应力情况

根据应力钢筋应变与荷载的关系曲线图8结果可知，在张拉完成时，预应力筋的应力大小为390.5 MPa，应变值为1 982 με，在对接头模型施加竖向荷载的过程中，当荷载范围在0 kN～23 kN内，预应力筋的应力无明显变化，当荷载范围在23 kN～75 kN时，预应力筋的应力发生变化，但变化幅度较小。当荷载范围在65 kN～110 kN时，预应力筋的应力发生明显变化，变化幅度大。当荷载达到110 kN时，预应力筋的应力值为807 MPa，应变值为4 096.4 με，此时接头模型达到屈服。

图8 预应力筋荷载-应变曲线

3.4 接头截面变形情况

取截面高度不同位置作为变形观测点，分别取得不同加载力时提取其在U1方向上的位移、经过处理后得到在不同截面高度处的变形量，如图9所示。接头截面分为两个部分，分别为混凝土受压区与分离区。随着竖向荷载的增大，接头底部分离区的张开量随荷载逐渐增大，最大为12.2 mm，而顶部的混凝土受压区高度逐渐减少并趋于稳定。在实际工程中，接头张开量过大会导致水分或土体易渗入其中，可采用组合接头形式以减小接头变形。

图9 截面变形情况图

3.5 接头抗弯性能及抗弯刚度

从图10中可以看出在施加竖向荷载的全过程中，试验模型的接头经过了消压与屈服两个受力阶段。在消压前接头并没有发生明显的转动，此时该试验模型的抗弯刚度等同于整浇混凝土。在消压后，开始发生微小转角，随着荷载的增大，转角值也在不断的变大，接头的抗弯刚度逐渐减小，随着荷载的继续增大，接头的转角变化更加迅速，这说明在受到竖向荷载作用下，接头变形呈非线性特征。随着荷载达到屈服时，接头所受到的弯矩值为76.7 kN·m，转角位移值为0.041 rad。

图10 弯矩-转角曲线

在有限元模拟过程中，将接头的转角值定义为接头的变形量与截面高度的比值。接头抗弯刚度的定义为接头处产生单位转角时所受到的弯矩大小，接头抗弯刚度能够有效的反应接头在转动过程的变形趋势以及变形大小。由图可知接头的抗弯刚度即为曲线斜率，在荷载初期，曲线斜率最高，接头的抗弯刚度较大，随着荷载的增加，接头的抗弯刚度缓慢减小，当荷载达到40 kN时，抗弯刚度发生明显变化，且变化速度加快，当荷载继续增加时，抗弯刚度继续减小，当接头屈服，抗弯刚度降至最低。

3.6 有限元分析方法对比验证

为验证有限元分析方法的可行性，故将有限元分析与原型试验[14]结果进行对比分析，如表2所示。

表2 有限元结果对比分析表

由于有限元分析方法验证的重点在于荷载作用阶段，为保证在荷载作用下的对比结果准确。故通过降温法模拟的预应力大小值与试验保持一致。通过上述分析结果与试验对比可知，两者都存在消压与屈服阶段，且屈服的标志均为预应力筋达到屈服。两者在消压荷载、屈服荷载、屈服挠度等方面的误差在10%以内，均符合要求。由此可知，针对该类接头类型进行研究时，有限元分析方法不乏是一种行之有效的手段。

4 结 论

本文通过ABAQUS软件建立预制预应力综合管廊接头有限元模型，并针对以下几个方面进行研究：

(1) 分析研究了在竖向荷载作用下接头变形与预应力筋应力的关系，结果表明接头模型达到屈服的标志为预应力筋达到屈服，而结构内部的普通钢筋通常不会发生屈服。

(2) 分析研究了在竖向荷载作用下接头模型的破坏过程，接头的破坏过程分为消压与屈服两个阶段，随着竖向荷载所产生的弯矩作用不断增大，与预应力作用相抵消，进入消压阶段，接头截面也在这个过程中分为混凝土受压区与分离区，由于受弯矩作用，顶部混凝土受压区持续减少，最后趋于稳定，接头的消压荷载与屈服荷载分别为23 kN与110 kN，当达到屈服时，接头的跨中挠度最大为24.3 mm，最大张开量为12.2 mm。

(3) 分析研究了在竖向荷载作用下接头的抗弯性能，对接头抗弯刚度进行研究，在加载过程中，接头的抗弯刚度呈非线性变化，加载初始时，接头的抗弯刚度相当于整浇混凝土，达到消压弯矩后，接头的抗弯刚度逐渐减小，随着荷载的增大，抗弯刚度急剧减小，直到屈服，此时接头模型所承受的弯矩为76.7 kN·m，最大转角值为0.041 rad。

(4) 将有限元分析与原型试验结果进行对比分析，结果表明两者在破坏过程上基本一致，对于消压荷载、屈服荷载、屈服挠度等关键结果的误差都在10%以内，均符合要求。证明有限元分析方法的可行性，为管廊接头受力性能的研究提供依据。