腋角构造对叠合板式拼装综合管廊下部节点受力性能影响分析*

胡翔 陈盛扬 薛伟辰 陈小文

1.同济大学土木工程学院 上海200092

2.中铁四局集团建筑工程有限公司 合肥230022

引言

综合管廊是指在城市地下建造一个隧道空间，将电力、通信、燃气、给排水等市政管线收纳其中，实施统一规划、统一管理，是保障城市运行的生命线工程。目前，我国综合管廊施工通常采用现浇和预制拼装两种方式，预制拼装综合管廊是在工厂内分节段浇筑成型，现场采用拼装工艺施工形成整体的综合管廊［1］。相较于现浇的施工方式，预制拼装因具有施工周期短、质量易保证、环保节能综合效益显著等优点而被广泛应用于实际工程中［2］。

为了满足大截面尺寸综合管廊结构的施工要求，针对最为常用的箱型截面管廊结构，国内外出现了四种常见的节段预制拼装方案：整舱预制拼装、预制槽型拼装、预制板拼装和叠合板拼装。叠合板式拼装综合管廊是将管廊拆分为顶板、壁板、顶板等构件，其中壁板采用双面叠合板构造，顶板一般采用叠合楼板的形式，底板则一般为叠合楼板或现浇板，各部件之间通过后浇混凝土连接成整体。叠合板式综合管廊的预制板可以充当后浇混凝土的模板，大大减少了现场施工的模板工作量，缩短了工期，且相比于其他预制拼装形式，减少了结构横截面和纵向的拼缝，整体性和防水性能都较好。所以叠合板式拼装综合管廊是目前国内预制混凝土综合管廊应用最为广泛的结构形式之一［3］。

针对叠合板式拼装混凝土综合管廊，哈尔滨工业大学田子玄开展了7个管廊节点和1个双舱整体管廊的单调静力试验，分析了不同的配筋方式、不同腋脚高度、不同管廊位置等参数对叠合板式综合管廊节点受力性能的影响以及准永久荷载作用下整体管廊结构的受力性能和防水性能［4］。山东大学马素等对叠合板式拼装综合管廊连接接头的抗弯性能进行了试验研究［5］。湖南大学易伟建对叠合板式多舱综合管廊的静力性能进行了试验研究，重点分析了不加腋对综合管廊受力性能的影响［6］。中建技术中心郭建涛和油新华等针对叠合板式综合管廊整体结构的静力性能进行了研究，通过现场加载试验和数值模拟分析得出叠合板式拼装综合管廊的结构力学性能和变形能力均能满足设计要求［7］。湖南大学郭福能和方志等对叠合板式拼装综合管廊的预制壁板和8个连接节点的静力性能进行了试验的研究，重点分析了节点角部纵向钢筋和叠合面对结构性能的影响［8］。重庆大学王宇航等对叠合板式拼装综合管廊节点的抗震性能进行了研究，以节点区体积配箍率和纵筋锚固长度为参数，开展了10个叠合板式拼装综合管廊结构边节点和中节点的抗震性能试验［9］。

综上可见，目前对于叠合板式拼装综合管廊受力性能的研究主要集中在单调静力性能方面，针对其在低周反复荷载下的受力性能研究还较少。此外，针对腋角构造的影响，相关研究还十分薄弱。鉴于此，本文拟通过试验研究与有限元分析，揭示腋角构造对叠合板式拼装综合管廊下部节点的影响规律，从而为进一步优化叠合板式拼装综合管廊的构造方案提供依据。

1 试验研究

1.1 试验设计

本文共设计有2个叠合板式拼装综合管廊下部边节点（底板与壁板连接节点）足尺模型，试件尺寸如图1所示。2个试件分别为1个带腋角的叠合板式拼装综合管廊下部边节点试件PTC1和1个不带腋角的下部边节点试件PTC2。试件的混凝土强度等级均为C30，受力钢筋强度等级为HRB400。

图1 试件尺寸Fig.1 Details of the specimens

试验采用500kN电液伺服作动器施加水平低周反复荷载，按照我国《建筑抗震试验方法规程》（JGJ 101—96）中规定的荷载-位移混合控制加载方法施加水平低周反复荷载测试壁板顶部加载点处的水平侧移、水平荷载、试件底板水平侧移。

1.2 主要试验结果

1.破坏形态

试件的破坏形态如图2所示，下部2个综合管廊边节点试件最终的破坏形态均为受弯破坏。对于加腋试件，边节点的破坏位置主要集中在壁板下部、底板与腋角变截面附近区域，具体表现为壁板下部、底板与腋角变截面处形成通缝，此区域外侧混凝土大量剥落，外侧纵筋全部露出；对于无腋的试件，边节点的破坏位置主要集中在底板与侧壁交界面区域，具体表现为底板与壁板交界面处形成通缝，此区域外侧混凝土大量剥落，外侧纵筋全部露出。

图2 试件破坏形态Fig.2 Failure pattern of the specimens

2.承载能力

各试件的骨架曲线如图3所示，由图可知各试件在水平反复荷载作用下均经历了开裂、屈服、达到峰值荷载和破坏四个阶段。开裂前，荷载和位移基本呈线性增长；开裂后，试件刚度明显降低，骨架曲线变得平缓；屈服后，随着位移增加，试件刚度不断下降直至破坏，在此过程中未出现荷载突然降低，表现出良好的延性。不同试件的初始刚度基本相同，但随着水平位移的增加，无腋试件的刚度降低较快；正向承载力大于反向承载力，这是由于边节点迎水面配有角部附加筋，增加了节点的正向承载力；无腋试件PTC2的正向承载力比加腋试件PTC1低1.9%，

反向承载力低31.3%。

2 有限元分析

2.1 有限元建模

混凝土单元采用C3D8R单元，钢筋采用T3D2单元，建立有腋边节点、有腋和无腋中节点有限元模型，如图4所示。节点有限元模型的边界条件与试验条件保持一致，一端为铰支座，即约束水平和竖直方向的平动、但不约束垂直纸面方向的转动，一端为滑动支座，即约束竖直方向平动、但不约束水平方向平动和垂直纸面方向的转动。

钢筋混凝土结构非线性有限元分析过程中混凝土采用了损伤塑性模型，其抗拉强度、抗压强度和弹性模量参数均根据试验中混凝土实测力学性能指标进行设置，以更好地模拟实际结构的受力性能。此外，为更好地表现出混凝土材料的塑性损伤特性，模型中设置了混凝土材料的拉伸损伤和压缩损伤系数。钢筋的本构采用描述弹塑性的双折线模型，即屈服前为完全弹性，屈服后的应力-应变关系简化为水平直线。各钢筋屈服强度和弹性模量均根据试验中钢筋实测力学性能指标进行设置，以更好地模拟实际结构的受力性能。

2.2 边节点有限元分析

为了验证本文建立的叠合式混凝土综合管廊非线性有限元分析模型的准确性，将有限元分析得到的破坏形态、承载力与试验结果进行对比。

1.破坏形态

在水平荷载的作用下，有限元模型和试验试件的整体变形对比如图5所示，各节点有限元模型混凝土和钢筋的Mises应力云图如图6所示。

图5 节点有限元和试验变形对比Fig.5 Comparison of finite element and experiment deformation

由图5和图6可知，有限元模型得到的节点变形形态与试验现象基本一致，节点模型的破坏模式均为侧壁或底板角部截面受弯破坏。试件的拼缝处有明显的变形，与试验时实际观察到的变形现象基本一致。钢筋及混凝土的Mises应力云图中，在水平荷载作用下，计算模型受压侧混凝土达到极限压应变，受拉侧纵筋受拉屈服，这与试验中观测到的试件破坏形态基本一致。

2.承载能力

叠合板式拼装综合管廊节点水平荷载-位移关系曲线的有限元计算结果与试验骨架曲线对比情况如图7所示，表1统计了综合管廊下部节点试件试验和有限元水平承载力对比。由图7和表1可知，有限元计算得到的下部节点试件的骨架曲线与试验所得的骨架曲线总体形状及变化趋势相近。对于边节点试件PTC1，有限元分析得到的峰值荷载和试验得到的峰值荷载基本一致，与试验值相比峰值荷载相差在6.3%以内。

综上可知，本文建立的叠合式混凝土综合管廊非线性有限元分析模型计算得到的结果与试验结果吻合良好，该模型可用于进行叠合板式拼装综合管廊的全过程有限元分析；叠合板式拼装综合管廊下部节点具有良好的受力性能，承载力略低。

表1 综合管廊下部节点试件水平承载力Tab.1 Comparison of bearing capacity between finite element analysis and test measurement

2.3 中节点有限元分析

在水平荷载的作用下，叠合板式拼装综合管廊中节点的有限元模型整体变形、各节点混凝土和钢筋的Mises应力云图如图8、图9所示，图10给出了有腋、无腋荷载位移曲线对比。

由图8～图10可知，中节点模型均为弯曲破坏，破坏的位置均在拼缝处。在水平荷载作用下，计算模型受压侧混凝土达到极限压应变，受拉侧纵筋受拉屈服。有限元分析得到的有无腋角中节点峰值荷载分别为69.9kN、67kN，可知腋角钢筋和混凝土对于预制中节点的承载力影响较小。

图6 边节点混凝土和钢筋Mises应力云图（单位：MPa）Fig.6 Mises stress of concrete and reinforcement（unit：MPa）

图7 试件PTC1荷载位移曲线对比Fig.7 The skeleton curves of PTC1

图8 有腋中节点混凝土和钢筋Mises应力云图、骨架曲线Fig.8 Mises stress of concrete and reinforcement with haunch

图9 无腋中节点混凝土和钢筋Mises应力云图、骨架曲线Fig.9 Mises stress of concrete and reinforcement without haunch

图10 中节点有腋、无腋骨架曲线对比Fig.10 Comparison of the curves between with and without haunch

3 结语

腋角构造对节点的破坏形态影响较小，2个节点均发生壁板或底板端部截面受弯破坏；腋角构造对节点正向（管廊内侧受压）承载力影响较小，无腋角节点比有腋角节点低约1.9%，但对反向（管廊内侧受拉）承载力影响较大，无腋角节点比有腋角节点低约31%。有限元分析研究了腋角构造对中节点影响，结果显示：有无腋角中节点峰值荷载分别为69.9kN、67kN，可知腋角构造对中节点的承载力影响较小。