超高性能混凝土预制拼装综合管廊抗剪承载力*

陈树辉 夏樟华 吴泽霖 许有胜 呼明亮 朱三凡

(1.健研检测集团有限公司, 福建厦门 361004; 2.福州大学土木工程学院, 福州 350108; 3.深圳市市政设计研究院有限公司, 广东深圳 518038)

近年来各类城市管线越来越多,大容量和多舱化成为综合管廊发展的新趋势。预制管廊容量的增大和舱数的增加必然使其节段质量大幅增大。然而受吊装设备能力的限制,使得预制拼装综合管廊的多舱化变得较为困难。随着超高性能混凝土(UHPC)的快速发展,其超高的致密性和优异的力学性能使得结构的质量可以大幅降低,构件尺寸得以优化,可获得更多的使用空间,从而大量应用于预制拼装结构领域;在截面得到优化的同时大大降低预制拼装结构运输和吊装的难度。[1]利用UHPC材料优良的抗渗性和耐腐蚀性可以替代地下水侵蚀环境下的地下结构和管道等普通钢筋混凝土结构,显著提高其耐久性和使用寿命。[2]UHPC为预制拼装综合管廊存在的诸多不足提供了新的解决思路。

目前,对UHPC梁抗剪性能的研究已有了不少成果。Wu等对11片Ⅰ形截面 UHPC梁开展了抗剪承载能力的研究试验,提出了出现剪切斜裂缝的荷载算式。[3]Baby等对Ⅰ形截面 UHPC梁受剪性能进行了试验研究,结果表明,不同的纤维方向对梁的抗剪承载力有较大影响。[4]Voo等对8片预应力 UHPC工字梁进行了试验,结果表明由于纤维的桥联作用,使腹板在临界裂缝出现前出现了大量的剪切裂缝,提高了梁的整体受剪性能。[5]刘超等对不同剪跨比、有无UHPC层、UHPC层内是否配筋等组合梁的抗剪承载力进行研究,研究表明:UHPC层可以大幅提高整体结构的抗剪承载力和延性,并通过理论计算得到了超高性能混凝土-混凝土(UHPC-NC)矩形截面组合梁斜截面抗剪承载能力计算方法。[6]陈红波通过建立UHPC短梁拉-压杆模型,推导了短梁的受剪承载力计算式。[7]马熙伦等基于桁架-拱模型对R-UHPC梁的抗剪极限承载力计算方法进行了优化。[8]此外,文献[9-12] 也介绍了对UHPC梁结构抗剪承载力计算方法的推导。徐海宾对预应力超高性能混凝土梁抗剪性能进行了研究,推导了UHPC梁的正常使用极限状态下斜裂缝最大宽度计算式和抗裂剪力计算式。[13]Xia等认为UHPC梁受剪破坏是一种可接受的延性破坏。[14]

利用UHPC材料可以提升桥梁的纵向刚度,为箱形结构的相关问题提供了新的解决思路。邵旭东等提出可将UHPC材料应用于单向预应力UHPC连续箱梁桥中,通过采用UHPC薄壁型加劲板件,不仅大幅降低了结构质量,且能够取消部分横、纵向预应力,并在实践的应用中证实了其可行性。[15]陈艳平等初步探讨了UHPC材料在综合管廊建设中的应用优点,对于综合管廊现阶段存在的接缝问题和耐久性问题通过有限元建模分析对比,从工程全寿命的角度来讲,UHPC相对普通混凝土在地下综合管廊的建设中存在着优势和发展潜力。[16]

国内外对超高性能混凝土箱型结构的抗剪性能研究还不完善。因此,以某综合试验区管廊单舱纵向1 m节段为研究对象,通过试设计确定UHPC综合管廊试验节段结构尺寸和配筋布置,制定静力试验方案对UHPC综合管廊的受力机制和破坏特征等进行分析,并提出简化的UHPC综合管廊结构抗剪承载力计算方法。

1 既有抗剪承载力计算式分析

对于混凝土结构抗剪承载力计算,不同设计标准采用的方法不同,对UHPC受弯结构进行抗剪承载力计算最重要是选取正确的计算模型。因此,参考不同设计标准对UHPC管廊试件的抗剪承载力计算效果进行分析比较,从而选取较为理想的UHPC结构抗剪承载力计算模型。

现阶段国内还未有关于围压作用下的UHPC箱形结构抗剪承载力相关设计标准及计算方法,因此选取 GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[17]、JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[18]、CECS 38∶2004《纤维混凝土结构技术规程》[19]的抗剪承载力计算式进行对比计算。

在计算箱型结构抗剪承载能力的情况下,三种计算方法所侧重的内容有所不同:GB 50010—2010中的算式(式(6.4.10-1))强调箍筋对结构抗剪承载力的影响;JTG 3362—2018中的算式(式(5.2.9))侧重普通弯起钢筋及体内外预应力弯起钢筋的抗剪承载力;CECS 38∶2004中的算式(式(5.2.3))考虑了钢纤维对钢筋钢纤维混凝土抗剪承载力的影响。

2 UHPC综合管廊静力试验和算式验证

2.1 材性试验

为比较现有抗剪极限承载能力计算方法与文中建议计算方法的准确性,结合福建省某综合试验区综合管廊标准段展开UHPC综合管廊试设计研究。UHPC力学性能的试验应符合GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[20]及GB/T 31387—2015《活性粉未混凝土》[21]中的规定。试验模型制作采用工厂标准化UHPC原材料制作,在实验室配合比试验研究的基础上,选用水胶比为0.2,钢纤维体积掺量为2.5%的材料配比。采用边长为100 mm的立方体试块测定UHPC立方体抗压强度,采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试块测定UHPC材料轴心抗压强度,在伺服压力试验机上进行加载。测定UHPC轴心抗拉强度时采用UHPC专用狗骨试件,用试验机夹住试件两端沿轴线方向施加拉力,直至试件被拉坏。通过材性试验得到UHPC材料的立方体抗压强度fcu为150 MPa、轴心抗压强度fc为130 MPa、轴心抗拉强度ft为8.4 MPa、弹性模量Ec为48.5 MPa。

根据GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验第 1 部分:室温试验方法》[22]规定选取φ14、φ12、φ10三种规格的钢筋用拉伸试验机进行钢筋材料性能试验,最终测得钢筋的力学性能如表1所示。

表1 试验钢筋材性Table 1 Material property indexes of test rebars

2.2 UHPC综合管廊试验

管廊节段试件尺寸为1 950 mm×2 050 mm×1 000 mm,缩尺比例为1∶2。其中,顶板和侧墙厚度为110 mm,底板厚度为125 mm;混凝土保护层厚度管廊外侧为25 mm,管廊内侧为23 mm。整体试验试件尺寸与示意如图1、2所示。纵向受力筋采用φ14、φ12的HRB335热轧钢筋。横向受力筋采用φ10的HRB335热轧钢筋,按两层布置。配筋情况见图3,配筋详情见表2。

a—试件立面; b—试件侧面; c—试件顶面。图1 试件尺寸 mmFig.1 Specimen sizes

图2 试件示意Fig.2 A schematic diagram of specimens

图3 试件配筋 mmFig.3 Details of rebars of specimens

表2 试件的主要配筋Table 2 Main rebars in specimens

管廊试件整体受力性能试验采用穿心千斤顶施加预应力的方式对结构施加荷载。试验中利用预留的孔洞,穿心千斤顶一端锚固,另一端加载张拉预应力,张拉端和锚固段通过分配梁进行两级分配,并放置加载板,以使得受力更均匀并防止局部破坏的发生,利用2个1 000 kN的液压千斤顶(图4)进行加载。

a—加载示意; b—加载装置。图4 管廊节段试验加载装置及加载形式Fig.4 Loading devices and loading forms for utility tunnel sections

2.3 试验破坏现象

管廊节段整体采用穿心千斤顶施加预应力的方式对结构施加荷载,计算设计荷载如表3所示,(计算荷载标准值为:(恒载+活载)×受荷面积;计算荷载设计值为:(1.2倍恒载+1.4倍活载)×受荷面积),加载程序见表4所示。

表3 计算设计荷载Table 3 Calculated design loads

表4 试验加载程序Table 4 Test procedures

试验采用分级加载,当荷载加载到234 kN时,听到构件内钢纤维撕扯声音,荷载达430 kN时,管廊试件顶板跨中纯弯段距加载点4 cm内壁观察到第一条竖向裂缝出现,试件达到其开裂荷载。裂缝测量宽度为0.06 mm,测量高度为8 cm左右,随着持荷时间增长,顶板跨中纯弯段距加载点4～21 cm内出现多条细密的竖向裂缝,此时裂缝最大宽度为0.08 mm,裂缝最大高度发展到12 cm左右,混凝土的荷载-挠度曲线开始出现较为明显的转折。试件处于较为明显的弹性受力阶段。

当荷载加载到535 kN时,侧墙和底板开始出现细密裂缝,随着持荷时间增加,底板跨中纯弯段距加载点5～12 cm内出现多条竖向裂缝,裂缝宽度最大为0.07 mm,裂缝高度最高为16 cm;侧墙纯弯段距加载点25～56 cm范围内出现多条竖向裂缝,其中裂缝宽度最大为0.07 mm,裂缝高度最高14 cm;之后随荷载值增大,观察到裂缝数量持续增多,原有裂缝的长度和宽度也不断延展。试件逐渐由弹性阶段、裂缝开展阶段向塑性阶段过渡。

当荷载值达700 kN时,裂缝数量增加已不明显,裂缝宽度仍不断发展,此时管廊试件4个壁板共形成4条明显的主裂缝,试件进入塑性变形阶段。顶板跨中主裂缝宽度最大达到2.50 mm,底板主裂缝出现斜裂缝,其中一条斜向裂缝发展为横向裂缝。

荷载达900 kN时,可以听到管廊试件内发出钢纤维“噼啪”的断裂和拔出声,持续半分钟后,管廊试件顶板和侧板挠度持续增大,试件失去继续承载的能力,试验结束。此时管廊试件破坏后试件裂缝分布如图5所示。

a—顶板裂缝; b—底板裂缝; c—侧墙1裂缝; d—侧墙2裂缝。图5 UHPC管廊试件破坏裂缝分布 mmFig.5 Distribution of cracks in the UHPC utility tunnel at failure

从试验破坏现象可以看出:管廊试件的顶板和底板呈现出弯剪破坏特征,即跨中具有主裂缝,而加载点附近以斜向剪切裂缝为主。侧墙上半部形成了明显的塑性铰,最终导致管廊结构框架因塑性铰位移变形过大而丧失承载力破坏。

2.4 荷载-位移曲线

对管廊试件顶底板和侧墙的荷载-位移曲线的对比分析(图6)可以看出:试件顶板和侧墙表现出典型四阶段受力机制,即弹性阶段、裂缝开展阶段、屈服强化阶段和破坏阶段。

图6 管廊试件跨中荷载-位移曲线Fig.6 Load-displacement curves of the specimen at the middle span

试件处于弹性阶段未开裂时,其荷载-挠度曲线呈直线。当荷载达到开裂荷载(430 kN)时,试件的荷载-挠度曲线开始出现转折,进入裂缝开展阶段(裂缝宽度为0.06 mm,高度为8 cm左右)。当管廊试件纵向受力筋达到屈服应力(700 kN)时,试件荷载-挠度曲线出现第二次转折点,此时纯弯段裂缝(最大宽度为2.5 mm)基本出齐,该阶段荷载-挠度曲线斜率较弹性阶段有所减小。纵向受力筋发生屈服进入屈服强化阶段,该阶段管廊试件在承载力变化较小的情况下挠度发展明显。当管廊试件受压区混凝土发生压碎现象时开始进入破坏阶段,此后荷载下降明显,变形快速发展,管廊试件破坏,最终极限荷载为900 kN,对应顶板跨中挠度为74.35 mm,底板和侧墙的变跨中变形相对较小,分别为48.41,38.85 mm,将管廊试件顶板(以顶板破坏作为试件破坏判定标准)、底板和侧墙的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载及最大挠度列于表5。

表5 管廊试件顶板试验结果Table 5 Measured results for roofs of specimens

2.5 试验与计算结果比较分析

现有计算方法计算值与试验实测值的对比情况如表6所示;UHPC管廊抗剪承载力计算值与试验实测值的对比情况如表7所示。其中Vexp表示试验值,Vcal为计算值。

表6 现有计算方法计算值与试验实测值对比Table 6 Comparisons between calculated values by existing calculation methods and the experimental values

表7 UHPC管廊抗剪承载力计算值与试验实测值对比Table 7 Comparisons between calculated values of the shear capacity of UHPC utility tunnels and measured values by tests

通过对表6的分析得出:GB 50010—2010和JTG 3362—2018计算结果相对于试验实测值保守程度较大,原因在于GB 50010—2010和JTG 3362—2018对UHPC高强度混凝土缺乏适应性,无法考虑钢纤维拉应力对结构抗剪能力的贡献。CECS 38∶2004中的抗剪计算模型考虑了钢纤维拉应力对结构抗剪能力的影响,计算结果更加接近试验值,但计算结果仍偏于保守,原因为UHPC中钢纤维与基体之间的黏结性能较普通混凝土更好,所以UHPC中钢纤维对于结构抗剪所贡献的拉应力较普通混凝土更大。由表7可知:管廊试件发生破坏的顶板和侧墙理论计算值均与试验实测值较为接近,计算误差在7%以内,计算精度得到改进。

3 UHPC管廊抗剪承载力计算方法

基于现阶段试验成果与运算简化,相关基本假定为[23]:

1)平截面假定;2)结构受压区混凝土压应变运算简化为矩形分布;3)钢筋仅承受其轴向方向的拉力,不承受弯矩和剪力;4)计算截面所承受的剪力全部由受压区混凝土所承担;

实际受力情况中,综合管廊承受四周环向分布荷载作用,可简化模拟为双向荷载,再由分配梁进行分配。综合管廊在双向荷载作用下,在结构内部会形成内力拱。内力拱作用如图7a中阴影部分所示。取板单元隔离体其受力模型可简化成以纵筋为拉杆,以混凝土受压带为压杆的拉杆拱,如图7b所示,图7c为图7b中1—1截面受力分析[20]。

图7 单舱管廊结构受力计算模型Fig.7 A force calculation model of a single cabin utility tunnel

根据假定,围压作用下管廊结构侧壁传递的全部剪力由受压区混凝土承担,受压区混凝土切应力分布图形可分解为矩形和抛物线两种图形,即裂缝顶端以上为矩形,顶端以下为抛物线型,如图7c所示。参考CECS 38∶2004中钢纤维对结构抗拉能力的影响,得出:

截面1—1承受的总剪力为:

atanα)]+0.7βvλf(1.5-βt)ftbh0

(1)

由图7b压杆中微立体可建立方程:

(2)

由图7c,可得到平衡方程:

(3)

根据平截面假定,受压区钢筋应力为:

(4)

极限荷载下考虑UHPC钢纤维对结构抗拉能力的影响,截面总剪力可变化为:

τxy=σ2sinαcosα

(5)

则截面1—1承受的总剪力可写成:

abtanα]+0.7βvλf(1.5-βt)ftbh0

(6)

式(6)中只有系数α为未知变量,因此有:

(7)

得到:

(8)

令λ=a/h0,可得:

(9)

将式(9)代入式(6)简化得到受剪承载力:

0.7βvλf(1.5-βt)ftbh0

(10)

4 结束语

1)对UHPC梁抗剪承载力计算方法进行归纳整理。其中,GB 50010—2010未考虑纵筋的抗剪承载力,侧重考虑混凝土抗拉性能和箍筋的抗剪性能,其重点考虑了一般剪扭构件混凝土受扭承载力降低系数。JTG 3362—2018计算方法与GB 50010—2010大致相同,但考虑了普通弯起钢筋抗剪承载力和体外预应力弯起钢筋抗剪承载力。CECS 38∶2004重点考虑了钢纤维影响与钢筋钢纤维混凝土有关受剪承载力,箍筋有关的受剪承载力和素混凝土的受剪承载力。通过试验可知,GB 50010—2010计算值与试验实测值的误差在79%,JTG 3362—2018计算值与试验实测值的误差在112%,CECS 38∶2004计算值与试验实测值的误差在57%。

2)通过构建优化的UHPC管廊结构“内力拱”受力计算模型,结合UHPC中钢纤维对于结构抗剪所贡献的拉应力,提出了适用于UHPC综合管廊结构分析的抗剪承载力计算方法,并使计算误差控制在7%以内,较于CECS 38∶2004中的计算误差57%,计算精度得到改进。原因为UHPC中钢纤维与基体之间的黏结性能较普通混凝土更好,所以UHPC中钢纤维对于结构抗剪所贡献的拉应力较普通混凝土更大。