预制装配式混凝土电缆沟节点受力性能分析

2024-01-09钟维军戴戎楠周春恒

电力安全技术 2023年11期

钟维军，金权，戴戎楠，周春恒

(1.宁波市电力设计院有限公司，浙江宁波 315020；2.宁波大学，浙江宁波 315211)

0 引言

随着现代城市建设的发展，城市电网建设逐渐由架空线形式转入地下电缆形式，其铺设方式主要有电缆沟、电缆排管以及电缆隧道等[1]。预制装配式混凝土电缆沟不仅能加快施工进度，还能有效提高结构承载力，强化城区的供电保障能力以及提高管线运行的安全性，在地下输配电结构中具有很好的应用前景[2]。

国内对预制装配式混凝土电缆沟已开展了大量研究。文献[3]对预制装配式混凝土电缆沟在车辆荷载作用下的力学性能进行了数值模拟分析，结果表明车辆轮压的作用位置和覆土厚度对结构顶板底面的竖向位移、拉应力影响显著；文献[4]对预制高性能混凝土电缆沟的抗裂性进行研究，结果表明预制高性能混凝土电缆沟的破坏主要集中于盖板处，且高性能混凝土可以一定程度上提高混凝土的抗裂性；文献[5]对大型电力工作井预制装配式结构体系进行研究，提出了一种分块拼接的装配式整体混凝土大板结构方案，此方案拼接出的装配式工作井不仅具有良好的防渗性，还保证了结构的整体性；文献[6]对新型预制装配式电缆操作工井设计进行了研究，结果表明装配式工井的连接细部处理仍有较大的优化空间，在材料的选择上也有不断开发的余地。

预制装配式混凝土电缆沟井之间存在明显的分段连接问题，其连接节点受力形式多样，相比传统电缆沟节点的应力状态更为复杂，而其承载性能是保证结构整体安全可靠的关键。但国内外对预制混凝土电缆沟连接节点力学性能的研究还比较缺乏。因此，下面选择螺栓连接预制装配式混凝土电缆沟节点为研究对象，通过数值模拟分析了节点的力学性能和破坏特征，为电缆沟工程预制装配化发展提供必要的技术支持。

1 有限元模型建立

1.1 模型参数

如图1所示，预制装配式混凝土电缆沟连接节点ABAQUS 有限元模型由两节预制混凝土电缆沟、四块加载垫块、两个钢筋网及六个弯螺栓构成，预制装配式混凝土电缆沟-工作井连接节点有限元模型由一节预制混凝土电缆沟、一块预制混凝土工作井侧板、一块加载钢板、两个钢筋网及六个直螺栓构成；钢筋网部件均由纵向受力筋和横向分布筋合并(Merge)而成，混凝土保护层厚度均为15 mm。试件具体尺寸参数如表1 所示。

表1 试件具体尺寸参数单位：mm

图1 预制装配式混凝土电缆沟连接节点有限元模型

1.2 材料本构

混凝土采用塑性损伤模型本构模型，根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》确定受压及受拉应力-应变关系，具体参数设置如表2 所示；钢筋和螺栓采用双折线弹塑性强化本构模型，具体参数设置如表3 所示。

表2 混凝土塑性损伤模型本构参数

表3 双折线弹塑性强化本构参数表

1.3 接触定义及边界条件

该ABAQUS 有限元模型具体接触设置如表4所示，边界条件参数设置如表5 所示。

表4 有限元模型接触设置

1.4 单元类型及网格划分

预制混凝土部件及螺栓均采用C3D8R 单元(C表示体单元，3D 表示三维单元，8 表示八节点，R表示Reduced 减缩积分)，钢筋网采用T3D2 单元(T代表Truss (桁架单元)，3D 代表三维模型，2 代表两个节点）；电缆沟节点有限元模型中弯螺栓与预制混凝土电缆沟核心连接区采用四面体网格，单元网格尺寸为10 mm，剩余预制电缆沟混凝土区域和其余部件以及电缆沟-工作井节点有限元模型均采用六面体网格，采用扫掠网格(Sweep)进行网格划分，单元网格尺寸控制在20 mm 左右。

2 模型验证

2.1 试验概况

两组试验均为静力加载，其中电缆沟节点试验采用四点弯曲加载，电缆沟-工作井节点试验采用单点弯曲加载。电缆沟节点试件由两节预制混凝土电缆沟组成，预制混凝土电缆沟之间使用6个8.8 级M14 弯螺栓连接；电缆沟-工作井节点试件由一节预制混凝土电缆沟与一块预制混凝土工作井侧板组成，通过在预制混凝土电缆沟内预埋螺纹钢，使用6 个5.6 级M14 直螺栓将预制电缆沟与工作井侧板连接。电缆沟节点试件所用混凝土强度等级为C30，28 天实测立方体抗压强度为30.3 MPa，弹性模量为30 000 MPa；电缆沟-工作井节点试件所用混凝土强度等级为C50，28天实测立方体抗压强度为48.1 MPa，弹性模量为33 500 MPa；钢筋均采用直径为8 mm 的HRB400螺纹钢，弯螺栓实测屈服强度为408 MPa，极限强度为491.5 MPa，弹性模量为2.06×105MPa；直螺栓实测屈服强度为408 MPa，极限强度为491.5 MPa，弹性模量为2.06×105MPa。

2.2 实际试验与有限元模拟结果对比

图2、3 分别是电缆沟节点试件荷载-挠度曲线、电缆沟-工作井节点试件荷载-挠度曲线，由图可以看出节点试验与数值模拟的竖向挠度随荷载变化趋势大致相同，各阶段荷载挠度特征值总体上吻合较好。由于在有限元分析计算时采用了螺栓预紧力，并考虑到混凝土开裂与破碎导致的刚度下降等，所模拟出的结果与实际测试情况的更加符合；同时，有限元计算结果跨中挠度偏大，极限荷载偏小，这是在有限元分析中没有考虑混凝土与钢筋的粘结滑移所导致的，从实际试验来说混凝土的不均匀性及初始微裂缝等因素可能会导致试验跨中挠度偏小。

图2 电缆沟节点试件荷载-挠度曲线

图3 电缆沟-工作井节点试件荷载-挠度曲线

由电缆沟-工作井节点试件损伤模拟结果(见图4)与实际测试试件损伤的对比可以看出，有限元损伤模拟结果与实际测试试件裂缝的分布区域基本吻合。

图4 电缆沟-工作井节点试件损伤模拟结果

因此，可以得出所建立的有限元模型参数选择和模拟结果较为合理，与实际试验情况具有一致性，可用于后续的试验分析。

3 有限元结果分析

3.1 电缆沟连接节点有限元结果分析

3.1.1 试件受拉损伤变化规律

分析预制装配式混凝土电缆沟连接节点受拉损伤发展的模拟过程：在加载初期，受拉损伤首先出现于预制混凝土电缆沟手孔附近，且预制混凝土电缆沟侧板出现明显的垂直主裂缝；随着荷载的不断增大，混凝土受拉损伤快速发展，电缆沟侧板上垂直主裂缝不断向电缆沟连接面发展，使最下层螺栓连接处出现明显斜裂缝，荷载进一步增大；最终，混凝土受拉损伤遍布整个螺栓连接核心区，斜裂缝继续扩展和延伸，导致电缆沟最底部混凝土被拉碎，试件发生破坏。从最终的破坏模拟结果中可以明显看出，除螺栓连接的核心混凝土区外，其余混凝土区域几乎没有出现明显的受拉损伤。

3.1.2 混凝土应力分析

分析预制装配式混凝土电缆沟连接节点有限元模型的混凝土应力发展的模拟过程：电缆沟连接节点试件的混凝土应力主要分布于混凝土顶部受压区和手孔处；随着荷载的不断增大，混凝土顶部受压区混凝土应力不断增加且向下发展，手孔处混凝土应力不断增加且向上发展，最终导致预制装配式混凝土电缆沟顶部被压碎。

3.1.3 钢筋应力分析

分析预制装配式混凝土电缆沟连接节点有限元模型的钢筋应力发展的模拟过程：在加载初期，钢筋基本处于弹性变形阶段，不是荷载的主要承担者；随着荷载的进一步增大，中下层螺栓接触处的钢筋不断屈服；同时，构造加强筋明显受力，而非螺栓连接区钢筋几乎不受力，这说明在螺栓连接区布置一定的加强筋可以有效提高试件的承载能力，而非螺栓连接区在实际应用中可适当减少钢筋布置，节约成本。

3.2 电缆沟-工作井连接节点有限元结果分析

3.2.1 试件损伤变化规律

分析预制装配式混凝土电缆沟-工作井连接节点有限元模型损伤发展的模拟过程：在加载初期，结构整体中上层混凝土出现明显的受拉损伤；随着荷载不断增加，混凝土受拉损伤快速发展，主要分布于预制电缆沟与预制工作井侧板螺栓连接核心区，这说明预制电缆沟的螺栓孔处混凝土可能会被拉碎，而预制工作井侧板45°角处混凝土可能会出现斜裂缝；随着荷载进一步增大，电缆沟最上层螺栓连接处受拉损伤快速向上发展，45°角处的斜裂缝不断扩展延伸，最终导致电缆沟最顶部的混凝土被拉碎。从最终的破坏模拟结果中可以明显看出，除螺栓连接的核心混凝土区外，其余混凝土区域几乎没有出现明显的受拉损伤。

3.2.2 混凝土应力分析

分析预制装配式混凝土电缆沟-工作井连接节点有限元模型的混凝土应力发展过程：在加载初期，预制电缆沟上出现了明显的混凝土应力分布；随着荷载的增加，预制电缆沟向下张开变形，导致混凝土应力快速发展，主要分布于试件的螺栓连接核心混凝土区；随着荷载的进一步增大，电缆沟最顶部混凝土达到极限受拉应力，试件逐渐失效，最终电缆沟最顶部混凝土被拉碎，试件发生破坏。

3.2.3 钢筋应力分析

分析预制装配式混凝土电缆沟-工作井连接节点有限元模型的钢筋应力发展的模拟过程：在加载前期，由于施加螺栓预紧力使螺杆受拉，进而带动垫片挤压预制工作井侧板洞口处的混凝土及纵筋；加载初期，预制电缆沟存在向下张开变形的趋势，试件依托螺栓加以抵抗，螺杆受拉应力逐渐增大，并通过混凝土将荷载传递给钢筋；随着荷载的增大，试件受拉区钢筋逐渐达到受拉极限应力，其中靠近上部螺栓孔位置的钢筋拉应力最大，同时，构造加强筋明显受力，而非螺栓连接区钢筋几乎不受力，这说明在螺栓连接区布置一定加强筋可以有效提高试件承载能力，而非螺栓连接区在实际应用中可适当减少钢筋布置，节约成本。