尚武孝

(中鐵一局集團(tuán)廈門(mén)建設(shè)工程有限公司，福建廈門(mén) 361000)

為提高城市綜合承載能力，美化城市空間，國(guó)內(nèi)許多城市陸續(xù)規(guī)劃修建地下綜合管廊[1-2]。管廊施工多采用明挖預(yù)制拼裝，該技術(shù)以高效、節(jié)能環(huán)保、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，成為綜合管廊施工的主要發(fā)展方向[3-4]。整艙預(yù)制拼裝綜合管廊是一種常用的預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)體系，其特點(diǎn)是在橫截面方向上整體預(yù)制，在縱向上根據(jù)需要?jiǎng)澐殖梢欢ㄩL(zhǎng)度的節(jié)段(每段一次預(yù)制成型)，在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)預(yù)應(yīng)力筋、螺栓或承插口的形式縱向連接[5-6]。受運(yùn)輸條件和施工工藝的限制，預(yù)制拼裝綜合管廊會(huì)產(chǎn)生大量的拼縫和接頭，造成預(yù)制拼裝式綜合管廊結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性復(fù)雜。另外，接頭的強(qiáng)度、剛度等較管節(jié)體小很多，使其成為管廊結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)[7-9]。

管廊接頭是預(yù)制拼裝綜合管廊工程設(shè)計(jì)、施工中的關(guān)鍵，是影響預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)受力的最主要因素[10]。因此，構(gòu)建更符合工程實(shí)際的管廊接頭計(jì)算模型，對(duì)研究預(yù)制拼裝式綜合管廊的承載力及變形特性具有十分重要的意義。國(guó)內(nèi)已有部分學(xué)者針對(duì)綜合管廊接頭的力學(xué)性能和計(jì)算理論進(jìn)行了相關(guān)研究。如王鵬宇等[11]研究了承插式管廊接頭的力學(xué)性能，指出相同荷載下接頭處的應(yīng)力集中區(qū)域較廊體更易發(fā)生破壞，提出了管廊橫向接頭的抗彎承載力以及剛度的理論計(jì)算模型[12]；陳小贊等[13]針對(duì)由兩節(jié)管廊單元組成的管廊模型，借助有限元軟件分析不同工況，對(duì)預(yù)制管廊接頭抗剪和抗彎特性展開(kāi)探索；余澤[14]采用離散基爾霍夫技術(shù)構(gòu)建新型三角形板單元，研究預(yù)制拼裝式綜合管廊接頭計(jì)算模型；刁鈺等[15]通過(guò)建立有限差分模型，對(duì)比分析單艙、雙艙管廊在不同接頭構(gòu)造下管廊接頭滲漏的臨界轉(zhuǎn)角規(guī)律。總體來(lái)說(shuō)，管廊接頭力學(xué)性能及計(jì)算方法研究還屬于起步階段，理論尚不成熟。因此，構(gòu)建合理準(zhǔn)確的管廊接頭受力性能實(shí)用分析模型，對(duì)研究預(yù)制管廊接頭受力性能及影響因素具有重要的理論意義及工程實(shí)用價(jià)值。

基于此，以福建省平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)地下綜合管廊干線工程為背景，建立典型的預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)接頭抗剪性能三維數(shù)值計(jì)算模型，研究管節(jié)接頭橫斷面剪力鍵和縱向預(yù)應(yīng)力等關(guān)鍵因素對(duì)管廊接頭抗剪性能的影響，并在此基礎(chǔ)上提出管廊接頭剪力鍵等效模擬方法，為大尺度整體管廊結(jié)構(gòu)受力變形性能的高效模擬分析提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)地下綜合管廊干線工程(一期)第1標(biāo)段全長(zhǎng)約2349m，根據(jù)各個(gè)路段入廊管線的種類(lèi)及容量的差異，共設(shè)置3種綜合管廊斷面。綜合管廊概況如表 1所示，其主體結(jié)構(gòu)采用C45鋼筋混凝土。

表 1 管廊斷面概況

根據(jù)長(zhǎng)度不同，預(yù)制管廊每孔跨劃分了10～24個(gè)預(yù)制節(jié)段(標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)為1.5 m)。一個(gè)典型的預(yù)制綜合管廊節(jié)段由端部節(jié)段A、中間節(jié)段B和中間節(jié)段C三類(lèi)斷面的預(yù)制管節(jié)連接而成，如圖1所示。各預(yù)制節(jié)段端部橫斷面上設(shè)置剪力鍵(見(jiàn)圖2)，相鄰面凹凸設(shè)置(如圖3所示)，節(jié)段縱向通過(guò)預(yù)應(yīng)力筋連接(見(jiàn)圖4、圖5)。

圖1 預(yù)制綜合管廊斷面節(jié)段分類(lèi)示意(單位：cm)

圖2 預(yù)制節(jié)段橫斷面剪力鍵布置(單位：cm)

圖3 預(yù)制節(jié)段剪力鍵實(shí)物

圖4 C型預(yù)制綜合管廊預(yù)應(yīng)力布置示意(單位：cm)

圖5 預(yù)制綜合管廊預(yù)應(yīng)力斷面(單位：cm)

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型設(shè)計(jì)

根據(jù)C型、D型綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段的設(shè)計(jì)尺寸及連接方式，采用大型通用巖土有限元程序PLAXIS 3D，分別構(gòu)建預(yù)制C型、D型管廊接頭全尺寸三維有限元模型。其中，C型預(yù)制管廊結(jié)構(gòu)橫斷面外皮寬7.8 m，高4.6 m，每個(gè)預(yù)制節(jié)段長(zhǎng)1.5 m，其他細(xì)節(jié)及剪力鍵設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。

預(yù)制管廊節(jié)段主體結(jié)構(gòu)采用10節(jié)點(diǎn)高階四面體單元。以C型管廊模型為例，共劃分26 596個(gè)單元，59 435個(gè)節(jié)點(diǎn)。管廊結(jié)構(gòu)混凝土材料采用莫爾-庫(kù)侖模型模擬，彈性模量取30 GPa，泊松比取0.15，黏聚力取500 kPa，內(nèi)摩擦角取45°。

剪力鍵模擬：①按照剪力鍵的實(shí)際尺寸進(jìn)行三維實(shí)體建模(見(jiàn)圖7(a))；②根據(jù)管廊整個(gè)接頭的剪切力學(xué)行為，采用等效界面進(jìn)行模擬(見(jiàn)圖7(b))。

圖6 C型管廊接頭全尺寸三維數(shù)值模型(單位：m)

在進(jìn)行接頭抗剪性能模擬時(shí)，將模型中一段預(yù)制管節(jié)(管節(jié)A)的所有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)全部固定，在另一段預(yù)制管節(jié)(管節(jié)B)的外端面施加均布?jí)毫?，以模擬其受到的預(yù)應(yīng)力作用，并對(duì)此段管節(jié)(管節(jié)B)所有節(jié)點(diǎn)施加豎直向下的位移，來(lái)模擬兩段管節(jié)之間發(fā)生的剪切相對(duì)位移(如圖8所示)。

圖7 剪力鍵模擬

圖8 施加剪切位移示意

2.2 模擬分析工況

研究預(yù)制綜合管廊接頭抗剪性能的重點(diǎn)在于分析接頭剪力鍵和縱向預(yù)應(yīng)力對(duì)接頭抗剪性能的影響。模擬的5種工況如表 2。

(1)設(shè)置剪力鍵與否對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度和抗剪剛度的影響(工況1和工況2)。

(2)縱向預(yù)應(yīng)力大小對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度和抗剪剛度的影響(工況2、工況3、工況4)。

(3)提出接頭剪力鍵抗剪性能等效模擬方法，采用等效界面模擬剪力鍵的抗剪效果(工況5)。

觀察組循證護(hù)理健康教育實(shí)施后，生活質(zhì)量的4個(gè)維度及總分低于對(duì)照組，兩組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見(jiàn)表2。

表2 模擬工況

3 結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，雙艙C型管廊接頭與三艙D型管廊接頭的抗剪力學(xué)響應(yīng)規(guī)律基本一致。因此，后續(xù)分析以C型管廊為主，如無(wú)特別說(shuō)明，D型管廊主要用作對(duì)比及驗(yàn)證計(jì)算。

3.1 剪切位移對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度的影響

對(duì)接頭兩側(cè)預(yù)制管廊節(jié)段施加0.1 mm的相對(duì)剪切位移，得到不同工況下接頭總剪力隨剪切位移的變化曲線，如圖9所示。

圖9 接頭總剪力隨剪切位移的變化規(guī)律

從圖9可以看出，不論接頭是否設(shè)置剪力鍵，當(dāng)縱向預(yù)應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，各個(gè)不同模擬工況下的接頭總剪力隨剪切位移的變化規(guī)律基本一致，大致可分為三個(gè)階段：①施加剪切位移初期，即接頭兩側(cè)預(yù)制管廊階段的剪切位移相對(duì)較小時(shí)，接頭總剪力隨剪切位移較快速地近似線性增長(zhǎng)；②隨剪切位移的增大，接頭總剪力增加速率逐漸減緩，直至接頭總剪力達(dá)到最大；③當(dāng)剪切位移超過(guò)一定量時(shí)，接頭總剪力不再隨剪切位移的增加而增大，達(dá)到極限值。

3.2 剪力鍵對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度的影響

剪力鍵設(shè)置與否對(duì)接頭抗剪性能的影響曲線如圖10所示。

圖10 剪力鍵設(shè)置與否引起的接頭抗剪性能的差異

由圖10可知，工況1為接頭不設(shè)置剪力鍵的情形，與設(shè)置剪力鍵的工況2以及通過(guò)等效界面方法模擬剪力鍵的工況5相比，不設(shè)置剪力鍵時(shí)接頭能承受的極限總剪力顯著減小，大約降低了(3 049-2 710)/3 049=11.1%。這說(shuō)明設(shè)置剪力鍵可以明顯地改善接頭的抗剪性能，所建立的數(shù)值模型亦很好地反映了這一點(diǎn)。

3.3 預(yù)應(yīng)力對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度的影響

管廊預(yù)制節(jié)段縱向通過(guò)預(yù)應(yīng)力筋連接，施加預(yù)應(yīng)力后，管廊節(jié)段接頭處受到縱向預(yù)應(yīng)力傳來(lái)的法向應(yīng)力，這必將影響管廊接頭的抗剪性能。接頭極限總剪力隨著縱向預(yù)應(yīng)力的變化情況如圖11所示。

圖11 接頭總剪力隨預(yù)應(yīng)力的變化規(guī)律

由圖11可知，接頭總剪力與預(yù)應(yīng)力基本呈線性關(guān)系，若減小預(yù)應(yīng)力，管廊接頭的抗剪能力將顯著降低。例如，當(dāng)預(yù)應(yīng)力從240 kN減小到200 kN時(shí)，接頭總剪力將從3 049 kN降至2 696 kN，降幅(3 049-2 696)/3 049=11.6%，這甚至與前面分析的240 kN預(yù)應(yīng)力下不設(shè)置剪力鍵時(shí)的接頭抗剪力(2 710 kN)相當(dāng)。然而，并不能單純依靠增加預(yù)應(yīng)力來(lái)提高接頭抗剪能力，因?yàn)楫?dāng)預(yù)應(yīng)力過(guò)大時(shí)，接頭處受到的法向壓力也就越大，可能導(dǎo)致混凝土局部破碎，甚至導(dǎo)致接頭損壞。

3.4 不同工況下的接頭剪切剛度分析

根據(jù)前面的分析，當(dāng)剪切位移在0～0.01 mm范圍內(nèi)時(shí)，接頭總剪力與剪切位移大致呈線性關(guān)系(即該階段接頭處于彈性狀態(tài))。因此，取該段曲線的割線作為接頭剪切剛度，得到各工況下的接頭剪切剛度(如圖12所示)，接頭剪切剛度隨預(yù)應(yīng)力的變化規(guī)律見(jiàn)圖13。

圖12 不同工況下預(yù)制管廊接頭剪切剛度對(duì)比

圖13 接頭剪切剛度隨預(yù)應(yīng)力的變化規(guī)律

從圖12可以看出，不同工況下的接頭剪切剛度有所差異，且接頭剪切剛度對(duì)不同因素的敏感程度也有所不同。相同預(yù)應(yīng)力下(工況1、工況2，預(yù)應(yīng)力為240 kN)，設(shè)置剪力鍵后(工況2)較不設(shè)置剪力鍵(工況1)的接頭剪切剛度略高(工況2較工況1僅高出2.3%)；預(yù)應(yīng)力對(duì)接頭剪切剛度的影響比較顯著，當(dāng)預(yù)應(yīng)力從240 kN分別降至200 kN和160 kN時(shí)，接頭剪切剛度降幅分別達(dá)到9.6%和24.7%，接頭剪切剛度隨預(yù)應(yīng)力的變化同樣近似呈線性關(guān)系(見(jiàn)圖13)。這表明管廊縱向預(yù)應(yīng)力不僅對(duì)接頭剪切強(qiáng)度有顯著影響，而且對(duì)接頭剪切剛度也有重要影響。此外，工況5與工況2的接頭剪切剛度差異約為3.9%，說(shuō)明在合理的參數(shù)下，等效界面模型除了可以較好地描述接頭剪切強(qiáng)度，還可以比較合理地描述接頭剪切剛度，即通過(guò)等效界面模型模擬剪力鍵可行。

3.5 等效界面模擬方法

工況2、工況3和工況4均對(duì)管廊接頭剪力鍵進(jìn)行了三維實(shí)體建模，并在接頭處設(shè)置了接觸面。然而，從剪力鍵設(shè)計(jì)圖以及三維模型圖來(lái)看，剪力鍵的尺寸相對(duì)管廊橫斷面來(lái)說(shuō)非常小，劃分網(wǎng)格時(shí)會(huì)因尺寸限制導(dǎo)致此處的網(wǎng)格非常密集，進(jìn)而增加整個(gè)模型的網(wǎng)格數(shù)量，對(duì)于僅針對(duì)一個(gè)接頭進(jìn)行模擬尚可接受，若是進(jìn)行數(shù)十米甚至上百米長(zhǎng)管廊的模擬分析時(shí)，如仍采用三維實(shí)體建模的方法，不僅增加建模的難度和耗時(shí)，而且模型總網(wǎng)格數(shù)量必然非常大，導(dǎo)致計(jì)算成本高，效率低，實(shí)用性不佳。

結(jié)合圖10的分析，剪力鍵的作用主要是提升接頭的抗剪能力。因此，考慮采用等效界面單元來(lái)模擬剪力鍵的抗剪性能。即在設(shè)置剪力鍵處，不再按其三維尺寸建立實(shí)體模型，而是根據(jù)剪力鍵的截面積在相應(yīng)位置設(shè)置界面單元，通過(guò)調(diào)整界面單元的參數(shù)，使得等效界面模型與三維實(shí)體模型獲得相近的抗剪性能。其初始剪切參數(shù)可按照界面兩側(cè)混凝土所取摩擦角的正切值作為摩擦系數(shù)并按比例計(jì)算，初始剛度參數(shù)按經(jīng)驗(yàn)取3×107kPa。然后，以剪力鍵三維實(shí)體模型(工況2)結(jié)果為基準(zhǔn)，反復(fù)調(diào)整等效界面的參數(shù)，直至等效界面模型獲得的接頭極限總剪力及其隨剪切位移的變化規(guī)律與三維實(shí)體模型基本一致。

以本次研究的模型為例，最終確定的等效界面參數(shù)：摩擦角取49.5°，界面剛度取2×107kPa，等效界面模型與三維實(shí)體模型的接頭剪切力學(xué)行為對(duì)比見(jiàn)圖9中的工況2和工況5。不難看出，二者的變化趨勢(shì)和極限值都非常接近，表明此時(shí)的等效界面參數(shù)合理，也說(shuō)明了采用等效界面模型可以比較合理地模擬剪力鍵接頭的抗剪力學(xué)行為。

4 結(jié)論

依托于福建平潭預(yù)制綜合管廊工程雙艙C型、三艙D型結(jié)構(gòu)，采用PLAXIS3D巖土有限元程序建立預(yù)制管廊接頭精細(xì)化三維數(shù)值模型，深入分析管廊接頭的受力性能及影響因素，并提出合理實(shí)用的管廊接頭等效模擬方法，主要得出以下結(jié)論。

(1)接頭總剪力隨剪切位移的變化規(guī)律大致可分為三個(gè)階段(即較快速線性增長(zhǎng)-增長(zhǎng)速率逐漸減緩-達(dá)到極限值)；不設(shè)置剪力鍵時(shí)接頭的極限總剪力大約降低了11.1%，可見(jiàn)設(shè)置剪力鍵后，接頭抗剪能力有顯著提升；當(dāng)預(yù)應(yīng)力從240 kN減小到200 kN時(shí)，接頭總剪力降幅在11.6%左右，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力對(duì)接頭抗剪性能十分重要。

(2)相同預(yù)應(yīng)力下，設(shè)置剪力鍵較不設(shè)置剪力鍵的接頭剪切剛度高出2.3%；當(dāng)預(yù)應(yīng)力從240 kN分別降至200 kN和160 kN時(shí)，接頭剪切剛度降幅分別達(dá)到9.6%和24.7%。由此可見(jiàn)，接頭剪切剛度隨預(yù)應(yīng)力的變化近似呈線性關(guān)系，若外部因素導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力降低，將引起接頭抗剪強(qiáng)度降低。

(3)通過(guò)等效界面模型結(jié)合合理的界面參數(shù)，可以從剪切強(qiáng)度和剪切剛度兩個(gè)方面比較合理地等效模擬接頭的剪切力學(xué)行為。

(4)針對(duì)實(shí)際工程建立大尺度管廊-土體三維模型時(shí)，可以考慮采用等效界面方法來(lái)簡(jiǎn)化剪力鍵建模，能夠在基本保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上提高建模和計(jì)算效率。