趙遠清 祝年虎 林雪斌

中國市政工程西南設計研究總院有限公司 成都610299

引言

現(xiàn)澆鋼筋混凝土綜合管廊由于自身結構的特點，每隔一定間距需要設置溫度伸縮縫（按《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》（GB 50838—2015）［1］規(guī)定不大于30m），遇有地基突變等不利工程條件時也會設置變形縫，但是廊內管線一般是連續(xù)布設的。在不均勻沉降和地震作用下，變形縫會發(fā)生變位，這些變位使廊內連續(xù)布設的管線沿縱向產生附加內力［2］，影響管道的正常受力狀態(tài)。為了限制變位的發(fā)生，工程中可以在變形縫處采用多種構造處理，如設置抗剪錨桿或抗剪鋼板，可有效地控制縫處的錯動位移，極大地減小廊內管線縱向附加內力。

李榮華［3］等利用有限元軟件ABAQUS分析了承插式管廊接頭的位移和應力，得到了廊體和接頭處節(jié)點發(fā)生位移的變化規(guī)律。筆者等就變形縫處設置抗剪錨筋時的抗變位單向加載試驗［4］和往復加載試驗［5］研究，對綜合管廊變形縫處設置抗剪錨桿的破壞形態(tài)、破壞機制、極限承載力、變形能力與延性等進行了系統(tǒng)的研究。林雪斌［6］等采用有限元軟件Midas分析了變形縫處設置的抗剪錨筋在不同情況下的受力狀況。

本文針對在縫間設置外貼式抗剪鋼板的構造型式，采用ABAQUS軟件進行模擬單向加載和往復加載計算，得到了模擬模型的破壞形態(tài)、力-位移曲線，并與變形縫處設置抗剪錨桿時的單向加載試驗和往復加載試驗研究進行對照分析，為城市綜合管廊建設技術提供基礎研究資料和設計參考。

1 模型設計

1.1 節(jié)點構造

實際工程應用中，抗剪鋼板是沿變形縫按一定間距成組布置的，為了簡化計算，本文把連接件合并設置為一個很大的抗剪鋼板，外貼在管廊墻壁上，具體構造如下：

（1）連接構造由鋼板和高強螺栓組成，高強螺栓預埋在相鄰節(jié)段內表面；

（2）鋼板采用H形鋼板，其腹板（變形段）設計為整個連接構造體系的薄弱環(huán)節(jié)，用于滿足變形需求和承擔剪力抗力；其兩側翼緣上鉆孔，與預埋螺栓連接；一側螺栓孔采用長條形螺栓孔，滿足變形縫縱向伸縮的需求；

（3）翼緣鋼板及其與螺栓的連接采用強設計，確保中間腹板鋼板發(fā)生剪切屈服后，仍保持彈性受力狀態(tài)；整體連接的最大抗剪承載力低于混凝土節(jié)段的抗剪承載力，以保證混凝土不發(fā)生損傷，讓損傷集中發(fā)生在鋼板上。

連接節(jié)點構造如圖1 所示。

圖1 連接構造示意Fig.1 The diagram of connection structure

1.2 構件設計

為了簡化分析流程，本設計中忽略了允許縱向自由變形伸縮的長條形螺栓孔。因為加載方向均為豎直方向，垂直于水平長條形螺栓孔引起的變形可以忽略，因此這一簡化對于相應的分析結果影響不大。

本文模型管廊結構與文獻［4］和文獻［5］中的模型結構幾乎完全相同，由三部分組成，分別為2段經截短的管廊節(jié)段以及兩者之間設置的變形縫，唯一區(qū)別是將試驗模型中縫間的抗剪錨筋更換為外貼式抗剪鋼板。模型縱向總長度取720mm，其中一節(jié)段縱向長度為360mm，將作為分析中與底座連接的一端，后文統(tǒng)一命名為“節(jié)段1”，另一節(jié)段縱向長度為350mm，將作為分析中用于加載的一端，后文統(tǒng)一命名為“節(jié)段2”，中間設縫寬10mm，橫截面高1150mm，寬850mm，頂板和底板板厚150mm，側壁壁厚100mm。

模型的總截面積425000mm2，為保證與底座相連的節(jié)段1 足夠穩(wěn)固，鋼筋截面積取8381.77mm2，配筋率1.972%；而節(jié)段2鋼筋截面積為2613.8mm2，配筋率0.615%。配筋如圖2 所示。

圖2 模型設計方案Fig.2 The design of model

抗剪鋼板設計為H 形鋼板，尺寸如圖3 所示，選用Q345 鋼，厚度6mm。選用8.8 級M20的螺栓，標準孔徑為20mm。

圖3 抗剪鋼板設計（單位： mm）Fig.3 The design of shear steel plate（unit：mm）

構件設計的主要原則為：保證高強螺栓和與其連接的翼緣板不破壞，使跨縫腹板發(fā)生剪切破壞，并保證腹板的變形能力。

1.3 材料

模擬的各構件混凝土選用C35，結構鋼筋選用HRB400，抗剪鋼板選用Q345。

2 有限元模型建立與分析

2.1 混凝土材料本構模型

混凝土材料在往復加載作用下會出現(xiàn)裂縫開閉、剛度退化、損傷等特征，ABAQUS 中所提供的混凝土損傷塑性模型會將指標引入到本構關系中，故本文選用該模型進行混凝土的模擬，如圖4 所示。將混凝土受拉開裂及受壓破碎、剛度退化、階段裂縫開展及閉合等狀況考慮在內。

圖4 混凝土單軸應力-應變關系Fig.4 Stress-strain relationship of concrete

2.2 鋼材本構模型

鋼材應力應變本構關系二折線理想模型在屈服前為線彈性，強度在屈服后保持恒定。結構鋼材選用二折線理想彈塑性鋼材本構模型，鋼材本構模型如圖5 所示。

圖5 鋼材的本構模型Fig.5 Constitutive model of steel

2.3 單元類型選取

管廊結構屬于鋼筋混凝土結構，為便于離散化地對其進行分析，本文在進行有限元建模時將鋼筋與混凝土分離建模，可以更好地反映鋼筋與混凝土之間變形、裂縫及破壞形式，選定適宜的單元類型，并可分別查看其應力及應變狀態(tài)。其中，混凝土采用三維實體單元C3D8R；鋼筋選取桁架單元T3D2；鋼板采用三維實體C3D4。

2.4 邊界條件與載荷

結構主要受自身重力及豎直方向的均布荷載作用。通過位于試件節(jié)段2 上方的加載端板頂部施加豎向荷載，全過程中采用荷載-位移加載。試件節(jié)段1 與剛性體固接。如圖6 所示。

圖6 荷載邊界條件Fig.6 Load and boundary condition

3 計算結果及分析比較

3.1 單向加載力-位移曲線

單向加載情況下設置外貼抗剪鋼板的模擬值如圖7 所示。根據圖7 可見，抗剪鋼板的力-位移曲線表現(xiàn)出很高的初始剛度，顯示出對于沉降的較高抵抗能力，而一旦屈服后，呈現(xiàn)出很長的屈服段，符合鋼材的力-位移變形曲線。達到峰值時，鋼板變形段相對沉降超過了15mm，滿足了變形需求（模型為1∶4 縮尺）。

圖7 單調加載下模擬結果Fig.7 Simulation results under monotonic loading

與單向加載情況下設置抗剪錨桿的試驗典型力-位移曲線（圖8）［4］比較，采用抗剪錨筋時，變形縫剛度偏小，剪力達到峰值后，變形能力和承載力迅速下降，呈現(xiàn)出“脆性”損傷特征。

圖8 單調加載下試驗結果［4］Fig.8 Test results under monotonic loading［4］

3.2 往復加載力-位移曲線

往復加載情況下設置外貼抗剪鋼板的模擬值如圖9 所示。根據圖9 可以看出，抗剪鋼板由于采取了合理的基于強度的設計方法，確保了鋼板變形段、鋼板螺栓連接和混凝土節(jié)段三級強度分配，保證了鋼板變形段作為主要的變形集中部位，因此可以看出其滯回曲線與鋼材剪切滯回曲線高度吻合，混凝土損傷和鋼板螺栓連接損傷的影響非常小，實現(xiàn)了提出這一變形縫構造措施的初衷，也能夠根據需要進行更換。

圖9 往復加載下模擬結果Fig.9 Simulation results under cyclic loading

與往復加載情況下設置抗剪錨桿的試驗典型滯回曲線（圖10）［5］比較，抗剪錨筋構造的滯回曲線受到剪力桿和混凝土損傷的雙重影響，呈現(xiàn)出一定的不規(guī)則性，這是由于抗剪錨筋構造力學機理更為復雜，因此混凝土損傷也較為嚴重，導致變形縫抗變形性能難以預測。

圖10 往復加載下試驗結果［5］Fig.10 Test results under cyclic loading［5］

3.3 混凝土單元損傷情況

圖11、圖12為抗剪鋼板模型的混凝土單元損傷狀況。從圖中可以看出，管廊節(jié)段混凝土的變形主要集中在與鋼板螺栓連接的側壁上，且未出現(xiàn)明顯損傷，幾乎處于彈性范圍，不需要修復或僅需局部小補，工作狀態(tài)良好，達到了預想的目標。

圖11 抗剪鋼板模型節(jié)段1 混凝土損傷示意Fig.11 Stress nephogram of concrete in Section 1 of shear steel plate model

圖12 抗剪鋼板模型節(jié)段2 混凝土損傷示意Fig.12 Stress nephogram of concrete in Section 2 of shear steel plate model

3.4 鋼板變形段、節(jié)段結構鋼筋損傷情況

圖13 為抗剪鋼板、節(jié)段結構鋼筋損傷情況，可見混凝土節(jié)段內鋼筋受力很小，并無明顯的破壞現(xiàn)象，而抗剪鋼板變形段發(fā)生明顯的剪切破壞現(xiàn)象，實現(xiàn)了將損傷集中在變形段的設計目標。

圖13 抗剪鋼板、 結構鋼筋損傷示意Fig.13 Stress nephogram of shear steel plate and structural reinforcement

4 結論

通過對管廊節(jié)段間設置抗剪鋼板的構造建立非線性有限元分析模型，進行單向加載和往復加載計算，并對模擬計算結果進行分析，可得出如下結論：

1.綜合管廊變形縫處設置的抗剪鋼板在鋼板平面內具有良好的抗變位能力和抗震性能。

2. 采用ABAQUS 軟件模擬的抗剪鋼板螺栓連接型式在單向加載下的力-位移曲線和在往復加載下的滯回曲線均符合鋼材的力-位移曲線特征。

3.變位發(fā)生后，鋼板螺栓連接及混凝土節(jié)段損傷較小，損傷集中于鋼板變形段上，從而能夠實現(xiàn)外貼抗剪鋼板螺栓連接的可更換性。

4.模擬得出了抗剪鋼板螺栓連接的力-位移曲線、破壞模式及損傷機制，與之前試件試驗獲得的抗剪錨桿變形縫構造試驗結果進行對比，兩者有一定差異，但所達到的抗變位效果基本一致，設置抗剪鋼板的構造型式延性更好。