劉少龍，趙一波，趙劍峰，郭 楠，陸 發(fā)

(1.中鐵二十一局集團第四工程有限公司， 陜西 西安 710000；2.蘭州理工大學 土木工程學院, 甘肅 蘭州 730050)

西北地區(qū)地形崎嶇、山高坡陡、溝壑縱橫，水文地質條件復雜，常常發(fā)生各種地質災害問題。其中滑坡地質災害較多，往往造成基礎設施破壞和威脅人民群眾生命財產安全[1-2]。常用邊坡支護結構種類繁多，如框架預應力錨索支護結構、抗滑樁、重力式擋土墻、懸臂式擋土墻、扶壁式擋土墻、加筋土擋墻等[3-4]?？蚣茴A應力錨索支護結構作為常見的邊坡和滑坡支護結構，具有承載能力好、穩(wěn)定性好、造價低等優(yōu)點[5-6]，研究結果也較成熟，特別是何思明等[7]根據地梁、地基之間荷載、變形協(xié)調關系建立聯(lián)立方程，計算地梁梁下土反力分布、地梁變形特性等；梁瑤等[8]采用Winkler 彈性地基梁模型，把結構簡化為橫、縱靜定梁，滑坡推力確定土壓力，研究滑坡作用下支護結構內力和變形；王春光等[9]探究了支護工程中的縱、橫梁的位移分布特點，并總結了預應力錨索框架梁內力計算簡化方法。然而，該結構存在框架梁需要支模現澆施工工期長、施工機械化程度低等不足，很難完成快速治理與搶險救災的任務。

近年來，傳統(tǒng)現澆建筑業(yè)的生產方式已經不能滿足我國新時代環(huán)保政策、節(jié)約資源等需求，故綠色施工和建筑裝配化已成為我國建筑業(yè)的發(fā)展方向。鑒于裝配式建筑具有工期短、綠色施工、易安裝、反復利用等優(yōu)點[10-11]，同時，國家在2016年提出大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見。部分學者對裝配式框架進行了研究，蘇俊霞等[12]、鄭靜等[13]分別提出兩根單向、雙向變截面梁經高強黏合劑拼裝成十字型的拼裝式錨桿(索)框架結構，但是該類框架結構節(jié)點和拼裝連接處易破壞、易產生不均勻變形、配筋相對復雜；楊校輝等[14-15]改進提出了新型不同節(jié)點連接的裝配式框架預應力錨索支護結構及其施工方法，該結構具有耐久性好、不易變形等優(yōu)點，但是其中鋼節(jié)點裝配式框架預應力錨索支護結構承載特性還未進行研究。因此，鋼節(jié)點裝配式框架預應力錨索支護結構仍然需要進一步的研究。

綜上所述，面對危害大、地質條件差、支護工期緊的滑坡和邊坡，本文提出一種基于鋼節(jié)點連接的裝配式框架預應力錨索支護結構，通過MIDAS GTS數值模擬軟件和現場監(jiān)測研究裝配式框架預應力錨索支護結構的力學特征，從而揭示裝配式框架預應力錨索支護結構的承載特性，同時為該結構的應用提供依據。

1 裝配式框架預應力錨索支護結構

1.1 裝配式框架支護結構組成

裝配式框架預應力錨索支護結構包括：預制梁、預制鋼節(jié)點、錨索、預制樁基等，如圖1(a)。預制梁為鋼筋混凝土構件，兩端設有預留主筋；預制鋼節(jié)點由上部鋼板、下部鋼板和側向鋼板焊接構成，按構造形式不同可分為“十字型”鋼節(jié)點、“T型”鋼節(jié)點和“L型”鋼節(jié)點，圖1(b)—圖1(d)為不同鋼節(jié)點結構詳圖。所述預制鋼的中心設有錨索孔，上部鋼板和下部鋼板的端部設有鋼筋孔，側向鋼板上設有補強螺栓。其中預制鋼節(jié)點和預制梁通過預留主筋和對應的鋼筋孔進行相連，連接可采用焊接或螺栓連接，圖1(e)為預制梁和鋼節(jié)點連接詳圖。

1-預制樁基 2-預留錨索孔 3-預制梁 4-預留主筋 5-上部鋼板 6-下部鋼板 7-側向鋼板 8-補強螺栓 9-鋼筋孔

1.2 裝配式框架預應力錨索支護結構施工關鍵技術

裝配式框架預應力錨索支護結構施工步驟為預制構件(施工準備、入模、振搗、養(yǎng)護)、邊坡修整、成孔、構件安裝、錨索施工、構件的連接等，施工流程如圖2所示。由圖2可知，該支護結構可以在邊坡修整、錨索成孔施工時同時進行鋼節(jié)點和預制梁的施工，簡化了施工步驟，縮短施工工期，而且預制過程中機械化程度高、勞動力成本低，極大程度的降低了施工難度，使工程趨于高效、高質及環(huán)保，特別適合一些危害大、地質條件差、施工條件惡劣、施工工期緊的邊坡或滑坡治理工程。

圖2 裝配式框架預應力錨索支護結構施工流程

裝配式框架預應力錨索支護結構錨索施工時應根據工程設計的要求準確定位錨索的位置，并在坡面上進行標記。按照錨索孔位進行預制構件的安裝拼接，在安裝第一排預制構件時，東西兩端各安置一個“L型”鋼節(jié)點，中間部分全部安置“十字型”鋼節(jié)點和預制梁；在安裝第二排至最后一排預制梁時，東西兩端均安置“T型”鋼節(jié)點，中間部分安置“十字型”制構件和預制梁；待構件拼接完成后，將鋼節(jié)點用高強度螺栓或電焊連接，并使用同等級的混凝土進行封閉。預制構件臨時固定措施應符合設計、專項施工方案要符合國家現行標準規(guī)定。預制構件采用后澆混凝土連接時，構件連接處后澆混凝土的強度應符合《混凝土強度檢驗標準》[16](GB/T 50107—2010)的規(guī)定；預制構件采用型鋼焊接時，型鋼焊縫接頭質量除滿足設計要求外，還需滿足《鋼結構焊接規(guī)范》[17](GB 50661—2011)和《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范》[18](GB 50205—2001)的規(guī)定。

2 承載特性研究

為了研究鋼節(jié)點連接的裝配式框架預應力錨索支護結構承載特性，采用MIDAS GTS軟件對該裝配式框架不同鋼節(jié)點和預制梁的應力、應變變化規(guī)律進行研究。

2.1 MIDAS GTS模擬軟件

MIDAS GTS是專門針對巖土基坑、邊坡、隧道等變形和應力分析而開發(fā)的“巖土結構有限元分析軟件”，操作界面簡單、易于操作、功能性廣，能夠提供完全的二維、三維動態(tài)模擬功能。該軟件建立的數值模型是真實系統(tǒng)理想化的數學抽象模型，主要由節(jié)點和單元組成。

2.2 數值模型和邊界條件

隨著“放射線為主、縱橫線為輔”的甘肅省高速網建設，S25靜寧至天水高速公路產生了大量的高邊坡工程，其中ZK123+400—ZK123+650有最大填高近25 m高填方路堤；YK123+570—YK123+872有牽引式中層滑坡(坡體長約220 m，寬約310 m)等，這些區(qū)段工程地質條件較差，邊坡變形問題突出，機械施工較難。因此，數值模型選取該工程某均質邊坡坡體邊坡高為8 m，坡率為1.0∶0.6，采用裝配式框架預應力錨索支護結構。預制梁斷面尺寸為0.30 m×0.35 m，橫向和豎向預制梁的長度分別為1.90 m、1.57 m。錨索水平和豎向間距均為2.80 m，錨索傾角均為15°。數值模擬相關參數見表1，其中黃土參數由地勘報告確定。

表1 數值模擬所用材料相關參數

裝配式框架模型為自動約束的邊界條件，并采用線性靜力分析研究裝配式框架模型，其模型如圖3所示。由于作用荷載、框架結構對稱，故通過裝配式框架預應力錨索支護結構左側A、B、C、D、E、F、G鋼節(jié)點研究其承載特性，同時研究每個預制鋼節(jié)點連接處和中心部位的應力、應變變化規(guī)律，圖4為裝配式框架模型承載特性研究節(jié)點位置。

A-十字型預制鋼節(jié)點1 B-十字型預制鋼節(jié)點2 C-十字型預制鋼節(jié)點3 D-T字型預制鋼節(jié)點1 E-T字型預制鋼節(jié)點2 F- T字型預制鋼節(jié)點3 G-L字型預制鋼節(jié)點

2.3 模擬結果分析

2.3.1 十字型預制節(jié)點

圖5(a)和圖5(b)分別是裝配式框架十字型預制鋼節(jié)點應力變化規(guī)律圖、裝配式框架十字型預制鋼節(jié)點應變變化規(guī)律圖。由圖5(a)可知，每個十字型預制鋼節(jié)點中心1和豎向連接點4、5應力大，橫向連接點應力小(僅為2.0 MPa)，裝配式框架十字型預制鋼節(jié)點主要豎向受力；隨著十字型預制鋼節(jié)點的高度增加其節(jié)點整體應力減小。由圖5(b)發(fā)現，單個十字型預制鋼節(jié)點中點4應變最大，其余各點應變近似相同；裝配式框架的十字型預制鋼節(jié)點應變與高度的變化呈正相關增大。裝配式結構預制構件連接處最為薄弱，因此根據十字型鋼節(jié)點的受力特點應注意其加強豎向連接的強度。

圖5 裝配式框架十字型預制鋼節(jié)點內力變化規(guī)律

2.3.2 T型預制節(jié)點

圖6(a)和圖6(b)分別是裝配式框架T型預制鋼節(jié)點應力變化規(guī)律圖、裝配式框架T型預制鋼節(jié)點應變變化規(guī)律圖。由圖6(a)可知，每個T型預制鋼節(jié)點中心1和豎向連接點3、4應力大，橫向連接點應力小(僅為2.0 MPa)，裝配式框架T型預制鋼節(jié)點主要豎向受力；T型預制鋼節(jié)點隨著高度增加整體應力減小。由圖6(b)發(fā)現，單個T型預制鋼節(jié)點3點應變最大，其余各點應變近似相同；T型預制鋼節(jié)點隨著高度增加整體應變增大。裝配式框架主要由中間框架部分受力，但是T型鋼節(jié)點主要分布于裝配式框架兩側，因此T型鋼節(jié)點相比于十字型鋼節(jié)點受力較小。

圖6 裝配式框架T型預制鋼節(jié)點內力變化規(guī)律

2.3.3 L型預制節(jié)點

表2為裝配式框架L型預制鋼節(jié)點應力和應變。L型預制鋼節(jié)點一般位于整個框架預應力錨索支護結構的頂部兩端位置。由表2可知，裝配式框架L型預制鋼節(jié)點所受應力較小、應變較大；L型預制鋼節(jié)點應變?yōu)檎麄€框架預應力錨索支護結構應變最大。由于L型預制鋼節(jié)點僅分布于裝配式框架頂部兩側，同時，該節(jié)點相比于十字型和T型鋼節(jié)點所受應力較小，因此其相比于十字型、T型預制構件節(jié)點連接處強度可以較低。

表2 裝配式框架L型預制鋼節(jié)點應力和應變

2.3.4 預制梁

圖7(a)和圖7(b)分別是裝配式框架預制梁應力變化規(guī)律圖、裝配式框架預制梁應變變化規(guī)律圖。由圖7(a)和圖7(b)可知，從裝配式整體看，豎向的預制梁應力、應變隨著高度增加而減小，橫向的預制梁應力、應變隨著框架中心到框架邊緣預制梁應力越來越小，同時橫向預制梁應力、應變都很??；從單個預制梁看，豎向預制梁應力與高度呈負相關變化、應變與高度呈正相關變化。根據裝配式框架豎向預制梁比橫向預制梁的受力大，因此豎向預制梁和橫向預制梁可按不同配筋進行設計，節(jié)省造價。

圖7 裝配式框架預制梁的應力、應變變化規(guī)律

3 現場監(jiān)測研究

3.1 監(jiān)測工程概況及布置方案

S25靜寧至天水高速公路莊浪至天水6標段(YK118+800—K133+792.522)有多個高邊坡工程，由于工期要求，2K129+215到2K129+268段采用裝配式框架預應力錨索支護結構，該段邊坡坡高、坡度分別為16 m、53°。根據裝配式框架結構節(jié)點承載特性，分別取裝配式框架支護結構1、2、3、4節(jié)點進行監(jiān)測，監(jiān)測點位布置位置如圖8所示，現場監(jiān)測傳感器安裝如圖9所示。

圖8 裝配式框架梁現場監(jiān)測點位布置圖

圖9 裝配式框架梁現場監(jiān)測點位布置圖

3.2 裝配式節(jié)點監(jiān)測數據分析

圖10是裝配式節(jié)點應力變化對比圖。圖11是裝配式節(jié)點應變變化對比圖。

圖10 裝配式節(jié)點應力變化對比圖

圖11 裝配式節(jié)點應變變化對比圖

通過圖10預制節(jié)點應力變化對比圖發(fā)現，該裝配式框架監(jiān)測點1、2、4處應力較小，監(jiān)測點3應力較大，裝配式框架整體隨高度不斷增加應力越來越大，但是第一排錨索處應力發(fā)生突變。因此該監(jiān)測結果驗證模擬所得裝配式框架隨高度呈正相關變化的規(guī)律。分析3點應力突變原因為該監(jiān)測點3接近自坡頂到坡底第一排錨索，第一排錨索為防止邊坡滑動，其拉力往往較大。根據圖11發(fā)現監(jiān)測點4應變最小，監(jiān)測點1、2、3應變近似一樣，該監(jiān)測結果證明模擬所得規(guī)律：豎向整個結構越接近坡頂節(jié)點應變低，靠近坡底節(jié)點應變大。

4 結 論

(1) 本文提出的裝配式框架預應力錨索支護結構由等截面預制梁、鋼節(jié)點組成，該結構具有施工方便、工期短、耐久性好、成本低等優(yōu)點，有效提高了工程質量，使工程趨于高效、高質及環(huán)保，適用于邊坡和滑坡工程。

(2) 根據數值模擬發(fā)現裝配式框架十字型和T型預制鋼節(jié)點錨索孔和豎向的連接點受力較大，豎向預制梁比橫向預制梁受力大，同時裝配式框架連接處變形較大。

(3) 通過現場監(jiān)測發(fā)現該裝配式框架預應力錨索支護結構主要豎向受力，其應力隨高度增加越來越大，對于邊(滑)坡具有顯著加固作用，但是面對滑坡臨應急救災和高陡邊坡時，裝配式框架比現澆框架施工具有工期短、造價低等優(yōu)點。