综合管廊是指建设于城市地下用于集中敷设电力、通信、广播电视、给水、排水、热力、燃气等市政管线的公共隧道结构, 以其现代化、集约化、高效化的特点, 成为21世纪新型城市市政基础设施建设现代化、管理科学化的重要标志之一, 已经在我国许多城市中得到推广和应用^[1]。预制拼装综合管廊结构是指主要结构构件在工厂预制并运至现场后, 经可靠连接形成的综合管廊。与现浇综合管廊相比, 预制拼装综合管廊的现场湿作业少、施工周期短、预制构件质量好、大量节省现场人工、模板和支撑^[2], 具有广阔的应用前景。

预制拼装综合管廊常见的拼装形式包括整舱预制拼装、叠合板式拼装、预制板拼装和预制槽型拼装4类。目前, 国内外有关预制拼装综合管廊受力性能的研究还很少, 主要针对预制槽型拼装和叠合板式拼装综合管廊^{[2,3,4,5,6,7]}, 存在预制构件自重较大或现场湿作业多等问题。为满足预制构件轻型化的发展需求, 课题组首先提出了一种新型预制拼装综合管廊, 即预制混凝土板式拼装综合管廊^[8], 由预制底板、预制壁板和预制顶板等构件组成, 其中, 预制底板与预制壁板采用套筒灌浆连接, 预制顶板与预制壁板采用在节点核心区现浇混凝土连接 (见图1) 。

本文通过2个管廊节点足尺模型试件的低周反复荷载试验, 对预制混凝土板式拼装综合管廊下部边节点的抗震性能进行了较为系统的研究, 从而为此类预制拼装综合管廊提供设计依据。

设计了2个综合管廊下部边节点足尺模型试件, 1个为预制混凝土板式拼装综合管廊节点试件 (编号为PTC1) , 其中预制底板与预制壁板采用套筒灌浆连接;另一个为现浇对比试件 (编号为RTC1) 。2个试件的尺寸相同, 均为2.1m (高) ×1.8m (宽) ×0.3m (厚) ;2个试件均采用C40混凝土浇筑, 所采用的钢筋均为HRB400。试件施工如图2所示。需要说明的是, 为减少套筒灌浆连接数量, 提高施工效率, PTC1试件角部的外侧钢筋按照与相应的现浇对比试件强度等效原则设计为5φ22。

2个试件均采用在壁板顶部施加水平低周反复荷载的加载方案。支座则设计为底板一端为铰支座而另一端为滑动铰支座的方案, 以模拟综合管廊的实际设计工况。试验在同济大学10 000k N大型多功能结构试验机系统上完成, 如图3所示。

按照JGJ/T101—2015《建筑抗震试验规程》要求, 壁板顶部的水平荷载采用荷载-位移混合控制方案。首先正、负向按开裂荷载各循环1次, 然后以壁板顶点侧移的n H/200 (n=1, 2, 3, …, 壁板高度H=1 750mm) 进行分级位移控制加载, 每级加载循环3次, 直至荷载降至峰值荷载的85%, 或者试件发生严重破坏, 终止加载。试件的加载制度如图4所示。

本文试验的主要测试内容包括: (1) 壁板顶部加载点处的水平侧移和水平荷载; (2) 节点的相对转角; (3) 套筒连接钢筋应变及其他关键部位钢筋应变与混凝土应变; (4) 拼缝处与腋角变截面处的裂缝宽度。

预制拼装综合管廊节点试件和现浇综合管廊节点试件的受力过程相近, 都经历了开裂、屈服、达到峰值荷载和试件破坏4个阶段。

1) 开裂阶段 试件PTC1, RTC1的正向开裂荷载分别为30k N和40k N, 反向开裂荷载分别为40k N和30k N。裂缝水平开展, 为弯曲裂缝, 主要分布在壁板和底板靠近腋角变截面区域。

2) 屈服阶段 随着水平位移的增加, 壁板及底板靠近腋角处出现多条弯曲裂缝。在壁板顶部位移达到17.3~26.1mm时, 试件角部外侧部分竖向钢筋受拉屈曲, 同时壁板腋角变截面处混凝土受压起皮。

3) 峰值荷载阶段 此阶段, 裂缝基本不新增, 但宽度和长度不断扩展。当壁板顶部位移达到35.9~44.9mm时, 水平荷载达到峰值, 此时在壁板靠近腋角变截面处的混凝土受压剥落。

4) 破坏阶段 壁板靠近腋角变截面处混凝土剥落严重, 纵筋压屈鼓出。预制试件PTC1拼缝张开, 但钢筋与套筒间未见明显滑移。在整个加载过程中, 2个试件的节点核心区及腋角仅出现少量细小裂缝。

2个试件的破坏形态均为壁板端部靠近腋角处发生弯曲破坏。此时, 壁板与底板的裂缝基本呈对称分布, 纵筋屈服但连接钢筋与套筒之间未发生明显滑移, 节点核心区基本保持完整, 满足“强节点、弱构件”的设计要求, 试件最终因竖向受力钢筋在往复荷载下压屈, 混凝土压碎而丧失承载力。2个试件的破坏形态如图5所示。

2个试件的荷载-壁板顶部侧移滞回曲线如图6所示。

由上述曲线分析可知:

1) 预制拼装综合管廊节点试件与现浇综合管廊节点试件的滞回曲线在总体形态和发展规律方面相近。加载前期, 二者基本处于弹性工作阶段, 滞回环面积较小;随着加载侧移的增大, 滞回环的面积逐渐增大, 试件的耗能不断增加;加载后期, 滞回曲线呈现出一定程度的捏拢现象。

2) 同一级位移下, 后2个加载循环的最大荷载明显小于第1个循环, 这表明随着混凝土的损伤积累, 预制和现浇综合管廊节点试件均出现较为明显的强度退化现象。

3) 预制与现浇综合管廊节点试件的滞回环数量及形状基本相同, 滞回环均较为饱满, 这表明二者的耗能能力相近。

2个试件的荷载-壁板顶部侧移骨架曲线如图7所示。分析可知:

1) 预制与现浇综合管廊节点试件在反复荷载作用下均经历了开裂、屈服、达到峰值荷载和破坏4个阶段, 这与试件的受力过程观测结果一致。开裂前, 骨架曲线近似为一条直线, 荷载和壁板顶部侧移呈线性关系;开裂后, 试件刚度降低, 骨架曲线变得平缓;屈服后, 骨架曲线逐渐弯曲, 2个试件的刚度退化更明显。

2) 预制拼装综合管廊节点试件的承载力与现浇综合管廊节点试件接近。预制试件的正向承载力为156.3k N, 比现浇低2.9%;反向承载力为105.9k N, 比现浇高7.4%。

位移延性系数指的是结构或构件在侧向荷载作用下的极限位移Δu与屈服位移Δy的比值, 即μ=Δu/Δy。Δy根据骨架曲线按等能量法^[9]确定;Δu为试件承载力下降至峰值荷载的85%时对应测点的位移值, 如未下降至峰值荷载的85%, 则取试验结束时的位移为极限位移。2个试件的特征位移及其延性系数如表1所示。

通过表1中数据分析可知:

1) 2个试件均具有较好的位移延性, 延性系数均值均>3.50。

2) 现浇试件与预制试件的正向延性系数分别为3.80和3.20, 反向延性系数分别为3.63和3.80。总体来说, 预制试件与现浇试件的位移延性相近, 预制试件的平均延性系数比现浇低约5.9%。

基于GB50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》和GB/T51231—2016《装配式混凝土建筑技术标准》, 通过综合管廊节点的正截面抗弯承载力、斜截面抗剪承载力和接缝抗剪承载力的设计值与试验值对比, 对2个试件的安全性进行了评价。

2个试件的壁板靠近腋角截面处的抗弯承载力设计值与试验值对比如表2所示。2个试件的抗弯承载力安全系数在1.99~2.5, 具有较大安全余量, 满足设计要求。

基于现行规范计算得到的2个试件的斜截面抗剪承载力均>309.0k N。发生弯曲破坏时, 2个试件的最大剪力为160.9k N, 小于规范计算值。这表明试件发生弯曲破坏时其剪力尚处于较低水平, 具有较高的抗剪安全余量。

基于现行规范计算得到的预制试件PTC1的接缝抗剪承载力设计值为715.3k N, 而破坏时预制试件接缝处的最大剪力为156.3k N, 小于规范计算值。这表明破坏时套筒灌浆连接预制拼装综合管廊节点接缝处的剪力较小, 具有较高的抗剪安全余量。

1) 预制与现浇综合管廊节点试件均发生壁板靠近腋角处的正截面弯曲破坏。破坏时, 二者的节点核心区基本保持完整, 满足“强节点、弱构件”的设计要求。

2) 预制拼装综合管廊节点试件的承载力和位移延性均与现浇综合管廊节点试件相近。其中, 预制试件的正向承载力比现浇试件低约2.9%、反向高约7.4%, 预制试件的平均延性系数比现浇试件低约5.9%。

3) 预制与现浇综合管廊节点均具有较高的正面抗弯和斜截面抗剪安全余量。此外, 预制拼装综合管廊节点的接缝也具有较大抗剪安全余量。