综合管廊是指在城市地下建造一个隧道空间, 使市政、电力、通信、排水等各种管线集于一体, 设有专门的检修口、吊装口和监测系统, 实施统一规划、统一设计、统一建设和统一管理^[1]。综合管廊可以分为现浇综合管廊和预制拼装综合管廊两类。与现浇综合管廊相比, 预制拼装综合管廊具有施工工期短、质量便于控制、综合经济效益显著的特点。常见预制拼装综合管廊可以分为整舱预制拼装、预制槽型拼装、叠合板式拼装、单舱预制多舱拼装、预制混凝土板式拼装等多种形式。其中, 预制混凝土板式拼装综合管廊是指将预制节段拆分成预制底板、预制壁板和预制顶板等构件, 通过不同的连接构造连接成整体的结构形式, 预制混凝土板式拼装综合管廊的优点为极大地减少了单个预制构件的截面尺寸和质量, 可以适应大截面和多舱综合管廊的发展需要^[2]。本文研究的是一种基于嵌入式连接的预制混凝土板式拼装综合管廊体系, 如图1, 2所示。每个预制管廓节段由槽形底板、侧板、顶板、立式分舱板组成, 侧板、立式分舱板通过槽形底板上的预留承口定位, 侧板嵌入槽形底板, 顶板置于侧板和立式分舱板上端, 接头处均有防水材料。该种体系的预制管廊具有构件制造简单、吊装方便、拼装简单的优点^[3]。

在此预制混凝土板式拼装体系中, 顶板搁置于侧板和立式分舱板之上, 顶部节点只能当作铰接处理, 故垂直于管线方向的水平抗侧刚度主要取决于侧板-底板的嵌入式节点的转动能力。目前, 国内外尚无关于在预制混凝土板式拼装综合管廊的侧板-底板节点上采用嵌入式构造的研究, 有关嵌入式结构的研究主要集中在柱脚或者地下室外墙上, 具有一定的借鉴意义。胡连文等^[4]通过10个1/2缩尺模型的试验研究了高杯口基础的破坏形态和机理, 主要结论为:按固端理论设计时, 安全系数>1.55;在第1道裂缝出现前, 预制柱嵌入杯口内结合成整体, 可以按照固端进行设计;R.M.F.Canha等^[5]对杯口基础进行了理论分析和试验研究, 认为侧板受拉一侧的下部、受压一侧的上部以及底部一起提供了抗弯弯矩, 并通过7个参数包括接触面类型、偏心率、嵌入深度等因素的试件试验验证了计算模型的合理性。但泽义^[6]对钢柱脚与混凝土基础刚接连接的设计方法进行了探讨, 提出刚接时所需要插入深度主要由受拉肢轴心拉力控制并给出了计算方法, 并建议二次浇灌层细石混凝土强度等级宜≥C40。由此可见, 嵌入式结构普遍被认为是固定端并按照固定端进行设计, 但黄莉^[7]通过地下室外墙板的受弯试验研究提出, 嵌入过浅时会出现由于钢筋锚固不足而发生明显的黏结滑移现象, 导致基础发生抗拉冲切破坏。这表明钢筋的有效锚固长度显著影响了节点的受力性能。

综上所述, 目前关于预制混凝土板式拼装综合管廊嵌入式侧板-底板节点的研究中存在以下问题: (1) 针对预制混凝土板式拼装综合管廊嵌入式侧板-底板节点转动刚度的研究为空白; (2) 在地下室墙板、高杯口基础等相似结构的研究中, 在裂缝开展之前, 此类节点可按照固端进行设计, 但缺乏对其在弹塑性阶段转动刚度的研究。

鉴于此, 基于ABAQUS软件, 并考虑材料非线性、预制拼缝构造以及钢筋锚固长度的影响, 建立预制混凝土板式拼装综合管廊侧板-底板嵌入式节点在侧向加载下的有限元模型, 并通过与试验结果的对比, 验证了该模型的合理性。在此基础上, 开展了对腋角高度、嵌入深度、侧板厚度等参数的有限元分析。

混凝土本构模型采用ABAQUS软件提供的塑性损伤模型, 该模型基于各向相同破坏的假设, 采用各向同性损伤弹性结合各向同性拉伸和压缩塑性的模式来表示混凝土的非弹性行为, 既可用于分析单调加载的混凝土结构, 又可用于分析反复荷载以及动力荷载下的混凝土结构。单轴拉压荷载下混凝土的应力-应变关系根据GB50010—2010《混凝土结构设计规范》 (2015年版) 中的建议曲线计算确定。混凝土单元采用线性减缩积分实体单元C3D8R。钢筋本构模型采用理想弹塑性材料模型, 单元则采用二节点三维桁架单元T3D2。

预制拼缝界面是预制结构有别于现浇结构的重要特征之一, 该界面的处理关系到有限元模型能否反映预制拼装结构的特点。拼缝界面处的混凝土单元在试件的受力全过程中主要起传递压力和剪力的作用。基于此, 该预制拼装综合管廊节点模型的拼缝面采用在接触面上设置接触单元进行模拟。法向行为设置为“硬接触”, 当接触面压力为0或负值时接触面分离;切向行为采用罚函数列式, 摩擦系数取0.8。

在ABAQUS中, 通常对钢筋和混凝土采用分离式建模, 通过“embeded”命令将钢筋嵌入混凝土。在本模型中, 侧板底部的钢筋与底板钢筋没有连接, 侧板钢筋在一定深度范围内无法形成有效锚固, “embeded”命令无法考虑这一特性。因此, 本模型在使用“embeded”命令时考虑钢筋在混凝土中嵌固的基础上, 通过变截面法模拟钢筋的锚固长度, 即在钢筋末端的锚固长度范围内, 钢筋的截面线性变化为0。锚固长度根据《混凝土结构设计规范》进行计算得到29d (d为钢筋直径) , 考虑到在实际工程中钢筋端部采取了90°弯钩的锚固措施, 可以采用0.6的折减系数, 最终锚固长度范围取为18d。

考虑到管廊整体受力特点, 以侧板和底板的反弯点作为截断点选取节点模型, 节点底座和底板截断处均采用铰接处理。在侧板上端施加水平荷载, 考察节点转动刚度, 加载如图3所示。

浙江大学对预制混凝土板式拼装综合管廊嵌入式节点的转动刚度开展了现场加载试验^[8]。试验加载方案如图4所示。根据拼装管廊在极限荷载作用下的最不利受力情况, 在挡墙距底板约1.7m位置布置线荷载, 测量挡墙在荷载作用下产生的相对转角。

侧向线荷载分100, 200, 300, 400k N 4个级别进行加载, 以模拟结构在施工过程中的单侧挡墙开挖。

以混凝土压碎 (应变达到0.003 3με) 作为结构破坏标志, 由嵌入式节点和现浇对比节点的应变云图可以看出, 嵌入式节点外壁底部由于锚固长度不足, 其控制截面出现在底部钢筋锚固段, 由于缺少钢筋的有效锚固, 受拉侧混凝土开裂后裂缝迅速发展, 最终混凝土压碎。现浇节点的控制截面则出现在腋角上方, 这是由于腋角处配筋较多, 而腋角上方则相对薄弱, 最终出现受弯破坏。

由图5可以得出:

1) 受现场条件限制, 现场试验未进行到破坏。通过试验得到的弯矩-转角关系数据, 与有限元分析结果较为接近, 在同样的荷载下, 有限元分析得到的转角值为试验值的86%~99%。

2) 有限元分析结果表明, 随着荷载增大, 嵌入式节点的转动刚度降低幅度较大, 这与试验结果的变化取值基本一致。

初步分析表明, 腋角高度、侧板嵌入深度以及侧板厚度对节点转动刚度的影响较大。因此, 本文设计了12个采用不同参数的试件进行有限元分析。其中, 节点的转动刚度可以定义为梁端弯矩与梁柱相对转角的比值^[9]。类似地, 在嵌入式综合管廊节点中, 定义侧板弯矩与侧板-底板相对转角为节点的转动刚度。由于在实际工程中节点的转动刚度受到试件尺寸、配筋率等多种因素控制, 在基于等同现浇原则的基础上, 本文主要对嵌入式节点与其对应的现浇对比节点的转动刚度进行对比分析。试件参数信息及主要有限元分析结果如表2所示。

不同腋角高度试件的弯矩-转角曲线如图6所示, 由图可见:

1) 腋角高度为150, 200mm试件与现浇试件的承载力相对比值为0.81, 0.84, 这说明提升腋角高度可提升嵌入式节点的承载力, 但腋角厚度为200mm试件承载力相对比值为0.81, 这是由于此时腋角高度的提升对现浇结构承载力影响更为明显。

2) 腋角高度为150, 200, 250mm试件初始转动刚度与现浇试件的相对比值均在0.80~0.81, 变化不大, 这是由于在加载初期, 侧板和底板形成整体, 与现浇结构相近;屈服时转动刚度相对比值 (0.53~0.60) 和后期转动刚度相对比值 (0.09~0.14) 均随着腋角高度有所提升, 这说明相比于现浇结构, 嵌入式节点的刚度退化较为严重, 但提升腋角高度可在一定程度上减少转动刚度的损失。

不同嵌入深度试件的弯矩-转角曲线如图7所示, 分析可知:

1) 嵌入深度为600, 700mm试件承载力相差≤1%, 与现浇结构的承载力相对比值均约为0.84, 这表明当嵌入深度满足钢筋锚固要求后, 增加嵌入深度时承载力不再有显著提升。

2) 嵌入深度为500, 600, 700mm试件初始转动刚度相对比值在0.8~0.81, 变化幅度不大, 这是由于在加载初期变形较小, 不同嵌入深度的侧板与底板都形成整体, 刚度相差不大;屈服时转动刚度相对比值则随着嵌入深度的增加而增加 (0.55~0.61) , 这是由于随着荷载的增加, 钢筋达到屈服的长度范围逐渐增加, 足够的嵌入深度可保证足够的锚固长度;后期转动刚度相对比值则三者一致。

不同侧板厚度试件的弯矩-转角曲线如图8所示, 可以得出以下结论。

1) 当侧板厚度增加, 与现浇结构承载力相比, 嵌入式节点的承载力相对比值反而下降, 这是由于现浇结构整体性更好, 侧板厚度的增加对现浇节点承载力的提升更为明显。

2) 侧板厚度为350, 400, 450mm的对比试件初始转动刚度相对比值 (0.78~0.90) 、屈服转动刚度相对比值 (0.55~0.61) 、后期转动刚度相对比值 (0.11~0.16) 均逐渐增加, 这表明侧板刚度的增加对嵌入式节点转动刚度的提升较为明显。

1) 在腋角高度、嵌入深度等参数合理的前提下, 嵌入式节点与现浇节点的承载力相对比值在0.8~0.85, 初始转动刚度相对比值在0.8~0.9, 屈服时转动刚度相对比值在0.5~0.6, 后期转动刚度相对比值在0.1~0.2。

2) 对腋角高度、嵌入深度、侧板厚度进行了参数分析, 结果表明, 与现浇节点相比, 侧板厚度对嵌入式节点的初始转动刚度相对值、屈服时转动刚度相对值、后期转动刚度相对值均有提升, 而腋角高度、嵌入深度主要影响屈服和后期转动刚度相对值。