截至2016年12月底, 全国147个城市28个县已累计开工建设城市地下综合管廊2 005km。由于大多数综合管廊覆土较浅, 故采用明挖法施工。长期以来, 明挖结构主要采用现场浇筑, 存在工业化程度低、设计建造粗放、建筑材料损耗及建筑垃圾量大、建筑质量不稳定、建筑全寿命周期能耗高等诸多弊端, 而预制装配式结构可最大限度避免这些问题。目前应用于综合管廊的预制装配技术主要包括分节预制、分块预制拼装、叠合整体式预制装配技术等。

地下工程叠合整体式预制装配技术是一种采用单层叠合墙 (叠合墙预制部分位于背土侧) 、叠合板、叠合梁等叠合式预制构件, 辅以现浇叠合层及加强部位混凝土结构, 形成共同工作的整体受力结构, 具有施工周期短、质量易控制、构件观感好、减少现场湿作业、节约材料、低碳环保、防水性能好等施工特点, 适用于明挖法施工的地下工程。目前该技术在地下工程中应用较少, 相关理论体系尚未完整建立, 本文以十堰市北环路综合管廊工程为背景, 选取两幅为研究对象, 针对叠合整体式预制装配技术的整体受力性能及接头的受力性能通过原尺寸模型试验进行研究。

1) 检测叠合整体式综合管廊结构的实际受力状况和承载能力, 验证设计理论和施工工艺, 为叠合整体式综合管廊结构的应用提供保障。

2) 根据叠合整体式综合管廊结构的受力特点, 用静载试验的方法了解结构在试验静荷载作用下的实际工作状态, 为科学评价结构在使用阶段的应力和变形提供资料。

3) 通过破坏试验测试叠合整体式综合管廊结构极限承载力、变形能力、裂缝开展规律、拼接和节点破坏特征。

4) 检测叠合整体式综合管廊结构叠合混凝土墙板竖向拼缝和叠合面处破坏特征, 以及预制板与现浇部分的拼缝两侧变形错动情况。

选取的综合管廊段为燃气舱加舱部分, 为单舱单跨结构, 管廊顶部距离地面埋置深度3m, 地下水位于地表下1m处, 地下水容重γ_w=10kN/m³, 覆填土容重γ_s=18kN/m³, 弹性模量20MPa, 泊松比0.3, 黏聚力取24.4kPa, 内摩擦角拟取值27.9°, 地面活荷载因无相关设计参数取最大消防活荷载q=35kN/m³。混凝土强度等级C30, 钢筋强度等级HRB400, 钢筋保护层厚度迎水面50mm, 其他位置30mm。

管廊荷载与埋深如图1所示。根据图1管廊荷载分布及覆土和地下水位情况, 计算出管廊承受荷载。管廊荷载计算简图如图2所示 (取单位板宽1m计算) 。选取两幅进行试验, 每幅长度为2.5m。

试验时, 对于管廊侧墙荷载的加载, 考虑到管廊侧墙承受的土侧压力近似为梯形, 地下水位以下土侧压力较大且当前试验条件下线型荷载难以实现有效控制, 因此综合考虑管廊受力和现有加载条件, 加载试验采用自平衡式对拉加载, 即通过穿心式千斤顶张拉PSB930精轧螺纹钢筋以及二级分配梁的方式来实现。

1) 应力应变测试 应变测试主要采用静态数字应变采集仪进行数据采集, 应变片的粘贴位置和测试截面如图3a所示, 纵向间距为1.25m (两幅构件跨中及两幅构件的接缝处各一处) 。

2) 挠度测试 挠度采用大量程百分表和千分表, 测试位置如图3b所示, 纵向间距为1.25m (两幅构件跨中及两幅构件的接缝处各一处) 。

3) 外观检测 外观检测以目测观察结合仪器观测进行, 近距离检查管廊结构在各级荷载加载条件下的裂缝出现和发展规律, 观察现浇板和预制板在试验荷载作用下的连接情况。

4) 根据应力应变、挠度、裂缝等检测结果, 结合数值分析软件对叠合整体式综合管廊结构的力学性能进行评估。

本次加载采用8个千斤顶通过电动油压泵在管廊顶部与侧墙同时加载, 试验准备工作结束后管廊承受的荷载状态为初始状态, 每个千斤顶的荷载加载级数参考管廊顶板和侧墙的标准值与设计值取9, 18, 27, 34, 36, 45, 51, 54, 58t, 实际加载值以油压表压强换算值为准。具体加载方案如下。

初始状态→9t (静停1min) →18t (静停1min) →27t (静停1min) →34t (设计值, 静停1min) →36t (静停1min) →45t (静停1min) →51t (静停1min) →54t (静停1min) →58t (静停1min) →初始状态 (静停10min) 。

初始状态→9t (静停1min) →18t (静停1min) →27t (静停1min) →34t (静活载标准值, 静停1min) →36t (静停1min) →45t (静活载设计值, 静停1min) →51t (静停1min) →54t (静停1min) →58t (静停1min) →初始状态 (静停10min) 。

根据现场测试结果, 可得不同加载工况下管廊的应变和挠度变化如图4所示。

从图4a～4b中可以看出, 综合管廊在千斤顶张拉力为61t时, 管廊外侧各测试截面最大应变值不超过111, 管廊内侧各测试截面最大应变值不超过86;当各千斤顶工作状态为44t时, 管廊外侧各测试截面最大应变值不超过80, 管廊内侧各测试截面最大应变值不超过50, 均小于C30混凝土的峰值拉应变95。

从图4c～4d可以看出, B截面跨中挠度变化随千斤顶加载数值的增大基本成线性变化, 说明在60t千斤顶加载条件下, 管廊结构非线性变形不明显, 结构具有一定安全冗余度。

依据实际管廊尺寸与配筋情况, 建立各加载工况数值计算模型 (见图5) , 计算结果如图6所示。

从图5, 6可以看出, 管廊顶板和侧墙在8台千斤顶同时作用下, 顶板最大应力出现在顶板上部支座处, 最大拉应力σ_t=0.902MPa, 侧墙最大拉应力出现在侧墙跨中内侧, 最大拉应力σ_t=1.79MPa, 沿管轴方向最大主应力在侧墙跨中板底位置σ_t=0.41MPa, 侧墙最大挠度0.52mm。对比分析B截面侧墙跨中不同加载荷载下的挠度检测值和数值计算结果, 如图7所示。

从图7可以看出, B截面侧墙跨中的挠度检测值和数值计算结果基本成比例变化, 计算值与检测值比值基本保持在1.7附近, 表明采用本试验方案符合实际受力情况。

通过现场加载和数值分析, 可得出按照现有设计方案施工完成的十堰市北环路综合管廊工程叠合整体式预制装配段在侧壁和顶板分别同时加载240t荷载作用下, 结构力学性能和变形性能表现良好, 故叠合整体式预制装配方案受力性能与全现浇施工工艺相近, 能够满足设计规范要求, 综合管廊的极限荷载初步估计在280～300t。