尚武孝

(中铁一局集团厦门建设工程有限公司，福建厦门 361000)

为提高城市综合承载能力，美化城市空间，国内许多城市陆续规划修建地下综合管廊[1-2]。管廊施工多采用明挖预制拼装，该技术以高效、节能环保、质量稳定等优势，成为综合管廊施工的主要发展方向[3-4]。整舱预制拼装综合管廊是一种常用的预制拼装综合管廊结构体系，其特点是在横截面方向上整体预制，在纵向上根据需要划分成一定长度的节段(每段一次预制成型)，在现场通过预应力筋、螺栓或承插口的形式纵向连接[5-6]。受运输条件和施工工艺的限制，预制拼装综合管廊会产生大量的拼缝和接头，造成预制拼装式综合管廊结构的力学特性复杂。另外，接头的强度、刚度等较管节体小很多，使其成为管廊结构的薄弱环节[7-9]。

管廊接头是预制拼装综合管廊工程设计、施工中的关键，是影响预制拼装综合管廊结构受力的最主要因素[10]。因此，构建更符合工程实际的管廊接头计算模型，对研究预制拼装式综合管廊的承载力及变形特性具有十分重要的意义。国内已有部分学者针对综合管廊接头的力学性能和计算理论进行了相关研究。如王鹏宇等[11]研究了承插式管廊接头的力学性能，指出相同荷载下接头处的应力集中区域较廊体更易发生破坏，提出了管廊横向接头的抗弯承载力以及刚度的理论计算模型[12]；陈小赞等[13]针对由两节管廊单元组成的管廊模型，借助有限元软件分析不同工况，对预制管廊接头抗剪和抗弯特性展开探索；余泽[14]采用离散基尔霍夫技术构建新型三角形板单元，研究预制拼装式综合管廊接头计算模型；刁钰等[15]通过建立有限差分模型，对比分析单舱、双舱管廊在不同接头构造下管廊接头渗漏的临界转角规律。总体来说，管廊接头力学性能及计算方法研究还属于起步阶段，理论尚不成熟。因此，构建合理准确的管廊接头受力性能实用分析模型，对研究预制管廊接头受力性能及影响因素具有重要的理论意义及工程实用价值。

基于此，以福建省平潭综合实验区地下综合管廊干线工程为背景，建立典型的预制拼装综合管廊结构接头抗剪性能三维数值计算模型，研究管节接头横断面剪力键和纵向预应力等关键因素对管廊接头抗剪性能的影响，并在此基础上提出管廊接头剪力键等效模拟方法，为大尺度整体管廊结构受力变形性能的高效模拟分析提供技术支撑。

1 工程概况

平潭综合实验区地下综合管廊干线工程(一期)第1标段全长约2349m，根据各个路段入廊管线的种类及容量的差异，共设置3种综合管廊断面。综合管廊概况如表 1所示，其主体结构采用C45钢筋混凝土。

表 1 管廊断面概况

根据长度不同，预制管廊每孔跨划分了10～24个预制节段(标准节段长为1.5 m)。一个典型的预制综合管廊节段由端部节段A、中间节段B和中间节段C三类断面的预制管节连接而成，如图1所示。各预制节段端部横断面上设置剪力键(见图2)，相邻面凹凸设置(如图3所示)，节段纵向通过预应力筋连接(见图4、图5)。

图1 预制综合管廊断面节段分类示意(单位：cm)

图2 预制节段横断面剪力键布置(单位：cm)

图3 预制节段剪力键实物

图4 C型预制综合管廊预应力布置示意(单位：cm)

图5 预制综合管廊预应力断面(单位：cm)

2 数值模拟

2.1 数值模型设计

根据C型、D型综合管廊标准段的设计尺寸及连接方式，采用大型通用岩土有限元程序PLAXIS 3D，分别构建预制C型、D型管廊接头全尺寸三维有限元模型。其中，C型预制管廊结构横断面外皮宽7.8 m，高4.6 m，每个预制节段长1.5 m，其他细节及剪力键设计见图6。

预制管廊节段主体结构采用10节点高阶四面体单元。以C型管廊模型为例，共划分26 596个单元，59 435个节点。管廊结构混凝土材料采用莫尔-库仑模型模拟，弹性模量取30 GPa，泊松比取0.15，黏聚力取500 kPa，内摩擦角取45°。

剪力键模拟：①按照剪力键的实际尺寸进行三维实体建模(见图7(a))；②根据管廊整个接头的剪切力学行为，采用等效界面进行模拟(见图7(b))。

图6 C型管廊接头全尺寸三维数值模型(单位：m)

在进行接头抗剪性能模拟时，将模型中一段预制管节(管节A)的所有网格节点全部固定，在另一段预制管节(管节B)的外端面施加均布压力，以模拟其受到的预应力作用，并对此段管节(管节B)所有节点施加竖直向下的位移，来模拟两段管节之间发生的剪切相对位移(如图8所示)。

图7 剪力键模拟

图8 施加剪切位移示意

2.2 模拟分析工况

研究预制综合管廊接头抗剪性能的重点在于分析接头剪力键和纵向预应力对接头抗剪性能的影响。模拟的5种工况如表 2。

(1)设置剪力键与否对接头抗剪强度和抗剪刚度的影响(工况1和工况2)。

(2)纵向预应力大小对接头抗剪强度和抗剪刚度的影响(工况2、工况3、工况4)。

(3)提出接头剪力键抗剪性能等效模拟方法，采用等效界面模拟剪力键的抗剪效果(工况5)。

观察组循证护理健康教育实施后，生活质量的4个维度及总分低于对照组，两组差异有统计学意义（P＜0.05）。见表2。

表2 模拟工况

3 结果分析

通过计算分析发现，双舱C型管廊接头与三舱D型管廊接头的抗剪力学响应规律基本一致。因此，后续分析以C型管廊为主，如无特别说明，D型管廊主要用作对比及验证计算。

3.1 剪切位移对接头抗剪强度的影响

对接头两侧预制管廊节段施加0.1 mm的相对剪切位移，得到不同工况下接头总剪力随剪切位移的变化曲线，如图9所示。

图9 接头总剪力随剪切位移的变化规律

从图9可以看出，不论接头是否设置剪力键，当纵向预应力发生变化时，各个不同模拟工况下的接头总剪力随剪切位移的变化规律基本一致，大致可分为三个阶段：①施加剪切位移初期，即接头两侧预制管廊阶段的剪切位移相对较小时，接头总剪力随剪切位移较快速地近似线性增长；②随剪切位移的增大，接头总剪力增加速率逐渐减缓，直至接头总剪力达到最大；③当剪切位移超过一定量时，接头总剪力不再随剪切位移的增加而增大，达到极限值。

3.2 剪力键对接头抗剪强度的影响

剪力键设置与否对接头抗剪性能的影响曲线如图10所示。

图10 剪力键设置与否引起的接头抗剪性能的差异

由图10可知，工况1为接头不设置剪力键的情形，与设置剪力键的工况2以及通过等效界面方法模拟剪力键的工况5相比，不设置剪力键时接头能承受的极限总剪力显著减小，大约降低了(3 049-2 710)/3 049=11.1%。这说明设置剪力键可以明显地改善接头的抗剪性能，所建立的数值模型亦很好地反映了这一点。

3.3 预应力对接头抗剪强度的影响

管廊预制节段纵向通过预应力筋连接，施加预应力后，管廊节段接头处受到纵向预应力传来的法向应力，这必将影响管廊接头的抗剪性能。接头极限总剪力随着纵向预应力的变化情况如图11所示。

图11 接头总剪力随预应力的变化规律

由图11可知，接头总剪力与预应力基本呈线性关系，若减小预应力，管廊接头的抗剪能力将显著降低。例如，当预应力从240 kN减小到200 kN时，接头总剪力将从3 049 kN降至2 696 kN，降幅(3 049-2 696)/3 049=11.6%，这甚至与前面分析的240 kN预应力下不设置剪力键时的接头抗剪力(2 710 kN)相当。然而，并不能单纯依靠增加预应力来提高接头抗剪能力，因为当预应力过大时，接头处受到的法向压力也就越大，可能导致混凝土局部破碎，甚至导致接头损坏。

3.4 不同工况下的接头剪切刚度分析

根据前面的分析，当剪切位移在0～0.01 mm范围内时，接头总剪力与剪切位移大致呈线性关系(即该阶段接头处于弹性状态)。因此，取该段曲线的割线作为接头剪切刚度，得到各工况下的接头剪切刚度(如图12所示)，接头剪切刚度随预应力的变化规律见图13。

图12 不同工况下预制管廊接头剪切刚度对比

图13 接头剪切刚度随预应力的变化规律

从图12可以看出，不同工况下的接头剪切刚度有所差异，且接头剪切刚度对不同因素的敏感程度也有所不同。相同预应力下(工况1、工况2，预应力为240 kN)，设置剪力键后(工况2)较不设置剪力键(工况1)的接头剪切刚度略高(工况2较工况1仅高出2.3%)；预应力对接头剪切刚度的影响比较显著，当预应力从240 kN分别降至200 kN和160 kN时，接头剪切刚度降幅分别达到9.6%和24.7%，接头剪切刚度随预应力的变化同样近似呈线性关系(见图13)。这表明管廊纵向预应力不仅对接头剪切强度有显著影响，而且对接头剪切刚度也有重要影响。此外，工况5与工况2的接头剪切刚度差异约为3.9%，说明在合理的参数下，等效界面模型除了可以较好地描述接头剪切强度，还可以比较合理地描述接头剪切刚度，即通过等效界面模型模拟剪力键可行。

3.5 等效界面模拟方法

工况2、工况3和工况4均对管廊接头剪力键进行了三维实体建模，并在接头处设置了接触面。然而，从剪力键设计图以及三维模型图来看，剪力键的尺寸相对管廊横断面来说非常小，划分网格时会因尺寸限制导致此处的网格非常密集，进而增加整个模型的网格数量，对于仅针对一个接头进行模拟尚可接受，若是进行数十米甚至上百米长管廊的模拟分析时，如仍采用三维实体建模的方法，不仅增加建模的难度和耗时，而且模型总网格数量必然非常大，导致计算成本高，效率低，实用性不佳。

结合图10的分析，剪力键的作用主要是提升接头的抗剪能力。因此，考虑采用等效界面单元来模拟剪力键的抗剪性能。即在设置剪力键处，不再按其三维尺寸建立实体模型，而是根据剪力键的截面积在相应位置设置界面单元，通过调整界面单元的参数，使得等效界面模型与三维实体模型获得相近的抗剪性能。其初始剪切参数可按照界面两侧混凝土所取摩擦角的正切值作为摩擦系数并按比例计算，初始刚度参数按经验取3×107kPa。然后，以剪力键三维实体模型(工况2)结果为基准，反复调整等效界面的参数，直至等效界面模型获得的接头极限总剪力及其随剪切位移的变化规律与三维实体模型基本一致。

以本次研究的模型为例，最终确定的等效界面参数：摩擦角取49.5°，界面刚度取2×107kPa，等效界面模型与三维实体模型的接头剪切力学行为对比见图9中的工况2和工况5。不难看出，二者的变化趋势和极限值都非常接近，表明此时的等效界面参数合理，也说明了采用等效界面模型可以比较合理地模拟剪力键接头的抗剪力学行为。

4 结论

依托于福建平潭预制综合管廊工程双舱C型、三舱D型结构，采用PLAXIS3D岩土有限元程序建立预制管廊接头精细化三维数值模型，深入分析管廊接头的受力性能及影响因素，并提出合理实用的管廊接头等效模拟方法，主要得出以下结论。

(1)接头总剪力随剪切位移的变化规律大致可分为三个阶段(即较快速线性增长-增长速率逐渐减缓-达到极限值)；不设置剪力键时接头的极限总剪力大约降低了11.1%，可见设置剪力键后，接头抗剪能力有显著提升；当预应力从240 kN减小到200 kN时，接头总剪力降幅在11.6%左右，说明预应力对接头抗剪性能十分重要。

(2)相同预应力下，设置剪力键较不设置剪力键的接头剪切刚度高出2.3%；当预应力从240 kN分别降至200 kN和160 kN时，接头剪切刚度降幅分别达到9.6%和24.7%。由此可见，接头剪切刚度随预应力的变化近似呈线性关系，若外部因素导致预应力降低，将引起接头抗剪强度降低。

(3)通过等效界面模型结合合理的界面参数，可以从剪切强度和剪切刚度两个方面比较合理地等效模拟接头的剪切力学行为。

(4)针对实际工程建立大尺度管廊-土体三维模型时，可以考虑采用等效界面方法来简化剪力键建模，能够在基本保证计算精度的基础上提高建模和计算效率。