预制装配式地下综合管廊弹性密封垫防水性能试验研究

2020-06-07周玉生

工程与建设 2020年6期

周玉生

(中铁四局集团有限公司设计研究院，安徽合肥 230023)

1 研究背景

预制装配式综合管廊是一种钢筋混凝土箱型构筑物，具有可在工厂或者施工现场预制加工、现场安装的特点,具备较好的环保效益和社会效益。由于处于地下环境并受地下水侵蚀，接头防水问题成为推广应用预制预应力综合管廊亟待解决的关键问题。目前，现浇整体式综合管廊普遍采用埋入带钢边橡胶止水带的方法解决结构变形缝的防水问题。该方法要求综合管廊主体结构在现场浇筑，并将带钢边橡胶止水带埋入其中形成防水体系，因此难以应用于预制预应力综合管廊接头的防水处理。

针对地下预制结构接头的防水问题，国内外学者开展了一定的研究工作，主要包括防水用橡胶材料物理力学性能的试验与理论分析，地下隧道预制衬砌接头防水性能的初步理论分析与探索性试验等。上述研究工作提出了弹性密封垫的材料物理参数指标和初步的接头防水设计建议，但总体而言仍处于起步阶段，且主要针对地下隧道预制衬砌结构。而在预制预应力综合管廊的接头防水性能研究方面，从系统查阅的文献资料看，国内外尚未开展这方面的研究工作。

本试验针对遇水膨胀橡胶密封垫界面弹性密封垫的本构关系和极限抗压能力进行试验，并通过有限元软件模拟分析橡胶密封垫受力性能，将有助于综合管廊接头防水设计与施工，同时也有利于遇水膨胀橡胶的进一步开发应用，通过试验能够达到以下目的：①研究遇水膨胀橡胶密封垫的静力性能；②为综合管廊接头防水设计与施工提供参考；③为遇水膨胀橡胶密封垫的数值研究提供试验数据。

2 工程概况

敞口式U型盾构施工全预制地下综合管廊是一种适合预制管廊施工的新型工法，试验段位于海口市椰海大道K09+397～K09+890段，其中标准段长308 m，非标准段节点共3处，共长185 m。

试验段位于椰海大道中央绿化带下，覆土厚度3.5 m。管廊为双仓断面,宽为8.2 m，高为4.95 m，内含给水、电力、通信等管线，如图1所示。预制管节采用上下分割方案，竖向、纵向分别采用预应力精轧螺纹钢进行连接，如图2所示。

图1 管廊横断面图

图2 竖向分割示意图

3 试验概况

3.1 试验模型的设计与制作

本试验采用的试件为2个带凹槽的混凝土长方体试块，如图3所示。遇水膨胀橡胶条的物理学性能参数见表1，其示意图及实物照片如图4所示。

图3 试件模型示意图(单位：mm)

表1 遇水膨胀橡胶条物理力学性能

图4 遇水膨胀橡胶条(单位：mm)

3.2 加载与测试内容

本次试验需要对遇水膨胀橡胶条施加平面外的均布荷载。对遇水膨胀橡胶条施加均布荷载的方式为通过计算机控制试验机加载头向圆形垫片施加位移荷载，再通过圆形垫片向加载的混凝土块传递一定范围的均布荷载并带动混凝土块向下移动挤压遇水膨胀橡胶条，从而达到使遇水膨胀橡胶条均匀受力的目的。对每一块试件均加载2次，考虑到试验机的量程和精度问题，故将加载的位移控制在7 mm以内。

试验的测试内容主要包括：①遇水膨胀橡胶条竖直方向的压力值；②遇水膨胀橡胶条竖直方向的位移值。试验加载装置(最大量程是20 kN)如图5所示。

4 试验过程与现象

4.1 试验过程

4.1.1 单调加载过程

第一次加载按照1 mm/min的速率施加位移荷载，在达到试验机最大加载位移7 mm的过程中，遇水膨胀橡胶条的变形明显，之后按照5 mm/min的速率卸载，完全卸载后遇水膨胀橡胶条无明显残余变形。第二次按照同样的速率施加和卸除位移荷载。四边有约束试块橡胶条的加载前后的变形如图6所示。

图6 遇水膨胀橡胶条加载前后变形图

4.1.2 极限加载过程

试件1在经过单调加载过程后，无明显的变形，这表明遇水膨胀橡胶条未发生明显破坏，故将遇水膨胀橡胶条放在微机控制电液伺服压力机(最大量程300 kN)上进行加载破坏试验。按照5 kN/min的速率施加力荷载，直至达到50 kN时停止加载，将极限加载后的遇水膨胀橡胶条再次进行单调加载，对比观察橡胶条的压力-位移曲线。图7为极限加载过程的现场照片。

图7 极限加载过程

4.2 试验结果

4.2.1 单调加载压力-位移试验曲线

由4.1加载过程可知，在竖向施加位移荷载过程中遇水膨胀橡胶均匀变形，这表明在纵向四角点预应力作用下遇水膨胀橡胶条在整个周长范围内均匀受力，因此单位面积遇水膨胀橡胶条受到的应力可按公式(1)计算:

(1)

式中：N为顶面受到的压力；A为顶面的面积。当达到最大荷载20 kN时，应力为3.6 MPa。

试验过程中遇水膨胀橡胶条的压力-位移曲线如图8所示。

图8 遇水膨胀橡胶条压力-位移曲线

图8中,试件1-1表示两边约束试件第一次加载，变形稳定之后的实际位移为6.73 mm；试件1-2表示两边约束试件第二次加载，变形稳定之后的实际位移为5.8 mm；试件2-1表示四边约束试件第一次加载，变形稳定之后的实际位移为6.75 mm;试件2-2表示四边约束试件第二次加载，变形稳定之后的实际位移为5.56 mm。直线表示表面应力达到1.5 MPa时对应的压力，图中的交点坐标表示了当应力达到1.5 MPa时对应的位移。

由图8可知，试件1-1、1-2、2-1和2-2的表面应力达到1.5 MPa时，其位移荷载分别为5.57 mm、4.71 mm、5.47 mm和4.47 mm。可以看出，相同加载力作用下，第二次加载达到的最大位移值比第一次加载达到的最大位移值小。这可能是由于，与第一次加载初始条件相比，第二次加载时橡胶条以及橡胶条与混凝土试块接触更为紧密，故橡胶条受到的力荷载更早达到试验机的最大量程，但差异不大。

4.2.2 极限抗压后压力-位移试验曲线

极限抗压后的压力-位移试验曲线如图9所示。

通过图9对比极限加载后的曲线和试件1-1、试件1-2曲线发现，当极限荷载达到50 kN时，即极限加载使截面压应力为9 MPa时，遇水膨胀橡胶条仍能保持良好的受力性能，这表明遇水膨胀橡胶条的最大极限破坏荷载大于50 kN，满足综合管廊中接头防水的受力需求。

4.3 密封垫压力-位移关系曲线拟合

试验拟合曲线的计算公式如下：

N=0.45Δ2-0.93Δ+0.61

(2)

N=0.76Δ2-1.71Δ+1.28

(3)

N=0.56Δ2-1.47Δ+1.04

(4)

N=0.81Δ2-1.65Δ+1.23

(5)

试验曲线与拟合曲线的对比图,如图10所示，可以发现，两者较为接近，表明拟合情况良好。

图10 试验曲线与拟合曲线的对比图

5 数值模拟

5.1 数值模型

5.1.1 单元类型与网格划分

采用大型有限元软件ANSYS对模型试验进行数值模拟，考虑两边约束试件第一次单调加载过程，数值模型中，遇水膨胀橡胶条采用SOLID185单元模拟，将混凝土试块对遇水膨胀橡胶条的约束简化为模型底面约束和两侧线条的约束，在模型顶面施加5 mm的均匀位移荷载，试验数值模型如图11所示。

图11 遇水膨胀橡胶条有限元模型

5.1.2 材料模型

本次模拟采用的是双参数Mooney-Rivlin超弹模型，超弹性是指可以经历可恢复的大弹性应变的材料，而且，超弹性材料通常具有非常小的可压缩性，这通常被称为不可压缩性。不可压缩的橡胶材料模型几乎与双参数现有的ANSYS Mooney-Rivlin模型相同，在30%～200应变范围内，模型与试验数据的相关性都很好。通过输入C10，C01，υ来定义应变能量函数[5]：

(6)

(7)

(8)

5.1.3 边界与荷载条件

模型的边界与荷载条件如图12所示。

图12 数值模型及其边界与荷载

5.2 5 mm位移荷载施加后结果

对模型施加5 mm位移荷载后结构y向(垂直于橡胶条方向)位移、应力模拟结果如图13所示。

图13 数值分析结果

由图13a可知，遇水膨胀橡胶条中间部分位移较均匀，橡胶条变形受约束作用向外扩散。由图13b可知，遇水膨胀橡胶条中间部分的压应力在2.04～3.26 MPa，试验中试件1-2加载到5 mm时对应的压力是10.678 kN，按照公式(1)计算得到的应力为1.8 MPa，两者的误差不大，考虑数值模拟采用的橡胶弹模与实际弹模的误差以及边界条件对结果有所影响。

试件1-1，试件1-2在y方向的荷载-位移曲线与试验曲线对比如图14所示。