薛伟辰 陈盛扬 胡翔

同济大学土木工程学院 上海200092

引言

综合管廊是指在城市地下建造一个隧道空间，将电力、通信、燃气、给排水等市政管线收纳其中，实施统一规划、统一管理，是保障城市运行的生命线工程。目前，我国综合管廊施工通常采用现浇和预制拼装两种方式，预制拼装综合管廊是在工厂内分节段浇筑成型，现场采用拼装工艺施工形成整体的综合管廊。预制拼装混凝土综合管廊与现浇管廊相比，具有良好的经济、社会和环境效益，近年来在国内发展较快［1］。

针对最为常用的箱型截面管廊结构，工程中有四种常见的节段预制拼装方案：整舱预制拼装、预制槽型拼装、预制板拼装和叠合板拼装。其中预制混凝土板拼装综合管廊将管廊预制横向节段拆分成预制底板、预制壁板和预制顶板等，预制构件质量小、便于运输和吊装，可以满足大截面管廊的施工要求［2］。

本文作者所在研究团队提出了一种预制混凝土板式拼装综合管廊的结构方案，该预制拼装综合管廊由预制底板、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通过现浇混凝土节点核心区连接［3］。并针对上述预制混凝土板式拼装综合管廊，开展了典型节点足尺模型和整体结构足尺模型的低周反复荷载试验［4］，系统研究了预制混凝土板式拼装综合管廊节点与整体结构的受力性能。为了进一步分析关键参数对预制混凝土板式拼装综合管廊整体结构受力性能的影响，本文拟在试验研究的基础上，开展预制混凝土板式拼装综合管廊整体结构非线性有限元参数分析。

1 有限元建模

1.1 材料本构、单元选取

预制混凝土板式拼装综合管廊整体结构有限元分析模型如图1所示。混凝土单元采用C3D8R

单元，钢筋采用T3D2单元，模型中混凝土和钢筋按50mm尺寸进行网格单元划分。混凝土采用损伤塑性模型，为更好地表现出混凝土材料的塑性损伤特性，模型中设置了混凝土材料的拉伸损伤和压缩损伤系数。钢筋本构采用双折线模型，各钢筋屈服强度和弹性模量均根据试验中钢筋实测力学性能指标进行设置，以更好地模拟实际结构的受力性能。

1.2 关键问题的处理

预制拼缝面是预制结构有别于现浇结构的重要特征之一。本文拼缝面的处理采用在对应接触面上设置“表面与表面接触”的相互作用。法向为“硬接触”，且允许接触后分离，切向摩擦系数取0.8，两侧混凝土与其的界面接触属性设置为绑定。

图1 综合管廊整体构件有限元模型Fig.1 Finite element model of utility tunnel

2 有限元模型试验验证

2.1 试验概况

以地下某综合管廊项目为背景，对其抗震性能进行了研究。试件配筋如图2所示，试验中预制管廊由预制实心板拼装而成，侧壁与底板采用套筒灌浆连接，拼缝面位于腋角变截面以上300mm，侧壁与顶板采用核心区现浇连接。试件所用混凝土强度等级均为C40，主要受力钢筋强度等级为HRB400。试验中，按照我国《建筑抗震试验方法规程》（JGJ 101—96）中规定的荷载-位移混合控制加载方法施加水平低周反复荷载。

图2 试件配筋及试验加载Fig.2 Specimen reinforcement of test loading

2.2 有限元分析结果与试验结果对比

为了验证本文建立的预制混凝土板式拼装综合管廊非线性有限元分析模型的准确性，将有限元分析得到的破坏形态、承载力与试验结果进行对比。

1.破坏形态

在水平荷载的作用下，预制管廊的有限元模型与试验试件的整体变形对比如图3所示，各试件有限元模型混凝土和钢筋的mises应力云图如图4所示。由图4可知，有限元模型得到的整体变形与试验现象基本一致，整体模型的破坏模式均为壁板与腋角交界处截面受弯破坏。下部拼缝处有明显的变形，与试验时实际观察到的变形现象基本一致。钢筋及混凝土的mises应力云图中，在水平荷载作用下，计算模型受压侧混凝土达到极限压应变，受拉侧纵筋受拉屈服，这与试验中观测到的试件破坏形态基本一致。

图3 综合管廊试验和有限元变形Fig.3 Comparison of finite element and experiment deformation of utility tunnel

图4 混凝土和钢筋Mises应力云图（单位：MPa）Fig.4 Mises stress of concrete and reinforcement（unit：MPa）

2.承载能力

从图5和表1可知，有限元计算得到的管廊试件的骨架曲线与试验所得的骨架曲线总体形状及变化趋势相近。有限元分析得到的峰值荷载和试验得到的峰值荷载基本一致，与试验值相比，峰值荷载相差在4.2%以内。所以本文建立的预制混凝土板式综合管廊非线性有限元分析模型计算得到的结果与试验结果吻合良好，该模型可用于预制混凝土板式综合管廊的全过程有限元分析。

表1 综合管廊下部节点试件水平承载力Tab.1 Horizontal bearing capacity of joint specimen in lower part of utility tunnel

图5 试件骨架曲线Fig.5 Skeleton curves of the specimen

3 有限元参数分析

基于前一节建立的预制混凝土板拼装综合管廊整体有限元模型，分析了有无腋角、拼缝位置、底板预制构造等因素对管廊整体结构受力性能的影响，为进一步开展预制混凝土板拼装综合管廊整体试件的试验研究提供设计建议。综合管廊整体试件有限元模型参数见表2。

表2 试件参数Tab.2 Specimen parameters

3.1 有无腋角

综合管廊节点的腋角能够增强管廊结构角部抗弯性能并推迟管廊四壁的开裂，腋角对试件的强度、刚度和变形能力有显著影响，为此本文对预制混凝土板式拼装综合管廊整体结构有腋角（PT1）和无腋角（PT2）进行有限元分析。得到整体管廊有无腋角下的混凝土及钢筋应力云图以及荷载-位移曲线，如图6、图7所示。

由图6可知，在水平荷载的作用下有无腋角试件的破坏模式均为壁板与底板拼接处受弯破坏。二者混凝土和钢筋应力云图较为相似，均在左右两侧壁板上部出现应力最大值。但有腋角试件混凝土和钢筋应力较大区域出现在壁板与腋角交界区域附近，无腋角试件混凝土和钢筋应力较大区域出现在壁板与顶板交界区域附近。

图6 有无腋角构件应力云图（单位：MPa）Fig.6 Mises stress of concrete and reinforcement with or without haunch（unit：MPa）

由图7可知，开裂前，腋角对试件刚度的影响不大，试件的荷载-位移曲线基本重合；开裂后，腋角的取消会降低节点的刚度，但不同试件的荷载-位移曲线仍具有基本相同的变化规律。腋角的取消使试件的承载力下降了13%，并且使得试件峰值位移显著变大。

图7 有无腋角骨架曲线Fig.7 Load-displacement curves with or without haunch

3.2 底板构造形式

预制混凝土板式拼装综合管廊可以采用底板预制的构造形式也可以采用底板现浇的构造形式，其中底板预制形式拼缝位于底板上表面以上500mm或300mm，底板现浇形式拼缝位于底板上表面。针对预制混凝土板拼装综合管廊底板预制（模型PT1）、底板现浇（模型PT4）这两种试件进行了有限元分析。得到不同预制构造模型的混凝土及钢筋应力云图以及荷载-位移曲线如图8、图9所示。

图8 不同预制构造构件应力云图（单位：MPa）Fig.8 Mises stress of concrete and reinforcement for different prefabricated construction models（unit：MPa）

图9 不同预制构造骨架曲线Fig.9 Load-displacement curves for different prefabricated construction models

由图8可知，底板预制试件和底板现浇试件的混凝土和钢筋应力云图较为相似，均在左右两侧壁板上部出现应力最大值，且在各自的拼缝位置出现应力集中。由图9可知，与底板预制试件相比，底板现浇试件的承载能力降低了27%，底板现浇试件的峰值位移显著增大，试件荷载-位移曲线较为平缓，下降段不明显。开裂前不同预制构造试件的刚度差别不大，荷载-位移曲线基本重合；开裂后，底板现浇试件的刚度明显低于底板预制试件；底板预制试件的荷载-位移曲线后期承载力下降明显，但底板现浇试件后期承载力下降十分缓慢。

3.3 侧壁与底板拼缝位置

对于预制混凝土板拼装综合管廊整体试件，在相同荷载作用下不同拼缝位置的弯矩、剪力有所不同，因此拼缝位置的不同对管廊整体结构的受力、变形有所影响。本文针对预制混凝土板拼装综合管廊拼缝在底板上表面以上500mm（模型PT2）、拼缝在底板上表面以上300mm（模型PT3）这两种试件进行了有限元分析。不同拼缝位置模型混凝土及钢筋应力云图如图10所示，荷载-位移曲线对比如图11所示。

图10 不同拼缝位置构件应力云图（单位：MPa）Fig.10 Mises stress of concrete and reinforcement for different stitching locations（unit：MPa）

图11 不同拼缝位置骨架曲线Fig.11 Load-displacement curves for different stitching locations

由图10可知，两个整体模型的破坏模式均为壁板与腋角交界处截面受弯破坏，下部拼缝处有明显的变形。不同拼缝位置试件的混凝土和钢筋应力云图较为相似，均在左右两侧壁板上部出现应力最大值，且在各自的拼缝位置出现应力集中。由图11可知，开裂前，不同拼缝位置试件的刚度差别不大，荷载-位移曲线基本重合；开裂后，拼缝位于底板以上500mm试件的刚度稍高于拼缝位于底板以上300mm试件，但其荷载-位移曲线仍具有基本一致的变化规律。不同拼缝位置试件峰值承载能力相差不大，差值在8%以内。

4 结语

通过有限元分析以及试验验证，研究了有无腋角、底板预制和现浇构造、侧壁与底板拼缝位置对预制混凝土板式拼装综合管廊整体结构受力性能的影响。有限元分析结果表明：

1.腋角的存在可以显著提高试件的极限承载力，提高约13%。开裂前腋角对试件刚度的影响不大，开裂后腋角的存在会增加试件的刚度。

2.对于综合管廊整体结构，底板构造的不同对试件的受力和变形影响较大。与底板预制试件相比，底板现浇试件的承载能力降低了27%，

开裂前不同预制构造试件的刚度差别不大，荷载-位移曲线基本重合；开裂后，底板现浇试件的刚度明显低于底板预制试件。

3.对于综合管廊整体结构，拼缝位置的改变对综合管廊节点和整体结构的极限承载力影响不大，极限承载力相差不超过8%。不同拼缝位移的综合管廊整体结构的荷载-位移曲线基本重合或具有基本相同的变化规律。