預制裝配式地下連續(xù)墻橫向連接接頭分析與設(shè)計

陸晨，宋衛(wèi)華，朱蕾 （上海申通地鐵集團有限公司，上海 201103）

0 前言

預制地下連續(xù)墻既可用作基坑圍護結(jié)構(gòu)擋墻又可用作內(nèi)部結(jié)構(gòu)側(cè)墻，可實現(xiàn)設(shè)計標準化、生產(chǎn)工廠化、施工裝配化、質(zhì)量可視化，符合建筑工業(yè)化發(fā)展趨勢。

目前，國內(nèi)預制地下連續(xù)墻有應(yīng)用實例[1-5]，然而裝配式預制地下連續(xù)墻實施案例較少，其結(jié)構(gòu)形式、連接方式等關(guān)鍵技術(shù)尚處于研究和探索中。已有的文獻重點集中于墻幅間豎向分幅連接接頭的研究，而上、下分節(jié)間橫向連接接頭的研究較少。王衛(wèi)東等[6]介紹了一種應(yīng)用于現(xiàn)澆地下連續(xù)墻的預制鋼筋混凝土接頭方樁分節(jié)連接接頭。此接頭采用外貼鋼板連接工藝，然而該做法適合應(yīng)用于長細比較大的桿構(gòu)件，無法直接應(yīng)用于地下連續(xù)墻這種長細比、寬厚比均較大的板構(gòu)件。

預制裝配式地下連續(xù)墻上、下分節(jié)橫向連接節(jié)點的強度、剛度及耐久性等性能直接決定了結(jié)構(gòu)體系的成敗。因此，本文以上海軌道交通某車站附屬結(jié)構(gòu)基坑圍護結(jié)構(gòu)為背景開展預制裝配式地下連續(xù)墻應(yīng)用研究，提出了幾種橫向分節(jié)連接接頭解決方案，并從結(jié)構(gòu)安全性、工作耐久性、施工便捷性等方面進行分析比選，并對橫向分節(jié)連接接頭力學性能進行數(shù)值模擬分析，進一步驗證方案的合理性。

1 橫向分節(jié)連接接頭方案選擇

1.1 橫向分節(jié)連接接頭形式

預制裝配式地下連續(xù)墻橫向分節(jié)連接接頭需滿足以下要求：①滿足基坑圍護結(jié)構(gòu)的安全等級；②滿足基坑圍護結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性；③滿足基坑圍護結(jié)構(gòu)的耐久性。根據(jù)以上要求，并考慮施工可操作性，提出了以下五種連接節(jié)點方案，見圖1～ 圖 5。

圖1顯示的鋼骨連接接頭與圖2顯示的鋼管連接接頭均采用鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)形式，通過確定合理的鋼骨或鋼管截面尺寸及壁厚，能夠滿足接頭承載力及剛度要求。上、下節(jié)預制地下連續(xù)墻構(gòu)件澆筑時預埋鋼骨或鋼管連接接頭，現(xiàn)場安裝時采用栓接或焊接方法將上、下節(jié)構(gòu)件連接，連接接頭四周采用鋼板封堵以形成接頭空腔，采用自密實灌漿料填充以保證連接接頭防水、防腐性能要求，同時，自密實灌漿料填充也可進一步提高連接接頭抗彎性能。

圖1 鋼骨連接接頭方案

圖2 鋼管連接接頭方案

圖3 法蘭連接接頭方案

圖4 螺栓連接接頭方案

圖3顯示的法蘭連接接頭及圖4顯示的螺栓連接接頭參照承插式結(jié)構(gòu)形式，通過合理計算對拉螺栓有效桿徑及工作長度，可滿足接頭承載力及剛度要求。上、下節(jié)預制地下連續(xù)墻構(gòu)件連接接頭位置設(shè)置邊緣約束構(gòu)件以抵抗錨固段因應(yīng)力集中導致的沖切破壞，連接接頭區(qū)段內(nèi)外排鋼筋內(nèi)力由對拉螺栓傳遞，水平剪力由內(nèi)置鋼套管或凹凸型抗剪槽傳遞，邊緣約束構(gòu)件與上下節(jié)預制構(gòu)件整體澆筑成型，現(xiàn)場安裝時在對接端面設(shè)置環(huán)氧樹脂類拼縫膠，上、下節(jié)構(gòu)件錨固段螺栓孔內(nèi)插入對拉螺栓并施加預應(yīng)力將上、下節(jié)構(gòu)件連接，連接接頭對接斷面接縫焊接封閉以保證連接接頭防水、防腐性能要求。

圖5 植筋連接接頭方案

圖5顯示了根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)原理設(shè)計的植筋連接接頭。采取適當?shù)难a強措施可滿足接頭承載力與剛度要求。上、下節(jié)預制地下連續(xù)墻構(gòu)件預留足夠深度植筋孔，連接接頭區(qū)段內(nèi)外側(cè)預埋節(jié)點板埋件，現(xiàn)場安裝時對接端面設(shè)置環(huán)氧樹脂類拼縫膠，上、下節(jié)構(gòu)件植筋孔內(nèi)注入植筋膠，插入連接鋼筋依靠構(gòu)件自重使上、下節(jié)構(gòu)件接縫吻合，焊接連接接頭區(qū)段內(nèi)外側(cè)節(jié)點板以進一步提高連接接頭彎剪性能。

1.2 橫向分節(jié)連接接頭對比研究

對上述五種預制裝配式地下連續(xù)墻橫向分節(jié)連接接頭的設(shè)計合理性、制作簡易性、安裝便捷性等性能進行分析比選，以選擇最可行方案。

①強度方面，五種連接接頭均能夠依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范進行分析計算實現(xiàn)等強度連接。

②剛度方面，鋼骨連接接頭、鋼管連接接頭屬于完全剛性連接，工作階段變形能夠與墻體構(gòu)件整體變形協(xié)調(diào)；植筋連接接頭屬于半剛性連接，工作階段可能發(fā)生相對墻體構(gòu)件較小轉(zhuǎn)動變形；法蘭連接接頭、螺栓連接接頭屬于鉸鏈連接，工作階段將會發(fā)生相對墻體構(gòu)件較大轉(zhuǎn)動變形出現(xiàn)V形張口。

③鋼材用量及制作要求方面，鋼骨接頭與鋼管接頭用鋼量相當而鋼骨接頭加工更加簡單，法蘭接頭用鋼量大且加工復雜，螺栓接頭、植筋接頭用鋼量小且加工簡單。

④連接形式及可靠系數(shù)方面，植筋接頭受植筋孔成活率、錯孔率及植筋膠填充度等不確定性影響因素較大其可靠性較低，其余四種連接接頭采用高強螺栓或電焊連接其可靠性較高。

⑤安裝精度及時間方面，植筋接頭精度調(diào)節(jié)冗余度較低且孔位對接時間長，鋼管接頭精度調(diào)節(jié)冗余度較高且對接焊接時間長，其余三種連接接頭精度調(diào)節(jié)冗余度較高且螺栓安裝時間較短。

⑥止水措施方面，鋼骨接頭與鋼管接頭外側(cè)采用鋼板封閉，空腔內(nèi)進行填充注漿可有效保證接頭止水性能，其他三種接頭接頭端面涂結(jié)構(gòu)密封膠并輔以其他措施，但因其非完全剛性連接，接頭發(fā)生轉(zhuǎn)動變形后容易出現(xiàn)開口而影響接頭止水性能。

根據(jù)上述分析，將各連接接頭性能進行對比，如表1所示。

根據(jù)對比分析，鋼骨連接接頭最符合“結(jié)構(gòu)安全性、工作耐久性、施工便捷性”的要求，因此針對鋼骨連接接頭開展進一步研究分析。

連接接頭性能對比分析 表1

2 橫向分節(jié)連接接頭力學性能數(shù)值模擬分析

2.1 研究背景

以上海軌道交通某車站附屬圍護結(jié)構(gòu)為背景展開預制裝配式地下連續(xù)墻分析研究。該附屬基坑一般開挖深度10m，采用590mm厚地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)，自上而下設(shè)置一道混凝土支撐及兩道鋼支撐。坑底以上以粉質(zhì)黏土為主，坑底位于淤泥質(zhì)黏土層，墻趾位于黏土層。本項目預制裝配式地下連續(xù)墻采用鋼骨連接接頭方案，通過在上、下節(jié)預制構(gòu)件預埋H型鋼，現(xiàn)場安裝時H型鋼翼緣及腹板均高強螺栓連接，利用鋼板對拼接接頭進行封閉，并對內(nèi)部進行注漿填充。根據(jù)預制裝配式地下連續(xù)墻內(nèi)力包絡(luò)計算確定橫向連接接頭H型鋼鋼骨規(guī)格尺寸為 350mm×300mm×15mm×20mm，H型鋼鋼骨錨固段取2倍預制構(gòu)件厚度，H型鋼鋼骨連接段長500mm。

2.2 橫向分節(jié)連接接頭數(shù)值分析

為了分析鋼骨連接接頭預制構(gòu)件的受力性能，評價方案的合理性，利用有限元程序ABAQUS進行接觸模型的非線性分析，將帶鋼骨連接接頭預制構(gòu)件（以下簡稱SCW試件）受力性能與不帶連接接頭預制構(gòu)件（以下簡稱C試件）受力性能分析比較，以判斷方案可行性。

同時，對比分析帶鋼骨連接接頭空腔段不填充（SCW試件）與帶鋼骨連接接頭空腔段填充（以下簡稱SCWF試件）力學性能差異，以分析鋼骨接頭空腔段注漿填充處理后對鋼骨連接接頭承載能力以及剛度的貢獻程度。

2.2.1 分析模型建立

圖6 雙線性隨動強化本構(gòu)

圖7 混凝土受壓塑性段本構(gòu)

圖8 混凝土受拉塑性段本構(gòu)

圖9 不帶鋼骨連接接頭（C試件）實體

圖10 不帶鋼骨連接接頭（C試件）鋼筋

圖11 帶鋼骨連接接頭（SCW試件）實體

圖12 帶鋼骨連接接頭（SCW試件）鋼筋

圖13 帶鋼骨連接接頭（SCWF試件）實體

圖14 帶鋼骨連接接頭（SCWF試件）鋼筋

模型中鋼筋、鋼材、栓釘、螺栓的單軸本構(gòu)關(guān)系采用服從相關(guān)流動法則及mises屈服準則的雙線性隨動強化本構(gòu)模型，材料應(yīng)力應(yīng)變曲線采用單向拉伸試驗實測值，其關(guān)系式如圖6所示。

混凝土采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010）中提供的混凝土標準應(yīng)力應(yīng)變曲線模擬混凝土的非線性行為，采用ABAQUS提供的塑性損傷模型（CDP）來模擬，取塑性段的材料模型如圖7和圖8所示。

混凝土、H型鋼、螺栓、栓釘、端板及連接板部分均采用三維八節(jié)點線性實體單元C3D8R模擬，鋼筋則采用兩節(jié)點線性桁架單元T3D2單元模擬，鋼筋和嵌入混凝土中的H型鋼采用embed連接方式，即不考慮鋼筋和型鋼與混凝土之間的粘結(jié)滑移，栓釘與H型鋼的上下翼緣tie連接。

2.2.2 模型分析結(jié)果

本次分析采用位移增量加載的模式來求解結(jié)構(gòu)的極限承載力，并以有限元計算不收斂作為達到極限破壞狀態(tài)的判斷標準。不同試件的位移-荷載曲線如圖15所示。

由圖15可知，與C試件相比，SCW試件彈塑性范圍內(nèi)剛度有所損失而承載力有較大提高，但能夠滿足試驗構(gòu)件承載力及變形設(shè)計要求，SCWF試件彈塑性范圍內(nèi)剛度及承載力均有大幅度提高。

圖15 試件位移-荷載曲線匯總圖

各試件加載至15mm位移時，混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力及鋼骨應(yīng)力情況如圖16～圖26所示。

從混凝土應(yīng)力分析結(jié)果可判斷，SCW試件與SCWF試件均存在局部剛度突變引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但SCW試件最大應(yīng)力發(fā)生在跨中區(qū)域且與C試件應(yīng)力狀態(tài)趨于一致；而SCWF試件最大應(yīng)力發(fā)生在鋼骨錨固端部且跨中區(qū)域應(yīng)力大于C試件與SCW試件。

從下排鋼筋應(yīng)力分析結(jié)果可判斷，SCW試件鋼骨先于下排鋼筋屈服而SCWF試件鋼骨后于下排鋼筋屈服；而C試件與SCWF試件下排鋼筋屈服形態(tài)趨于一致。

從1m處箍筋分析結(jié)果可判斷，SCW試件與SCWF試件1m處箍筋應(yīng)力明顯小于C試件1m處箍筋應(yīng)力，SCW試件與SCWF試件剪應(yīng)力主要由鋼骨承擔。

圖16 C試件混凝土應(yīng)力云圖

圖17 C試件下排鋼筋應(yīng)力云圖

圖18 SCW試件混凝土應(yīng)力云圖

圖19 SCW試件下排鋼筋應(yīng)力云圖

圖20 SCW試件混凝土應(yīng)力云圖

圖21 SCWF試件下排鋼筋應(yīng)力云圖

圖22 C試件支座1m處箍筋應(yīng)力云圖

圖23 SCW試件支座1m處箍筋應(yīng)力云圖

圖24 SCWF試件支座1m處箍筋應(yīng)力云圖

圖25 試件SCW連接接頭鋼骨應(yīng)力云圖

圖26 試件SCWF連接接頭鋼骨應(yīng)力云圖

從鋼骨連接接頭分析結(jié)果可判斷，鋼骨連接接頭采用摩擦型高強螺栓連接方式，荷載作用下SCW試件鋼骨與連接板間拉壓力大于摩擦力后發(fā)生相對滑移，高強螺栓抵住螺栓孔后鋼板受壓屈服，而SCWF試件鋼骨與連接板被注漿填充料包裹未發(fā)生相對滑移，鋼骨錨固端部應(yīng)力集中出現(xiàn)屈服。

3 結(jié)論

本文以上海軌道交通某車站附屬圍護結(jié)構(gòu)為背景開展預制裝配式地下連續(xù)墻應(yīng)用研究，從結(jié)構(gòu)安全性、工作耐久性、施工便捷性等方面進行分析比選，提出預制裝配式地下連續(xù)墻鋼骨連接橫向接頭方案，并采用數(shù)值模擬方法，對鋼骨連接水平接頭力學性能進行分析，得到如下結(jié)論：

①本文提出的鋼骨連接橫向連接接頭方案，能夠解決大深度預制裝配式地下連續(xù)墻運輸及安裝問題，同時通過合理構(gòu)造設(shè)計，可滿足橫向連接接頭抗?jié)B性能及耐久性能要求；

②鋼骨連接接頭空腔段若不注漿填充，與無接頭預制構(gòu)件相比，彈塑性范圍內(nèi)剛度有所損失而承載力有較大提高，但能夠滿足構(gòu)件承載力及剛度要求；

③鋼骨連接接頭空腔段注漿填充后，其承載力及剛度均大于不帶鋼骨連接接頭預制構(gòu)件，同時鋼骨及連接板內(nèi)力分配明顯降低，可充分考慮鋼骨對構(gòu)件整體抗彎剛度的貢獻。