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      地下結(jié)構(gòu)閉腔薄壁預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

      2022-04-20 01:55:02黃美群
      隧道建設(shè)(中英文) 2022年3期
      關(guān)鍵詞:翼緣板肋板空腔

      黃美群

      (1. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司, 北京 100037; 2. 城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國(guó)家工程研究中心, 北京 100037)

      0 引言

      建筑結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配技術(shù)是綠色建造技術(shù)的發(fā)展方向,是工業(yè)化建造模式的核心。經(jīng)過(guò)近10年的研究和應(yīng)用,我國(guó)軌道交通地鐵車(chē)站裝配式結(jié)構(gòu)建造技術(shù)取得了一定的成績(jī),目前已在國(guó)內(nèi)長(zhǎng)春、青島和深圳等多個(gè)城市得到應(yīng)用推廣。閉腔薄壁構(gòu)件是為解決大型地鐵車(chē)站裝配式結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件體量大、運(yùn)輸和吊裝困難等問(wèn)題而研發(fā)的輕量化結(jié)構(gòu)構(gòu)件,應(yīng)用后可顯著減輕構(gòu)件重量、減少混凝土用量和降低工程造價(jià)[1-2]。

      矩形實(shí)體混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件構(gòu)造簡(jiǎn)單、制作方便,但在受彎破壞時(shí),受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂退出工作,使得這些部位的混凝土不能再發(fā)揮承載作用; 同時(shí),越是靠近中性軸部位的混凝土,其所發(fā)揮的抗彎承載作用就越小。將上述對(duì)抗彎無(wú)貢獻(xiàn)或抗彎作用較小、位于截面核心區(qū)域附近的混凝土去除,在較少或基本不削弱構(gòu)件承載能力的同時(shí),可以達(dá)到構(gòu)件輕量化的目的。實(shí)際工程中最為常見(jiàn)的輕量化構(gòu)件有預(yù)制T形、工形、∏形、箱形等構(gòu)件,這些輕量化構(gòu)件在地面建筑和橋梁工程中應(yīng)用廣泛,地面建筑的預(yù)制圓孔板也是典型的輕量化構(gòu)件。

      閉腔薄壁預(yù)制構(gòu)件是在矩形截面混凝土構(gòu)件中心應(yīng)力水平較低的部位設(shè)置若干個(gè)封閉的空腔體,形成由上翼緣、下翼緣、邊縱肋、中縱肋、橫隔板及端頭板等薄壁板肋組成的構(gòu)件[3-4],其空腔截面類(lèi)似于箱形,示意見(jiàn)圖1。

      (a) 縱斷面(底板結(jié)構(gòu))

      (b) 橫截面

      長(zhǎng)春地鐵裝配式車(chē)站為明挖地下2層單拱大跨隧道結(jié)構(gòu),寬20.5 m、高17.45 m,襯砌結(jié)構(gòu)由7塊環(huán)寬2 m的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件組成,全部構(gòu)件采用閉腔薄壁預(yù)制構(gòu)件。單環(huán)結(jié)構(gòu)總質(zhì)量292.5 t,總體積144 m3,其中,空腔體積27 m3,空腔率為18.75%,輕量化效果顯著[5]。長(zhǎng)春地鐵裝配式車(chē)站結(jié)構(gòu)及閉腔薄壁構(gòu)件示意見(jiàn)圖2。

      (a) 車(chē)站結(jié)構(gòu) (b) 閉腔薄壁構(gòu)件

      輕量化設(shè)計(jì)的必要性顯而易見(jiàn)。然而,裝配式地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)體系龐大、復(fù)雜,并承受巨大的水土荷載作用。構(gòu)件尺度大、配筋率高,是典型的偏心受壓構(gòu)件,且在構(gòu)件不同部位呈現(xiàn)雙向彎曲的受力特性,構(gòu)件橫截面上、下均需要有效抵抗正、負(fù)彎矩作用,并滿足配筋需要;與此同時(shí),還需要考慮每個(gè)預(yù)制構(gòu)件四周環(huán)向和縱向接頭的可靠連接和接縫密封防水性能,因此,地鐵裝配式車(chē)站結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)難度較大。研究發(fā)現(xiàn),閉腔薄壁構(gòu)件不僅輕量化效果顯著,而且力學(xué)性能優(yōu)良,是實(shí)現(xiàn)大型裝配式地下結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)很好的解決方案。

      閉腔薄壁構(gòu)件在地下結(jié)構(gòu)中的研究和應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外尚屬首例,本文結(jié)合理論研究和實(shí)際工程應(yīng)用情況,針對(duì)大型地鐵車(chē)站裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì)要點(diǎn)及閉腔薄壁構(gòu)件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述。

      1 地下結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì)

      明挖裝配式車(chē)站等地下結(jié)構(gòu)型式可以是單拱大跨結(jié)構(gòu),也可以是矩形框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)裝配式結(jié)構(gòu)型式及拆分要求,預(yù)制構(gòu)件可為直線形、弧形、折線形、T字形等多種型式,構(gòu)件尺度大小需要滿足制作工藝、吊運(yùn)條件、拼裝工藝及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求,并需要符合模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求。

      預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)基于裝配式地下結(jié)構(gòu)的受力特性、接頭構(gòu)造、接縫防水、結(jié)構(gòu)耐久性等要求,進(jìn)行多方案的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性比選。

      1.1 優(yōu)化截面型式

      大型裝配式地下結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí),可選擇的截面型式主要有閉腔薄壁和∏形等型式,其示意見(jiàn)圖3。構(gòu)件迎土側(cè)應(yīng)設(shè)置翼緣板,以形成擋水、擋土的封閉式襯砌結(jié)構(gòu);構(gòu)件縱向應(yīng)設(shè)置縱向邊肋,以滿足構(gòu)件縱向接頭和接縫防水的構(gòu)造要求;構(gòu)件端頭應(yīng)設(shè)置端頭板,以滿足構(gòu)件環(huán)向接頭和接縫防水的構(gòu)造要求。

      (a) 閉腔薄壁截面 (b) ∏形截面

      另外,在2個(gè)邊縱肋之間,根據(jù)翼緣板的寬度和翼緣板的承載性要求可設(shè)置中縱肋。沿構(gòu)件縱向,可根據(jù)構(gòu)件長(zhǎng)度及縱肋的局部穩(wěn)定性要求,設(shè)置一定間距的橫隔板。為適應(yīng)地下結(jié)構(gòu)正負(fù)彎曲雙向作用,在構(gòu)件背土側(cè)設(shè)置另一側(cè)翼緣板,這樣便形成了由上下翼緣、邊縱肋、端頭板等薄壁結(jié)構(gòu)組成的閉腔薄壁構(gòu)件(如圖1所示)。

      ∏形構(gòu)件(見(jiàn)圖3(b))僅設(shè)置1道翼緣板,為滿足正負(fù)彎曲雙向作用的要求,需要加大邊縱肋板的厚度。∏形預(yù)制構(gòu)件裸裝修時(shí),可表現(xiàn)出其獨(dú)特的建筑裝飾效果,可在車(chē)站等地下工程的頂拱或頂板結(jié)構(gòu)中采用。圖4為∏形預(yù)制構(gòu)件裝配式地鐵車(chē)站站廳層效果圖。

      圖4 ∏形預(yù)制構(gòu)件裝配式地鐵車(chē)站站廳層效果圖

      一般情況,T形和工形截面的翼緣板厚度較薄,較難滿足接頭設(shè)置的要求,尤其是T形構(gòu)件,對(duì)于雙向受彎的地下結(jié)構(gòu),不能較好地發(fā)揮其承載性能。因此裝配式地下結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)不建議采用T形或工形等截面型式的構(gòu)件。

      1.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)組合

      采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)或鋼-混組合結(jié)構(gòu)等型式,對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化組合,是混凝土構(gòu)件輕量化的有效途徑,在地面建筑及地下工程的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。但作為地下工程的襯砌結(jié)構(gòu),應(yīng)采取措施確保結(jié)構(gòu)的耐久性; 同時(shí)組合結(jié)構(gòu)的造價(jià)較高,需要論證其經(jīng)濟(jì)性。

      1.3 提高材料性能

      選用高性能材料是達(dá)到構(gòu)件輕量化要求的另一途徑。提升材料性能,例如采用高強(qiáng)度混凝土材料、采用鋼結(jié)構(gòu)等,在滿足同等承載能力條件下,可有效降低構(gòu)件質(zhì)量。雖然采用低容重混凝土材料能夠有效降低混凝土結(jié)構(gòu)的容重,例如輕骨料混凝土、多孔性混凝土等,但這些材料脆性大,一般只適用于房屋墻板、軌頂風(fēng)道等受荷較小的內(nèi)部結(jié)構(gòu),而不適用于地下承載結(jié)構(gòu),尤其是襯砌結(jié)構(gòu)。

      2 閉腔薄壁構(gòu)件力學(xué)性能研究

      閉腔薄壁構(gòu)件形式復(fù)雜,故在受力后的傳力途徑也相對(duì)復(fù)雜; 同時(shí),空腔大小及各主要部件的構(gòu)造參數(shù)對(duì)構(gòu)件的力學(xué)性能影響也較大。為此,對(duì)裝配式地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)工程中采用的閉腔薄壁構(gòu)件力學(xué)性能進(jìn)行了深入研究,其研究成果對(duì)閉腔薄壁構(gòu)件截面設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

      2.1 截面剪力滯效應(yīng)

      2.1.1 基本概念

      初等梁理論中,截面應(yīng)變符合平截面假定。構(gòu)件彎曲后,鋼筋應(yīng)變與混凝土的應(yīng)變相同。截面各點(diǎn)應(yīng)變與該點(diǎn)到中性軸的距離成正比,即離中性軸同一距離的截面正應(yīng)力沿梁寬度方向是相等的。對(duì)于帶有梁肋的T形梁、工形梁、∏形梁或箱形梁等構(gòu)件,在受彎作用下產(chǎn)生內(nèi)力和變形,是通過(guò)梁肋的剪切變形傳遞給翼板; 而剪應(yīng)變?cè)谙蛞砭壈鍍?nèi)橫向傳遞的過(guò)程中是不均勻的,使得翼緣板的正應(yīng)力隨著離梁肋的距離增加而減小,這種現(xiàn)象被稱為“剪力滯后”,簡(jiǎn)稱剪力滯效應(yīng)[6-9]。

      2.1.2 工程界研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

      在建筑和橋梁工程領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)剪力滯效應(yīng)進(jìn)行了大量研究。衡量剪力滯效應(yīng)大小的主要指標(biāo)是剪力滯系數(shù)(考慮剪力滯效應(yīng)時(shí)的翼緣板正應(yīng)力與按初等梁理論求得的翼板正應(yīng)力之比)。剪力滯系數(shù)與梁的跨寬比、截面形式和尺寸、截面在跨內(nèi)所處位置等因素有關(guān),通常應(yīng)力峰值大于按初等梁理論計(jì)算出來(lái)的值。如果工程設(shè)計(jì)時(shí)忽略剪力滯后效應(yīng)的影響,可能導(dǎo)致梁截面的破壞。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,國(guó)內(nèi)外早年的橋梁工程中出現(xiàn)過(guò)不少因?qū)袅笮?yīng)考慮不周、不能滿足翼緣板的承載力要求而出現(xiàn)裂縫,造成橋梁的失穩(wěn)和局部破壞的現(xiàn)象[6]。

      工程界在對(duì)各種帶肋梁的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上提出了受壓區(qū)翼緣“有效計(jì)算寬度”的概念,即將翼緣實(shí)際寬度折減為有效計(jì)算寬度,并假定在有效寬度范圍內(nèi)應(yīng)力均勻分布,有效寬度以外的翼緣不起作用,使有效寬度按初等梁理論算得的應(yīng)力值和實(shí)際的峰值接近,以滿足翼緣板承載力的要求,確保結(jié)構(gòu)的安全。目前,這種翼緣“有效計(jì)算寬度”的方法已被各國(guó)規(guī)范廣泛采用[10-11]。

      2.1.3 閉腔薄壁構(gòu)件剪力滯效應(yīng)分析

      2.1.3.1 剪力滯系數(shù)

      地下結(jié)構(gòu)與建筑或橋梁工程的受力環(huán)境及荷載作用特性不同,尤其是應(yīng)用于裝配式地下結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件,應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)受力、接頭構(gòu)造、防水性能等要求,且所確定的閉腔薄壁構(gòu)件在構(gòu)造形式和尺寸方面與橋梁工程的箱型梁結(jié)構(gòu)存在一定的差別。為進(jìn)一步探討這一帶肋閉腔薄壁構(gòu)件的力學(xué)行為特性,以長(zhǎng)春地鐵裝配式車(chē)站結(jié)構(gòu)為例,選取3環(huán)實(shí)際裝配式車(chē)站結(jié)構(gòu),建立地層-結(jié)構(gòu)三維連續(xù)介質(zhì)模型進(jìn)行整體有限元分析,研究每塊構(gòu)件不同部位的截面在實(shí)際荷載作用下的內(nèi)應(yīng)力分布特征[3-5]。

      研究發(fā)現(xiàn),閉腔薄壁構(gòu)件在偏心受壓作用下,上下翼緣的正應(yīng)力在橫截面的分布不均勻,與肋板交匯處大、中部小,存在典型的剪力滯效應(yīng),截面應(yīng)力峰值較初等梁理論計(jì)算值有所放大,最大正剪力滯系數(shù)為1.01~1.11。閉腔薄壁構(gòu)件截面正應(yīng)力分布示意如圖5所示。

      2.1.3.2 影響剪力滯效應(yīng)的主要因素

      對(duì)于裝配式車(chē)站結(jié)構(gòu),構(gòu)件構(gòu)造、截面位置、截面幾何特征及軸力大小作用等是影響剪力滯效應(yīng)的主要因素。

      圖5 閉腔薄壁構(gòu)件截面正應(yīng)力分布示意圖(顯示比例放大后效果)(單位: MPa)

      1)構(gòu)件形式和位置。長(zhǎng)春地鐵裝配式車(chē)站整個(gè)襯砌結(jié)構(gòu)共7塊構(gòu)件。其中,底板和側(cè)墻構(gòu)件基本為直構(gòu)件,其最大正剪力滯系數(shù)為1.01~1.08,以1.05左右為主,整體變化幅度不大;頂拱塊最大正剪力滯系數(shù)為1.01~1.66,以1.02左右為主,主要為壓應(yīng)力。位于拱腳處的截面,內(nèi)外剪力滯系數(shù)均較大,且范圍很小,分析其主要原因是接近支座范圍的局部應(yīng)力集中明顯而導(dǎo)致應(yīng)力的跳躍??梢钥闯?,整個(gè)裝配式結(jié)構(gòu),除個(gè)別截面外,各構(gòu)件的剪力滯系數(shù)基本為1.01~1.05,截面應(yīng)力基本接近初等梁理論計(jì)算值,剪力滯效應(yīng)整體較弱。

      2)縱向肋板的凈距??v向肋板的凈距對(duì)剪力滯效應(yīng)影響較大,凈距越大,剪力滯效應(yīng)越明顯。當(dāng)縱肋凈距達(dá)到660 mm時(shí),截面正應(yīng)力峰值接近初等梁理論計(jì)算值; 超過(guò)這一臨界值時(shí),剪力滯效應(yīng)逐漸加大。對(duì)于2.0 m環(huán)寬的實(shí)際構(gòu)件,兩邊縱肋的凈距為1.494 m,在其中間部位設(shè)置厚度為200 mm的中縱肋后,則邊縱肋與中縱肋的凈距為647 mm,略小于660 mm的臨界值,剪力滯效應(yīng)比較微弱。

      3)截面位置。構(gòu)件接近支座的空腔截面較中部的空腔截面剪力滯效應(yīng)明顯,例如拱頂?shù)墓澳_部位、底板的墻角部位及側(cè)墻的中樓板部位等,這些部位因支座效應(yīng)的存在,導(dǎo)致局部應(yīng)力集中,因而其空腔截面的表觀剪力滯效應(yīng)較明顯。實(shí)際工程中應(yīng)盡量避開(kāi)在支座位置設(shè)置空腔截面,或通過(guò)加大翼緣板的厚度來(lái)消除或減弱剪力滯效應(yīng)。

      4)軸力作用。純受彎構(gòu)件較偏心受壓構(gòu)件的剪力滯效應(yīng)明顯,顯示出軸力對(duì)改善截面剪力滯效應(yīng)有一定的作用。

      總體來(lái)看,地鐵車(chē)站裝配式結(jié)構(gòu)閉腔薄壁構(gòu)件與橋梁工程的箱形梁相比,剪力滯效應(yīng)影響程度相對(duì)較弱。主要原因有: 閉腔薄壁構(gòu)件為整體封閉式截面,翼緣板無(wú)外挑; 設(shè)置了中縱肋; 間隔一定的距離設(shè)置了橫隔板;在接頭端頭和支座處采用了實(shí)心截面; 增加大拱腳支座附近的翼緣板厚度,這些構(gòu)造特征可有效降低截面剪力滯效應(yīng)。另外,所有構(gòu)件都在巨大的圍巖壓力作用下產(chǎn)生較大的軸力作用,因此剪力滯效應(yīng)減弱。

      2.2 截面剪應(yīng)力分布規(guī)律

      我國(guó)現(xiàn)行GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]規(guī)定,T形、工形截面的鋼筋混凝土受彎和偏心受壓構(gòu)件,受剪截面計(jì)算寬度為腹板寬度,計(jì)算高度為截面有效高度,即規(guī)定T形、工形截面的剪應(yīng)力100%由腹板承擔(dān)(含腹板與翼緣板的相交部位)。國(guó)內(nèi)有不少學(xué)者在這方面做過(guò)相關(guān)研究[12-14]。

      對(duì)于閉腔薄壁構(gòu)件,研究發(fā)現(xiàn),在剪力作用下剪應(yīng)力出現(xiàn)了與T形和工形截面相同的分布規(guī)律。其剪應(yīng)力主要分布于3條縱肋上,其中,2條邊縱肋承擔(dān)的剪力各約占32%,中縱肋承擔(dān)的剪力約占36%,全截面剪應(yīng)力100%由縱肋板承擔(dān)。典型斷面剪應(yīng)力分布如圖6所示[5]。

      (a) 理論直構(gòu)件剪應(yīng)力分布 (b) 實(shí)際構(gòu)件剪應(yīng)力分布

      2.3 構(gòu)造參數(shù)對(duì)構(gòu)件的力學(xué)性能影響

      閉腔薄壁構(gòu)件結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜,為此建立三維實(shí)體模型,對(duì)構(gòu)件不同部位的構(gòu)造參數(shù),包括翼緣、縱肋、橫隔板、端頭板的尺寸和構(gòu)造及空腔率等,對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響進(jìn)行研究[3-5]。

      2.3.1 翼緣、縱肋及橫隔板厚度的影響

      當(dāng)翼緣板厚度達(dá)到200 mm時(shí),翼緣的應(yīng)力趨于穩(wěn)定; 縱肋的設(shè)置和尺寸不僅對(duì)截面抗剪性能影響大,而且影響截面剪力滯效應(yīng); 橫隔板對(duì)控制閉腔薄壁的畸變作用明顯。

      2.3.2 構(gòu)件端頭板厚度的影響

      構(gòu)件端頭板的設(shè)置意義重大,端頭板直接與環(huán)向接頭連接,是構(gòu)件軸力和彎矩的重要傳遞部位,其厚度即端頭實(shí)心段的長(zhǎng)度應(yīng)能確保實(shí)心截面與空腔截面之間應(yīng)力的完整過(guò)渡。研究發(fā)現(xiàn),端頭板的厚高比不宜小于0.43。

      2.3.3 內(nèi)部空腔率的影響

      閉腔薄壁構(gòu)件內(nèi)部設(shè)置空腔是構(gòu)件輕量化的主要手段,但空腔的大小直接影響構(gòu)件的應(yīng)力水平,合理確定空腔率是必要的。通過(guò)各種形式多工況的數(shù)值分析可知,閉腔薄壁構(gòu)件的經(jīng)濟(jì)空腔率不宜大于20%[3]。

      3 閉腔薄壁構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

      3.1 閉腔薄壁構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算分析

      3.1.1 基本原則

      對(duì)于特殊的閉腔薄壁構(gòu)件,在結(jié)構(gòu)整體作用效應(yīng)分析時(shí)需要考慮構(gòu)件的薄壁及閉腔空間效應(yīng),因此建議采用實(shí)體單元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。同時(shí),應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞路徑和接頭傳力效應(yīng)對(duì)構(gòu)件不同部位橫截面應(yīng)力的影響,并根據(jù)應(yīng)力分布特征合理確定各關(guān)鍵部位的構(gòu)造尺寸,必要時(shí)應(yīng)對(duì)各薄壁板肋結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部受力和穩(wěn)定性驗(yàn)算。

      3.1.2 正截面承載力計(jì)算

      裝配式車(chē)站等地下結(jié)構(gòu)的閉腔薄壁構(gòu)件是典型的偏心受壓構(gòu)件,且存在一定的截面剪力滯效應(yīng),設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需要考慮其影響。

      我國(guó)現(xiàn)行GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]沒(méi)有對(duì)箱形截面的承載力計(jì)算給出規(guī)定,可將箱形截面轉(zhuǎn)化為工形截面。規(guī)范[10]規(guī)定,工形截面偏心受壓構(gòu)件的受壓區(qū)翼緣寬度可采用有效翼緣計(jì)算寬度進(jìn)行正截面承載力計(jì)算。針對(duì)上述的長(zhǎng)春地鐵裝配式結(jié)構(gòu)閉腔薄壁構(gòu)件,根據(jù)規(guī)范計(jì)算結(jié)果,有效翼緣計(jì)算寬度均大于實(shí)際構(gòu)件的翼緣寬度。

      我國(guó)現(xiàn)行JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]給出了箱形截面梁在腹板兩側(cè)上、下翼緣有效寬度的計(jì)算方法。參考本規(guī)范規(guī)定,對(duì)上述同樣的閉腔薄壁構(gòu)件進(jìn)行翼緣有效寬度計(jì)算,翼緣有效寬度的計(jì)算系數(shù)為1.0~1.15,大于1.0。

      以上規(guī)范計(jì)算結(jié)果表明,閉腔薄壁構(gòu)件采用受壓區(qū)翼緣有效寬度計(jì)算法時(shí),均可按實(shí)際寬度計(jì)算。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,一般不用具體計(jì)算每個(gè)截面的剪力滯,可以通過(guò)研究并認(rèn)識(shí)到剪力滯效應(yīng)影響后,采用有效寬度的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算,以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

      鑒于隧道承載結(jié)構(gòu)的受力環(huán)境、荷載特點(diǎn)、力學(xué)行為特征、構(gòu)造要求等一系列因素均與各規(guī)范給出的邊界條件存在較大的不同,適用性存在一定的偏差,即閉腔薄壁構(gòu)件剪力滯效應(yīng)影響的客觀存在,且影響程度相對(duì)較弱,建議在結(jié)構(gòu)正截面承載力計(jì)算時(shí),截面應(yīng)力或彎矩可以按初等梁理論的計(jì)算結(jié)果乘以剪力滯系數(shù)來(lái)近似考慮剪力滯效應(yīng)的影響。

      3.1.3 斜截面承載力計(jì)算

      抗剪承載能力設(shè)計(jì)應(yīng)考慮閉腔薄壁構(gòu)件截面剪力分布特征,可按縱向板肋承載100%的剪力設(shè)計(jì)值進(jìn)行斜截面承載力設(shè)計(jì)計(jì)算。

      3.1.4 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

      閉腔薄壁構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)的裂縫控制驗(yàn)算和撓度驗(yàn)算應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

      3.2 內(nèi)部空腔設(shè)置

      預(yù)制構(gòu)件在生產(chǎn)過(guò)程中,可在鋼筋籠內(nèi)設(shè)置若干獨(dú)立的輕質(zhì)材料芯模,澆筑混凝土后形成閉腔薄壁構(gòu)件; 芯膜與鋼筋籠之間應(yīng)設(shè)置墊塊,滿足鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度要求。綜合研究成果,內(nèi)部空腔可參考如下規(guī)則設(shè)置:

      1)在構(gòu)件橫截面方向的空腔長(zhǎng)度不宜大于800 mm,且橫截面空腔率(空腔面積/外輪廓面積×100%)不宜大于30%。

      2)構(gòu)件縱斷面方向空腔長(zhǎng)度不宜大于3.0 m,且構(gòu)件整體空腔率(空腔體積/外輪廓體積×100%)不宜大于20%。

      3)內(nèi)部空腔周邊宜設(shè)置圓順的倒角,且倒角圓弧半徑不宜小于100 mm; 當(dāng)內(nèi)腔空間尺寸較大時(shí),倒角圓弧半徑宜加大。

      3.3 翼緣板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      上下翼緣板是閉腔薄壁構(gòu)件最重要的抗彎結(jié)構(gòu),上下翼緣板的外邊緣縱向受力鋼筋應(yīng)根據(jù)截面極限狀態(tài)計(jì)算配置,臨近空腔的內(nèi)邊緣縱向鋼筋可按翼緣板構(gòu)造配置,配筋率不宜小于0.3%。

      除應(yīng)進(jìn)行構(gòu)件整體計(jì)算分析外,還應(yīng)根據(jù)上下翼緣板的實(shí)際荷載作用狀況進(jìn)行翼緣板局部承載力驗(yàn)算。

      雖然截面剪力100%均由縱向肋板承擔(dān),但考慮到翼緣板的局部承載作用,以及各縱肋結(jié)構(gòu)的整體性,應(yīng)在翼緣板全截面設(shè)置至少1層封閉套箍,且內(nèi)外縱向鋼筋之間可設(shè)置單支拉結(jié)筋。

      鑒于地下結(jié)構(gòu)的作用特點(diǎn)及防水性能要求,迎土側(cè)翼緣板的厚度不宜小于250 mm。

      3.4 縱向肋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      縱向肋板是閉腔薄壁構(gòu)件的重要組成部分,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下:

      1)縱向肋板結(jié)構(gòu)在進(jìn)行構(gòu)件整體計(jì)算分析的基礎(chǔ)上,應(yīng)根據(jù)構(gòu)件縱向空腔長(zhǎng)度及內(nèi)力作用進(jìn)行局部穩(wěn)定性驗(yàn)算。

      2)縱向肋板應(yīng)滿足截面抵抗軸力、彎矩和剪力作用要求,縱向肋板的厚度不宜小于200 mm。

      3)縱向肋板與翼緣板重疊范圍的縱向鋼筋依據(jù)翼緣板所需受力鋼筋配置,翼緣板以外的側(cè)面縱向鋼筋可按構(gòu)造配置,配筋率不宜小于0.3%。

      4)縱向肋板應(yīng)按承載100%的剪力設(shè)計(jì)值進(jìn)行斜截面抗剪承載力設(shè)計(jì)計(jì)算和配置箍筋,并應(yīng)按肋板全截面設(shè)置至少1層封閉套箍,兩側(cè)縱向鋼筋之間可設(shè)置單支拉結(jié)筋。

      5)縱向肋板的封閉套箍應(yīng)與翼緣板的封閉箍筋交叉重疊,滿足鋼筋籠整體穩(wěn)定性要求,如圖7所示。

      6)中縱肋應(yīng)根據(jù)構(gòu)件橫截面大小、橫向空腔尺度要求及構(gòu)件的受力要求進(jìn)行設(shè)置,可以不設(shè)置或設(shè)置多道。

      圖7 空腔截面翼緣、縱肋箍筋及拉結(jié)筋布置示意圖

      3.5 橫隔板設(shè)計(jì)

      橫隔板應(yīng)根據(jù)構(gòu)件縱向長(zhǎng)度、縱向肋板的受力穩(wěn)定性要求及縱向空腔尺度的構(gòu)造要求設(shè)置,橫隔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下:

      1)橫隔板的厚度不宜低于縱向肋板厚度,并宜按構(gòu)造配置鋼筋。

      2)應(yīng)在橫隔板全截面設(shè)置至少1層封閉套箍,兩側(cè)縱向鋼筋之間可設(shè)置單支拉結(jié)筋。

      3)橫隔板的封閉套箍應(yīng)與翼緣板、縱肋板的封閉箍筋交叉重疊,滿足鋼筋籠整體穩(wěn)定性要求。

      3.6 端頭板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      閉腔薄壁構(gòu)件兩端的環(huán)向接頭部位,應(yīng)設(shè)置一定長(zhǎng)度的實(shí)心結(jié)構(gòu),確??招牟课幌?qū)嵭牟糠值膽?yīng)力過(guò)渡完成,不干擾接頭的受力,同時(shí)減弱空腔截面的剪力滯效應(yīng)。根據(jù)研究,推薦實(shí)心端頭板長(zhǎng)度與構(gòu)件截面高度之比不宜小于0.45,且長(zhǎng)度不宜小于300 mm。端頭板的配筋應(yīng)與翼緣板和縱向肋板相協(xié)調(diào),主要受力鋼筋應(yīng)貫通,并滿足構(gòu)件端部的承載力要求,并應(yīng)進(jìn)行斜截面抗剪承載力及配筋設(shè)計(jì)。

      4 結(jié)論與建議

      地下結(jié)構(gòu)承受較大的水土荷載作用,構(gòu)件體量大,故輕量化設(shè)計(jì)具有一定的必要性,閉腔薄壁構(gòu)件是地下結(jié)構(gòu)輕量化的較好選擇。閉腔薄壁預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)如下:

      1)閉腔薄壁構(gòu)件與帶肋的T形、工形和箱型截面構(gòu)件類(lèi)似,存在典型的剪力滯效應(yīng),但影響程度相對(duì)較弱,實(shí)際工程應(yīng)用中宜計(jì)入其影響,或可通過(guò)數(shù)值分析和試驗(yàn)研究確定。

      2)在剪力作用下,閉腔薄壁構(gòu)件截面剪應(yīng)力出現(xiàn)了與T形和工形截面相同的分布規(guī)律,主要分布于各條縱肋上,全截面剪應(yīng)力100%由縱肋板承擔(dān)。

      3)閉腔薄壁構(gòu)件內(nèi)部空腔率和翼緣板、縱向肋板、橫隔板、端頭板等結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能具有一定的影響,設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合工程具體情況,掌握構(gòu)件的力學(xué)行為特性,合理確定閉腔薄壁構(gòu)件的截面型式和構(gòu)造措施,減少剪力滯效應(yīng)影響,滿足設(shè)計(jì)要求。

      4)地下結(jié)構(gòu)輕量化研究和應(yīng)用尚有較大的拓展空間,希望行業(yè)內(nèi)廣大專家和專業(yè)技術(shù)人員給予充分關(guān)注。

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