新型裝配式鋼箱混凝土組合沉井結(jié)構(gòu)整體受力性能試驗研究*

林 彥 劉以政 林慶偉 仲崇廷 宋健凱

(1. 山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院, 濟南 250101; 2.建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室(山東建筑大學(xué)),濟南 250101; 3.山東建筑大學(xué)設(shè)計集團有限公司, 濟南 250013; 4.中建八局二公司設(shè)計研究院, 濟南 250014)

沉井結(jié)構(gòu)以其整體性強、承載力高、施工占地面積小等優(yōu)點在橋梁、道路等工程領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用,[1-2]特別是在一些大跨度橋梁中,橋梁基礎(chǔ)采用沉井結(jié)構(gòu)的比例達到44%。[3]另外,沉井還被較多地應(yīng)用于盾構(gòu)拼接井、地下管道頂管施工的工作井以及地下建筑。[4-5]但是目前工程中采用的沉井形式通常為現(xiàn)澆鋼筋混凝土沉井,現(xiàn)場濕作業(yè)量大,施工周期長,對城市道路及周圍居民生活影響大,[6]因此開發(fā)一種受力性能好、施工效率高的沉井成為工程界的熱點之一。[7]近幾年來,隨著建筑工業(yè)化的發(fā)展,一些專家和學(xué)者依托于工程實踐,將裝配式技術(shù)應(yīng)用于沉井結(jié)構(gòu)中,研發(fā)了多種新型預(yù)制裝配式鋼筋混凝土沉井,研究了預(yù)制裝配式沉井的拼裝施工工藝,并通過對沉井的有限元分析和現(xiàn)場施工監(jiān)測,探討了沉井整體的受力性能。高嵩依托廈門市沉井地下車庫工程,對裝配式鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)進行了全過程施工監(jiān)測,評估了沉井的整體受力性能。[8]戴顏斌提出了一種新型圓形裝配式鋼筋混凝土頂管工作井[9],對其進行了非線性有限元分析,研究了沉井結(jié)構(gòu)的受力特性。總體來看,關(guān)于裝配式沉井的研究較少,可用形式較為匱乏,主要是以裝配式鋼筋混凝土沉井為主。[10]為了豐富裝配式沉井的結(jié)構(gòu)形式,基于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)良性能,提出一種新型的裝配式鋼箱混凝土組合沉井,并依托于大洋泊車有限公司地下車庫工程,對裝配式鋼箱混凝土組合沉井進行足尺試驗研究,考察沉井下沉到設(shè)計標高但未封混凝土底板時,沉井在水平荷載作用下的變形特征,分析井壁及撐桿的應(yīng)力分布規(guī)律,研究沉井的整體受力性能,進而對沉井的安全性進行評估。

1 裝配式鋼箱混凝土組合沉井構(gòu)造

裝配式鋼箱混凝土組合沉井是指沿沉井高度將沉井拆分成一個刃腳層和多個標準層,每層由多個鋼箱混凝土組合板拼接而成。鋼箱混凝土組合板是指在由鋼板焊成的鋼箱中澆筑混凝土形成的組合構(gòu)件,鋼箱由前、后翼板,上、下頂板,左、右側(cè)板六塊鋼板焊接而成。為實現(xiàn)鋼箱混凝土組合板間的連接,組成鋼箱的前、后翼板需沿上、下、左、右四個方向延伸,延伸長度由鋼箱單元之間的連接強度確定,同時在鋼箱一側(cè)翼板的延伸部分設(shè)置鋸齒狀凹槽,并在沉井頂板和側(cè)板處設(shè)置圓形混凝土澆注孔和透氣孔。圖1為鋼箱構(gòu)造示意。各組合板尺寸須綜合考慮沉井尺寸、埋置深度、運輸、吊裝等因素,并同時滿足標準化和模塊化的要求。為確保鋼箱單元連接處的強度及焊接質(zhì)量,同時考慮到焊接的便捷性,沉井同層及上、下層的各個鋼箱混凝土組合板延伸部分之間采用搭接方式連接,即鋼箱的鋸齒狀翼板與相鄰鋼箱的平板翼板進行搭接,然后通過螺栓進行定位,最后沿蛇形凹槽采用角焊縫將各單元聯(lián)結(jié)成整體,圖2為鋼箱單元的連接構(gòu)造示意圖。各裝配單元采用工廠預(yù)制,然后現(xiàn)場沿水平向和豎向進行組裝,最后澆筑混凝土形成裝配式鋼箱混凝土組合沉井。

a—標準層鋼箱構(gòu)造示意; b—刃腳層鋼箱構(gòu)造示意。圖1 鋼箱構(gòu)造示意Fig.1 Schematic diagrams of steel box structures

圖2 鋼箱連接構(gòu)造示意Fig.2 A schematic diagram of steel box connection structures

裝配式鋼箱混凝土組合沉井根據(jù)截面形式可分為圓形沉井和矩形沉井。對于矩形沉井,當其平面尺寸較大時,為提高沉井的整體剛度和承載力,同時便于內(nèi)部空間的利用,在沉井內(nèi)部加設(shè)支撐,井壁內(nèi)側(cè)布置圍檁,圖3為設(shè)置支撐和圍檁的矩形鋼箱混凝土組合沉井?？紤]到經(jīng)濟因素,井壁厚度沿其高度可采用變截面,并將變截面的臺階設(shè)置在井壁外側(cè),在井壁與土體之間形成的縫隙中可以填充摩擦系數(shù)較小的材料以減少井壁下沉的側(cè)阻力。

圖3 矩形鋼箱混凝土組合沉井Fig.3 Rectangular composite concrete-filled steel box caissons

2 試驗概況

2.1 試件設(shè)計

試驗依托于大洋泊車地下車庫工程進行試件設(shè)計。地下車庫的外殼采用裝配式鋼箱混凝土組合沉井結(jié)構(gòu),沉井18.5 m長,9.1 m寬,10 m高,沿高度分為三節(jié)?？紤]到當沉井下沉至設(shè)計標高并且未封底板時,沉井下部受到的水土壓力較大,因此基于車庫沉井結(jié)構(gòu)第二節(jié)和第三節(jié)的尺寸和構(gòu)造設(shè)計試驗試件。試驗沉井采用足尺模型,沿高度方向分為上、下兩層,上層沉井18.3 m長,8.9 m寬,2.73 m高,井壁厚度為0.4 m;下層沉井長為18.5 m,寬為9.1 m,高為2.41 m,井壁厚為0.5 m,組成沉井的鋼箱混凝土單元的寬度為2 m,高度和厚度與相應(yīng)沉井段的高度、厚度一致,各鋼箱的鋼板厚度均為10 mm。為了提高沉井的整體剛度,在沉井距離刃腳踏面0. 6 m的位置設(shè)置底部支撐;距離頂面0.5 m的位置設(shè)置頂部支撐,支撐由沿短方向的直撐桿和四個轉(zhuǎn)角處的斜撐桿組成,各撐桿均為圓鋼管混凝土構(gòu)件,撐桿的鋼管尺寸為φ325×7。另外,在沉井四周井壁的內(nèi)側(cè)沿高度方向設(shè)置三排水平圍檁,沿水平方向設(shè)置兩列豎向圍檁。試件的詳細構(gòu)造和尺寸如圖4所示。試件中的鋼材均采用Q235B,鋼箱內(nèi)混凝土的強度等級為C30。

a—沉井立面; b—1—1剖面; c—2—2剖面。圖4 沉井構(gòu)造和尺寸 mmFig.4 Structure and sizes of caissons

2.2 沉井制作和施工

沉井制作分為兩個階段,第一階段為鋼箱和裝配單元的制作,第二階段為沉井的組裝和混凝土的澆筑。鋼箱由加工成型的鋼板焊接而成,為提高施工效率,可將多個鋼箱單元(圖5a)在工廠內(nèi)進行組裝,圖5b為組裝后的裝配單元。裝配單元制作完成后運至試驗現(xiàn)場進行分層組裝和混凝土澆筑。現(xiàn)場施工時,首先組裝底層沉井,然后澆筑混凝土,待混凝土達到強度后,開挖土體使沉井均勻下沉。當?shù)讓映辆鲁恋街付烁吆?開始進行上層沉井的組裝、混凝土澆筑及下沉,直至整個沉井結(jié)構(gòu)的刃腳踏面位于地面以下5.14 m時,沉井施工完畢。圖6為沉井的施工。

a—鋼箱單元; b—組裝后的裝配單元。圖5 加工單元Fig.5 Prefabrication of components

圖6 沉井施工Fig.6 Construction of caissons

2.3 試驗加載方案

由于試驗沉井頂面與地面齊平,刃腳踏面距離地面5.14 m,而與試驗試件相對應(yīng)的車庫工程中的沉井頂面距離地面4.86 m,底部距離地面10 m,因此為了模擬實際車庫沉井結(jié)構(gòu)受到的水土壓力,考察當沉井下沉至設(shè)計標高并且未封底板時,在水平荷載作用下的受力性能,試驗通過千斤頂-分配梁系統(tǒng)進行加載?？紤]到在水土壓力下,沉井長向井壁受力最為不利,同時沉井深度范圍內(nèi)場區(qū)主要由粉土組成,土質(zhì)較好,因此在沉井一側(cè)的長向井壁上布置千斤頂加載系統(tǒng),其他三側(cè)井壁與天然土層直接接觸。為了模擬由上至下線性變化的水土壓力,沿沉井高度距離刃腳踏面4.2,2.2,1.1 m處布置加載裝置,每層加載系統(tǒng)由5個千斤頂組成,每個千斤頂通過分配梁實現(xiàn)兩點加載,整個加載面上共有30個加載點。試驗采用PLC多點同步液壓控制系統(tǒng)加載,該系統(tǒng)不僅可以獨立控制每層施加荷載的大小,而且可確保所有加載點的同步變化。在距離加載井壁外側(cè)1 m處設(shè)置鋼筋混凝土反力墻,反力墻厚度為0.6 m,高度與沉井一致。由于沉井上層厚度小,在上層各千斤頂與分配梁之間設(shè)置剛性墊塊,以避免在加載過程中,千斤頂量程超出行程范圍。試驗加載裝置如圖7所示。

a—加載裝置示意,mm; b—加載現(xiàn)場。圖7 試驗加載裝置Fig.7 Test loading devices

試驗采用荷載控制加載,加載前基于重液壓力算式,按照沉井刃腳踏面標高為10 m估算沉井受到的水土壓力,然后根據(jù)每層加載點的位置和受荷范圍,計算每個千斤頂所須要提供的荷載設(shè)計值,由此得到的上、中、下三層每個千斤頂?shù)暮奢d設(shè)計值分別為600,800,1 000 kN。為了檢查裝置和測試儀器是否正常工作,試驗首先進行預(yù)加載,預(yù)加載分三階段進行,每階段取荷載設(shè)計值的10%。預(yù)加載結(jié)束后,開始正式加載,彈性范圍內(nèi)每級荷載為荷載設(shè)計值的10%,若鋼材屈服,每級荷載為荷載設(shè)計值的1/15,考慮到試驗主要是評估沉井在設(shè)計荷載下的安全性,當加載至荷載設(shè)計值的1.1倍時停止加載。

2.4 量測內(nèi)容

各層施加的水平荷載由PLC多點同步液壓控制系統(tǒng)自動采集。為了得到荷載-位移曲線及沉井長向井壁的位移分布情況,在加載井壁內(nèi)側(cè)布置8個電子位移計,如圖8a中黑色圓圈所示,各位移計通過磁性支座固定在基準鋼支架上。另外,在沉井的四個轉(zhuǎn)角及反力墻的跨中處設(shè)置觀測點,通過鋼尺量測沉井及反力墻在加載過程中的整體水平位移。為了研究井壁的受力特性,在加載井壁的內(nèi)、外側(cè)上、下?lián)螚U處布置應(yīng)變片,主要測點布置如圖8所示,圖8a中括號內(nèi)的數(shù)字表示井壁內(nèi)側(cè)應(yīng)變片編號,圖8b括號內(nèi)的數(shù)字表示上層撐桿應(yīng)變片編號。

a—加載井壁應(yīng)變片及位移計布置; b—撐桿應(yīng)變片布置。圖8 應(yīng)變片和位移計布置Fig.8 Arrangements of strain gauges and displacement gauges

3 試驗結(jié)果和分析

3.1 試驗現(xiàn)象

在整個加載過程中,沉井沒有出現(xiàn)傾斜、扭轉(zhuǎn)等異?，F(xiàn)象,試驗進展順利。加載初期,沉井井壁變形很小,當荷載加載至設(shè)計荷載的1.1倍時,停止加載,此時井壁的最大變形為16.6 mm,沉井整體水平位移為21 mm,反力墻整體水平位移為38 mm。在試驗過程中,組成沉井的各鋼箱單元未發(fā)生鼓曲,單元之間的連接焊縫沒有開裂,與井壁接觸的土體性狀未發(fā)生改變。

3.2 變形分析

圖9為加載井壁的荷載-位移(P-Δ)曲線,其中P表示底層單個千斤頂提供的荷載值,Δ表示底層井壁跨中的水平位移?？梢钥闯?在加載過程中,井壁水平位移隨著荷載的增大近似呈線性遞增,當完全卸載時,井壁位移恢復(fù)為零,說明井壁在整個加載過程中處于彈性階段。

圖9 井壁跨中P-Δ曲線Fig.9 Load-displacement curves at the mid-span of shaft walls

圖10為當荷載加載至最大值時,井壁變形沿長度方向的分布情況,lx=0 m表示跨中位置。可見:井壁最大水平位移位于跨中,大小為16.6 mm。井壁位移分布由跨中向兩側(cè)逐漸減小,直撐桿附近位移約為11 mm,角部位置位移接近零。

圖10 井壁變形沿長度方向的分布Fig.10 Deformation of shaft walls along length

3.3 應(yīng)變分析

3.3.1井壁長度方向應(yīng)變分布

圖11為最大加載級別下井壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)沿長度方向的應(yīng)變分布。圖11a中應(yīng)變數(shù)據(jù)取自于井壁外側(cè)的最下排測點,圖11b中應(yīng)變數(shù)據(jù)取自于井壁內(nèi)側(cè)的最下排圍檁測點,其中10、31、69、49號應(yīng)變片位于底層直撐桿附近,7、34、71、47號應(yīng)變片位于斜撐桿附近。

a—加載井壁外側(cè); b—加載井壁內(nèi)側(cè)。圖11 加載井壁沿長度方向的應(yīng)變分布Fig.11 Strain along length of loaded shaft walls

由圖11a可見:井壁外側(cè)跨中區(qū)域為壓應(yīng)變,由于直撐桿及短向井壁的約束作用,直撐桿及沉井端部附近為拉應(yīng)變。井壁外側(cè)最大壓應(yīng)變發(fā)生在跨中,大小為2.30×10-4;最大拉應(yīng)變3.20×10-4,位于直撐桿附近,由此可以看出:當荷載加載至1.1倍設(shè)計荷載時,井壁外側(cè)各測點的應(yīng)變遠遠小于材料屈服應(yīng)變。由圖11b可見:井壁內(nèi)側(cè)跨中區(qū)域為拉應(yīng)變,大小由跨中最大應(yīng)變1.015×10-3,向兩側(cè)逐漸減少,在直撐桿附件應(yīng)力狀態(tài)由受拉轉(zhuǎn)為受壓。

由圖11可知:井壁內(nèi)側(cè)跨中拉應(yīng)變明顯大于外側(cè)壓應(yīng)變,一方面是由于內(nèi)側(cè)測點位于圍檁上,當井壁外側(cè)受壓,內(nèi)側(cè)受拉時,距離中和軸較遠的內(nèi)側(cè)測點產(chǎn)生的應(yīng)變大;另一方面是因為混凝土的抗拉強度低,隨著荷載的增大,混凝土開裂退出工作,內(nèi)側(cè)拉力主要由鋼板承擔,而井壁外側(cè)受壓,壓力由鋼板和混凝土共同承擔,因此,井壁內(nèi)側(cè)跨中拉應(yīng)變明顯大于外側(cè)壓應(yīng)變。由于撐桿的存在,井壁內(nèi)外側(cè)應(yīng)變拉壓交替出現(xiàn),應(yīng)力峰值降低,井壁的應(yīng)力分布得到有效改善。

3.3.2井壁高度方向應(yīng)變分布

圖12為最大加載級別下井壁內(nèi)側(cè)沿高度方向的應(yīng)變分布,圖中應(yīng)變數(shù)據(jù)取自于井壁內(nèi)側(cè)跨中區(qū)域的三列測點,h表示測點距離沉井刃腳踏面的距離。

圖12 沿沉井高度方向的應(yīng)變分布Fig.12 Strain along height of caissons

由圖12可以看出:井壁內(nèi)側(cè)應(yīng)變沿高度呈鋸齒狀分布,對于三列數(shù)據(jù),圍檁上測點的應(yīng)變均大于井壁測點,這主要是因為相對于井壁測點,圍檁上的測點到截面中和軸的距離較遠,進而產(chǎn)生較大的應(yīng)變,這也表明圍檁與井壁協(xié)同作用好,因此在設(shè)計中應(yīng)考慮圍檁對井壁承載力的貢獻。在高度方向上,無論是圍檁測點,還是井壁測點,應(yīng)變由上至下均逐漸增大。在同一高度處,跨中應(yīng)變明顯大于兩側(cè)應(yīng)變。

3.3.3撐桿應(yīng)變分布

考慮到斜撐桿及上部直撐桿應(yīng)變較小,圖13給出底部直撐桿各測點的荷載-應(yīng)變曲線。

圖13 底部直撐桿荷載-應(yīng)變曲線Fig.13 Load-strain curves of straight supports at the bottom of caissons

可以看出:各測點的應(yīng)變均為壓應(yīng)變,隨著荷載的增大,應(yīng)變呈線性增長,當荷載加載至最大時,各測點應(yīng)變均小于材料的屈服應(yīng)變,這表明在整個加載過程中直撐桿處于彈性受壓狀態(tài)。相對于直撐桿的中間測點,撐桿端部測點應(yīng)變較大,最大應(yīng)變約為1.1×10-3,這主要是因為撐桿與井壁連接處的截面突變,引起該處應(yīng)力水平的提高,因此在實際工程中,可以通過在撐桿端部設(shè)置連接板增加與井壁的接觸面積,減緩應(yīng)力集中,并且嚴格控制撐桿與井壁連接處的焊接質(zhì)量,減少焊接殘余應(yīng)力。

4 結(jié)束語

通過對大洋泊車地下立體車庫工程中的裝配式鋼箱混凝土組合沉井進行水平加載試驗研究,得出以下主要結(jié)論:

1)沉井在1.1倍的設(shè)計水土壓力作用下,沉井長向井壁底部跨中變形最大,約為井壁長度的1/1 000;井壁各點應(yīng)力均小于材料屈服強度,處于彈性階段,沉井結(jié)構(gòu)具有較大的安全儲備。

2)當圍檁與井壁連接可靠時,其協(xié)同作用明顯,設(shè)計中應(yīng)考慮圍檁的承載作用,可按T形截面驗算井壁強度。

3)沉井內(nèi)部撐桿不僅可提高沉井剛度,減少井壁變形,而且減緩應(yīng)力峰值,使井壁應(yīng)力分布更為均勻。為了降低撐桿端部的應(yīng)力水平,可在端部設(shè)置連接板,同時確保連接焊縫的質(zhì)量。