预制拼装综合管廊承插式接头剪切力学性能研究_凌同华.pdf

第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023预制拼装综合管廊承插式接头剪切力学性能研究凌同华1，2，余彬1，2，黄阜1，2，何文超1，2(1长沙理工大学 土木工程学院，长沙 410076;2 长沙理工大学 桥梁工程湖南省高校重点实验室，长沙 410076)摘要:为研究预制拼装综合管廊节段剪切工况下承插式接头力学性能，本文建立地下预制拼装综合管廊 土三维数值模型，通过对管廊节段施加位移荷载模拟顺剪与逆剪，分析承插式接头应力分布规律，最后建立沉降量与接头剪力的关系，得到接头极限承载力与极限错台位移。结果表明:预制拼装综合管廊节段剪切造成管廊接头内侧受压外侧受拉，接头插口端应力分布在竖向侧壁，承口端主要由顶底板两侧受力，承插式接头最大主应力集中在承口端侧壁顶部外侧 1 m 处及插口端的底板;管廊节段顺剪接头剪力随沉降增大而减小，逆剪接头剪力随沉降增大而增大，承插式接头顺剪与逆剪工况极限剪应力分别为 407 kN 和 512 kN 左右，研究结果可为预制拼装综合管廊安全运营提供科学依据。关键词:预制拼装管廊;承插式接头;差异沉降;接头变形;抗剪性能;极限承载力中图分类号:U4593文献标识码:A文章编号:1673-0836(2023)02-0541-09Shear Mechanical Properties of Bell and Spigot Joint ofPrecast Utility TunnelLing Tonghua1，2，Yu Bin1，2，Huang Fu1，2，He Wenchao1，2(1 School of Civil Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410076，P China;2 Hunan Province University Key Laboratory of Bridge Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410076，P China)Abstract:To obtain mechanical properties of bell and spigot joint under precast utility tunnel is sheared，a three-dimensional numerical model for soil and underground utility tunnel was established in this paper，thelongitudinal uneven settlement of the utility tunnel segment was simulated by applying displacement，and thestress distribution law of the bell and spigot joint was obtained Finally，the relationship between segmental settlementand joint shear loading capacity was established，and the ultimate settlement displacement of precast utility tunnel wasobtained The results show that:When the precast utility tunnel segment is sheared，the medial compression andlateral tension of the utility tunnel segment are caused The stress at the spigot joint is distributed in the vertical sidewall The stress distribution in the bell roof and floor，the bearing end is mainly subjected to force on both sidesof the top and bottom plate The maximum principal stress of the bell joint is concentrated at the upper 1 m of the sidewall，spigot the stress is concentrated in the bottom The shear stress increases with the settlement increase under theparallel shear condition，while that decreases with the increase of displacement under reverse shear condition theultimate shear stress of the bell and spigot joint is 407 kN and 512 kN，The research results provide a scientific basisfor the utility tunnel project engineering safe operation收稿日期:2022-11-02(修改稿)作者简介:凌同华(1968)，男，湖南娄底人，博士，教授，主要从事岩土工程、地下工程等领域的教学与科研工作。E-mail:lingtonghua 163com基金项目:国家自然科学基金(52078061，51678071，51878074);湖南省研究生科研创新项目(CX2018B531);桥梁工程湖南省高校重点实验室开放基金(18KA03)Keywords:precast utility tunnel;bell and spigot joint;differential settlement;joint shear deformation;shearperformance;ultimate bearing capacity0引言地下综合管廊是城市运行的“生命线”，是埋设于地下用于敷设电力、热力、给排水及通讯等城市运营基础设施的公共隧道1-3，随着社会的发展，越来越多的城市开始建设地下综合管廊以满足其运营基本需求4，地下综合管廊建设正朝安全绿色建造技术发展5，节段预制拼装综合管廊因其施工效率高、对周围环境污染小等优点在管廊工程实际中被经常使用6-7。节段预制拼装综合管廊节段之间主要采用螺栓连接、预应力筋连接及承插式连接，当工程实际地质条件较差时管廊节段间主要采用承插式接头以适应管廊节段的变形，地基沉降差异容易导致管廊节段间发生不均匀沉降，前后管廊节段间会发生错台8，导致管廊漏水，影响地下综合管廊结构寿命。因此急需开展节段预制拼装综合管廊纵向不均匀沉降承插式接头力学性能研究，以确保节段预制拼装综合管廊安全高效运营。学者们对地下隧道的预制盾构隧道管片接头与沉管隧道接头变形研究取得了丰富的成果9-13，这些研究结果为研究节段预制拼装综合管廊接头变形提供研究基础。不少学者对预制拼装综合管廊接头力学性能也开展了研究:胡翔等14 对采用预应力筋连接的预制拼装综合管廊横向平直接头抗弯性能试验，得到弯矩荷载作用下管廊接头变形规律。陈智强等15、王述鹏等16、王雪亮等17 建立了采用预应力筋连接的管廊平直抗弯刚度理论模型，并将理论计算模型同试验结果进行对比用于指导工程设计。王述鹏等18 对埋置于土体的管廊接头力学性能进行研究，得到了管廊纵向承插口接头应力、位移分布规律。赵文昊等19 对采用预应力筋连接的管廊现浇接头、平直接头及承插式接头荷载作用下最大拉应力及压应力分布规律进行了研究。刁钰等20 研究了不同舱数节段预制管廊采用不同连接方式下接头变形规律，并进一步分析了不同舱数及不同连接方式下接头抗弯折减率。赵远清等21 通过开展管廊变形缝抗剪锚筋单向及往复加载试验，得到了预制拼装综合管廊变形缝抗剪锚筋的受力与变形机理。已有研究中更多的是对节段预制拼装综合管廊横向接头及纵向变形进行分析，但是对管廊节段发生不均匀沉降时承插式接头应力大小及分布规律研究较少，因此急需开展相关研究以确保节段预制拼装综合管廊安全高效运营。本文采用 ABAQUS 有限元软件，建立节段预制拼装综合管廊 土体三维纵向模型，然后对管廊中间节段施加向下与向上位移造成管廊节段发生顺剪与逆剪，分析变形节段接头处应力分布规律，进一步得到承插式接头剪力与节段错台量的关系，最后确定承插式接头的极限承载力与极限位移，研究结果为管廊工程实际运营提供科学依据。1数值模型11建立模型节段预制拼装综合管廊埋置于土体中，为避免边界条件对数值模型计算造成的误差较大，根据已有学者研究22-24，整体数值模型取 7 节管廊长为7 m，宽为 40 m，高为 2654 m。模型土层分布选取文献 15中益阳市某综合管廊工程实际地质情况，地层参数如表 1 所示。表 1土体力学参数15 Table 1Soil mechanical parameters15 埋深/m土质弹性模量/MPa密度/(kgm3)黏聚力/kPa内摩擦角/()泊松比025路堤填土182000032535细中砂369185612503357淤质泥土2217581441203710中细砂25190413003410265 淤泥质土19217451086034265325 粉质黏土402191834216803015 厚垫层602000140026周围填土815001015034根据 18GL204 预制混凝土综合管廊 和城市综合管廊 图集，选取节段预制拼装综合管廊节245地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷段尺寸为:高 3 m宽 29 m节段长 1 m，管廊侧壁厚 250 mm，管廊节段及承插式接头尺寸见图 1 与图 2。数值模型中管廊混凝土强度等级为 C40，采用混凝土塑性损伤模型，钢筋采用双折线模型，钢筋与混凝土的力学参数根据混凝土结构设计规范 和管廊图集共同选取，土体采用摩尔库仑线弹塑性模型。管廊与土体之间的接触法向采用“硬接触”，切向采用罚函数接触，罚函数系数为 026。假设管廊节段间初始紧密接触，管廊接头与接头之间通过法向采用硬接触，切向采用罚函数接触，罚函数系数为 05，钢筋骨架采用 Embedded egion嵌入到管廊混凝土中。图 1管廊节段尺寸Fig1Utility tunnel segment size图 2管廊节段及承插式接头Fig2Utility tunnel segment and bell and spigot joint12网格划分数值模型中土体与管廊结构均采用 C3D8 实体单元，钢筋采用 T3D2 单元，如图 3 所示。将数值模型土体的底部设置为固定约束，横向及纵向设置为法向位移约束，通过对管廊中间节段施加位移荷载模拟管廊沉降造成管廊节段剪切。图 3计算模型Fig3Numerical calculation model13加载方式通过对管廊正中间节段(第 4 节段)在竖向施加向上、向下的位移荷载模拟管廊节段发生不均匀沉降，实现管廊承插式接头顺剪(中间节段下沉)与逆剪(中间节段上升)直至管廊接头极限破坏，位移加载施加于管廊底部垫层以下 5 cm。2结果分析21接头应力分析为更好了解管廊节段发生不均匀沉降造成管廊承插式接头剪切接头应力分布规律，本文取管廊中间节段相对左右两侧节段下降及上升 5 mm 时接头应力进行分析，取沉降节段承口端所在接头为接头 1，沉降节段插口端所在接头为接头 2，接头 1承口端应力云图如图 4 所示。图 4承插式接头应力云图Fig4Stress nephogram of bell and spigot joint接头应力分布规律分析时承口端顶底板自左向右从 0 m 开始，竖向侧壁自上向下从 0 m 开始，取承口端左侧侧壁为侧壁 1，右侧壁为侧壁 2，为将插口端与承口端对应分析，故插口端顶底板从右向左开始，插口端左侧为侧壁 1，右侧为侧壁 2，如图5 所示，得到接头 1 应力分布规律如图 6，接头 2 应力分布规律如图 7。图 5接头分析示意图Fig5Schematic diagram of joint analysis3452023 年第 2 期凌同华，等:预制拼装综合管廊承插式接头剪切力学性能研究图 6接头 1 应力分布规律Fig6Stress distribution law of joint 1从图 6 与图 7 可知，管廊节段发生不均匀沉降时节段前后接头应力分布规律不同，管廊节段顺剪与逆剪错台量相等时，承插式接头所受应力大小基本相同，且接头承口端应力分布规律也基本相同，但插口端应力分布规律却不同。管廊节段沉降导致接头 1 承口端沉降，接头 1图 7接头 2 应力分布规律Fig7Stress distribution law of joint 2承口端应力主要在底板，在距离两侧 05 m 处应力高达 6 MPa，承口端顶板应力较小，在距外侧 05 m左右应力最大约为 24 MPa 左右，接头顶底板应力分布呈 M 型分布。承口端侧壁应力呈 S 型分布，在距侧壁顶端上面 08 m 时应力达到24 MPa，然后往下应力继续减小，到靠近底部腋角处，应力又445地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷逐渐增大到 24 MPa。接头 1 插口端由于承口端沉降挤压受力也十分明显，插口端应力主要在侧壁，插口端侧壁从上往下逐渐增大，从开始的 03 MPa 逐渐增大到5 MPa，在竖向侧壁中间应力为 2 MPa 左右。插口端顶底板应力较小，插口端顶板呈 M 型分布，顶板应力较小，最大为 16 MPa，底板呈 U 型分布，最大应力集中在腋角两侧，应力达 5 MPa，底板中间应力较小为 1 MPa 左右。接头 2 插口端受节段沉降作用侧壁应力较大，在靠顶板处应力达 4 MPa，随着埋深增大，接头应力逐渐增大，在距顶部 15 m 应力最大达 6 MPa，然后逐渐减小直至底端减小到 0 MPa 左右。插口端顶底板应力分布差异较大，接头顶板在靠近两侧侧壁时应力较大达 5 MPa，在中间应力较小为1 MPa 左右，应力分布呈 U 型。接头底端应力呈 M型分布，在底板中间应力为 0 MPa，在中间相邻位置应力最大达 2 MPa 然后逐渐减小至两侧，顺剪与逆剪时插口端底板应力以底板中间呈对称分布，但是应力大小却不变。接头 2 承口端底板应力比顶板应力大得多，底板应力呈 M 型分布，在两侧应力达到最大 5 MPa，在距侧壁 1 m 处应力最小为 1 MPa，顶板应力在侧壁达最大 3 MPa，中间应力基本为 13 MPa 左右。承口端侧壁应力从上往下应力逐渐减小，从顶板25 MPa 逐渐减小至 0 MPa 左右，到了底板应力又逐渐增大。管廊节段剪切变形时接头承口端侧壁应力从上往下逐渐减小，到了底板处又逐渐增大，承口端顶底板中间较小，两侧壁较大。插口端侧壁应力分布不同，沉降节段的插口端竖向侧壁应力逐渐增大，到了底板迅速减小。沉降节段的插口端顶板应力主要在两侧的腋角处，中间较小两侧大，底板则是中间大两侧小，受承口端挤压插口端顶底板应力分布正好相反。接头承口端与插口端所受应力都远小于混凝土抗压强度设计值，所以进一步对接头最大主应力进行分析承插式接头开裂破坏规律。22接头最大主应力分析管廊节段发生剪切变形，承插式接头最大主应力直接影响接头混凝土的开裂破坏，关系着接头的防水。本文进一步对管廊接头最大主应力进行分析，图8 为承插式接头 2 插口端最大主应力云图，并得到接头1 与接头2 最大主应力分布规律如图9、图10。图 8承插式接头最大主应力云图Fig8Maximum principal stress nephogram ofbell and spigot joint图 9承插式接头 1 最大主应力分布规律Fig9Maximum principal stress distribution law of joint 15452023 年第 2 期凌同华，等:预制拼装综合管廊承插式接头剪切力学性能研究图 10承插式接头 2 最大主应力分布Fig10Maximum principal stress distributionlaw of joint 2如图 9 所示，接头 1 承口端侧壁最大主应力较大，在距离外侧 1 m 处高达 24 MPa，比混凝土抗拉强度标准值还要大，此处接头易发生开裂破坏。承口端顶板最大主应力较小，基本为 01 MPa，顺剪与逆剪时接头承口端底板应力对称分布，在左右两侧靠近腋角处最大主应力较大，应力达09 MPa。接头 1 插口端顶底板最大主应力呈倒 U 型，在顶底板中间最大达 1 MPa，左右两侧壁基本为0 MPa，接头插口端竖向侧壁最大主应力从上往下从 0 MPa 逐渐增大到 06 MPa 左右。由图 10 可知，接头 2 插口端最大主应力主要在底板，高达 20 MPa，顺剪与逆剪时接头底板应力呈对称分布，插口端顶板最大主应力呈倒 U 型分布，在顶板中间应力最大达 07 MPa，插口端侧壁最大主应力较小，基本为 0103 MPa 左右。接头 2 承口端底板在中间应力较小为 0 MPa左右，在两端侧壁应力较大达 2 MPa，呈 M 型分布，承口端顶板中间最大主应力较小为 0 MPa，两边应力为 07 MPa 左右。承口端侧壁距外侧 1 m处最大主应力 23 MPa 逐渐减小到底部 06 MPa左右。接头 2 承口端上部距外侧 1 m 处最大主应力较大，易发生破坏漏水。3接头极限承载力31接头剪切变形管廊节段发生不均匀沉降造成接头挤压变形直至破坏，管廊沉降节段承插式接头因变形不同导致接头应力分布明显不同，如图 6、图 7。图 11 为管廊节段顺剪接头 1 与接头 2 变形示意图。管廊节段沉降接头 1 承口端沉降，但由于插口端存在阻止承口端顶板继续变形，接头 1 剪切面为插口端顶部接头接触面，接头 1 外剪，接头 1 插口端左右两侧壁顶板应力较大，接头 1 承口端由于挤压变形侧壁最大主应力较大易发生变形破坏。管廊节段沉降接头 2 剪切面为插口端底部，接头 2 插口端底板的变形导致承口端底板及两侧壁受挤压应力较大，接头 2 内剪，插口端顶部的挤压导致接头 2 承口端顶板的最大主应力也较大。管廊节段发生逆剪，接头 1 与接头 2 的变形变化规律与管廊顺剪接头变形变化规律相反，接头 1底部承口端外剪，接头 2 顶板插口端内剪。图 11管廊节段顺剪接头受剪示意图Fig11Diagrammatic sketch of shear distributionfor joints of utility tunnel segments645地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷管廊节段发生不均匀沉降，接头 1 与接头 2 的变形造成管廊沉降节段侧壁内部受压外部受拉，顶底板则相反，内部受拉外侧受压，这也与管廊节段剪切时管廊接头承口端插口端应力分布规律相符。管廊节段侧壁内外受压不同，导致在管廊节段腋角处容易变形破坏，如图 12 所示，工程实际中应该优化管廊腋角处钢筋配，并加强对这些区域的监测以防节段漏水与破坏。图 12管廊节段剪切破坏Fig12Shear failure of utility tunnel segment32接头剪力随沉降变化规律通过数值模拟可以得到管廊沉降节段接头 1与接头 2 剪力随节段错台量的变化规律，如图 13所示。图 13节段错台位移与接头剪力关系Fig13Curves of joint shear and dislocation如图 13，管廊节段顺剪接头剪力随差异沉降的增大而减小，差异沉降达到 40 mm，接头变形进入塑性阶段接头剪力与差异沉降不均匀变化，直至差异沉降量达 46 mm 接头极限破坏，接头 1 与接头2 的极限承载力分别为4446 kN 和4073 kN，接头 1 极限剪力比接头 2 极限剪力要大。管廊节段逆剪接头剪力随差异沉降的增大而增大，直至差异沉降为 34 mm 时，接头剪力将不再随差异沉降的变化而变化，管廊节段逆剪极限位移为 34 mm，接头极限剪力为5128 kN 和5185 kN，接头1 与接头2 极限剪力相差不大。管廊节段顺剪极限位移要比逆剪极限位移要大，但是接头逆剪极限剪力比顺剪极限剪力要大。33接头极限抗剪承载力分析根据 混凝土结构设计规范，可以得到剪切工况下承插式接头极限剪力计算公式为:V=ftbh0+nfyvAsvsh0(1)式中:V 为接头极限承载力;为系数，取 07;ft为混凝土极限抗拉强度;b 为接头抗剪宽度;h0为接头损伤高度;n 为箍筋数;fyv为箍筋抗拉强度;Asv为箍筋面积;s 为箍筋的间距。各参数取值见表 2。表 2接头极限承载力计算参数表Table 2Calculation of ultimate bearing capacity of joint接头h0/mb/mnfyv/(Nmm2)Asv/m2s/mft/(Nmm2)承口端 011536360113e-402171插口端 0135 273 5360113e-402171节段预制拼装综合管廊承插式接头 1 与接头2 极限剪力理论计算结果与数值模拟计算结果对比如表 3 所示。表 3接头极限承载力计算结果Table 3Calculation results of ultimate bearingcapacity of joint工况接头损伤高度/m理论剪力/kN数值剪力/kN误差/%顺剪接头 1011555331144461964接头 201355849140733029逆剪接头 1011555331151287899接头 2013558491518512808从表 3 可知，管廊节段顺剪接头 1 与接头 2 极限剪力数值模拟计算值比理论值要小，二者相差较大，达 20%30%，但是管廊节段逆剪接头极限剪力数值模拟计算值与理论计算值相差不大，相差10%左右。这是因为管廊节段顺剪造成接头 1 外剪，接头承口端侧壁最大主应力较大，易造成管廊接头破坏，故管廊顺剪接头应力理论值与数值模拟值计算结果相差较大。4结论(1)管廊节段顺剪与逆剪错台量相同时，接头7452023 年第 2 期凌同华，等:预制拼装综合管廊承插式接头剪切力学性能研究应力大小相差不大。剪切节段接头承口端顶底板应力呈 M 型分布规律，两侧壁最大，侧壁承口端侧壁应力随埋深逐渐减小。剪切节段插口端应力集中在顶板，应力呈 U 型分布，插口端底板应力呈 S型分布，插口端侧壁逐渐增大直至侧壁急剧减小。(2)管廊剪切节段插口端最大主应力集中在底板，插口端顶板应力呈倒 U 型分布，插口端侧壁最大主应力较小。沉降节段承口端最大主应力在侧壁，承口端侧壁最大主应力从上往下逐渐减小，承口端顶底板为 U 型分布，在左右两侧应力最大。(3)管廊节段与相邻节段发生剪切，剪切节段承口端接头外剪，插口端接头内剪，承口端接头侧壁距顶板外侧 1 m 处易发生开裂破坏。管廊节段顶底板内部和竖向侧壁外部受拉，管廊 4 个腋角外侧易破坏，工程实际要优化腋角配筋和加强对腋角处的监测以防管廊漏水。(4)管廊顺剪接头剪力随错台位移增大而减小，逆剪接头剪力随错台位移增大而增大，节段下降与上升极限位移分别为 46 mm 和 34 mm。参考文献(eferences)1 钱七虎 建设城市地下综合管廊，转变城市发展方式 J 隧道建设，2017，37(6):647-654(Qian QihuTo transform way of urban development by constructingunderground utility tunnelJ Tunnel Construction，2017，37(6):647-654(in Chinese)2 张凌翔 城市地下道路，物流廊道与综合管廊一体化研究 J 地下空间与工程学报，2006，16(增 1):16-37(Zhang Lingxiang esearch on the integration ofunderground roads，underground logistics tunnel andutility tunnel J Chinese Journal of 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