预制装配式管廊的施工力学性能研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月应用力学学报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(.)湖南省省级工程建设新技术研发与软科学研究计划资助项目(./)通信作者:谢忠球教授:.引用格式:胡卓谢忠球吴敬龙等.预制装配式管廊的施工力学性能研究.应用力学学报():.():.文章编号:()预制装配式管廊的施工力学性能研究胡卓谢忠球吴敬龙江莲子(.中南林业科技大学土木工程学院 长沙.中南林业科技大学岩土工程研究所 长沙)摘 要:以吉首市综合管廊一期工程为背景基于预制管廊施工回填过程中的原型观测试验和 中的“生死单元”功能建立管廊施工回填过程的三维动态数值模型研究施工回填过程中装配式管廊的受力变形特
2、性 结果表明:回填阶段管廊结构受力变形呈“两阶段”变化管廊覆土深度小于 时管廊结构整体上受力变形较小管廊覆土深度大于 时管廊结构受力变形基本呈线弹性增长覆土荷载对预制段、现浇段、预制段与现浇段搭接 种不同断面处的管廊结构产生的纵向受力变形整体上大于横向变形管廊结构顶板和底板跨中位置受力变形明显就断面变形差异而言预制段与现浇段搭接处横向受力变形明显 考虑施工过程中管廊的受力变形特性在管廊结构设计时对管廊结构顶板和底板的跨中、预制段承插口、尤其是预制段与现浇段搭接等部位需加以特别考虑关键词:预制装配式管廊回填观测数值模拟裂缝受力变形中图分类号:.文献标志码:./.(.):“”.“”.应用 力 学
3、学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 .:地下综合管廊的规范化、模块化、产业化是推进地下综合管廊预制拼装技术发展的重要基础 当前国内外诸多学者对预制装配式管廊的结构受力性能进行了研究 等从管廊覆土埋深、土体刚度、管廊间搭接处的传力方式等方面对地下综合管廊与土体的相互作用进行了理论推导与分析 岳庆霞等在推导动力方程的基础上通过三维数值模拟分析得出接触面条件和边界条件等因素对管廊结构受力变形的影响胡翔等以上海世博会园区综合管廊工程为研究背景对传统分块卧式预制装配式预应力管廊接头的力学性能进行了详细的研究芶文锦分别对土体自重、静荷载和车辆荷载作用下埋地管道的力学性状和变形特性进行研究认
4、为覆土填埋管道理论上存在一个最佳埋深覆土填埋管线危险点与管道两端约束条件有关薛伟辰等在足尺试验的基础上对预制装配式预应力综合管廊进行研究提出了预制装配式预应力综合管廊间搭接头的设计方法表明在 侧壁等值对称荷载作用下管廊接头具有较好的延性、变形能力但管廊拼缝处防水性能及整体受力性能较弱其试验条件不能反应实际结构受力状态现有研究成果主要是基于室内模型试验在抗震、车辆荷载及静力分析等方面对管廊结构的截面形式、刚度、配筋进行优化分析 这些成果为预制拼装综合管廊受力性能的研究与设计提供了基础 但现有工程中发现预制装配式管廊在现场安装回填过程中和回填压实后管廊结构出现较多的横、纵向裂缝、环向裂缝等病害现象
5、其产生的主要原因尚不明确本研究基于吉首市综合管廊一期工程(也称为“公私合作模式”)项目工程在对施工回填过程管廊结构应变及周边土压力进行监测试验的基础上基于管土相互作用通过建立三维数值模型研究分析不同回填工况下管廊周边土体应力分布变化和管廊结构各部位的受力变形规律为管廊结构的设计、施工提供参考 试验设计.试验概况项目位于建新东路与乾城大道交叉处至乾南产业园及高铁新城路网工程起点设计桩号为 .属于山岭重丘区地形 现场调查及统计发现管廊回填压实后管廊结构内部顶板、底板和侧壁出现许多结构裂缝裂缝形式为以下 种:横向裂缝、纵向裂缝和斜向裂缝(见图)其中横向裂缝主要发生在管廊预制段承口端和插口端的搭接口处
6、以及预制现浇段搭接口处严重时横向裂缝贯穿形成成环向裂缝引发渗漏水纵向裂缝主要表现形式为预制管廊顶板和底板跨中处向预制管廊中部纵向延伸斜向裂缝主要发生在管廊两侧壁 裂缝形态大致处于张开状态 裂缝宽度在.之间多数为横向和纵向裂缝斜向裂缝较少试验选取在桩号为 现浇段跨中处、现浇与预制连接搭接口处以及预制与预制连接搭接口处 个位置进行传感器埋设全过程监测施工回填阶段和回填压实后车辆荷载对管廊结构应变的影响及周边土压力的变化情况 该地段管廊标准断面上的覆土深度为.(按照道路设计标高计算)布置于道路旁人行道以内(含人行道)的车行道下为单舱矩形框架结构(见图)高()宽().单节长度.壁厚.四角加腋.材料采用
7、混凝土 钢筋顶板配筋量为跨中底筋 根/面筋 第 期胡卓等:预制装配式管廊的施工力学性能研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报根/设计使用年限:年图 地下综合管廊结构常见问题.图 预制管廊标准断面图.试验测点布置与测试测点布置在 个不同横断面上分别为预制段管廊搭接口处、预制段管廊与现浇段管廊搭接口处和现浇管廊跨中处 在 个不同横断面处两侧对称布置土压力盒沿管廊外侧侧壁底端、侧壁跨中、侧壁顶端位置依次布置 个土压力盒在管廊顶板外侧两端和跨中各布置 个土压力盒在管廊顶板跨中位置上方覆土.、.处各布 个土压力盒共计 个土压力盒布点位置见图()()同时在现浇管廊跨中断面埋设应变计应变计纵向埋设在管
8、廊顶板左右腋角处和跨中处以及侧板跨中和上腋角处共计 个横向埋设在顶板左右腋角和跨中位置以及侧板跨中位置共计 个布点位置见图()应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 各测点横纵向断面布置图.各测点数据的读取根据管廊覆土回填施工阶段进行(按覆土深度为.、.、.、.、.共 个阶段进行测试)每次测试都是在路基压实平整后 周进行读取 现场试验分析.回填阶段管廊周边管土接触面法向应力分析在管廊覆土回填施工阶段中在路基压实平整工况下分别读取管廊顶板覆土深度为.、.、.、.的地下管土接触面的法向土应力数据得到不同覆土深度工况下的应力分布变化规律图()()体现了在 个不同横断面处(
9、预制段搭接口处、现浇管廊与预制管廊搭接口处和现浇管廊跨中处)不同覆土深度下周边法向土应力分布变化曲线从图()()中可以看出 不同断面管廊土体接触面的法向土应力分布规律相似 管廊周边法向土应力顶板跨中最大 侧板中间位置最小 随着管廊顶板覆土深度增加差异更加明显 随着覆土深度的增大 管廊顶板的支撑作用及其对周围土体竖向沉降变形的影响逐渐增强 管廊顶部的法向应力逐渐增大 且大于管廊侧板的法向土应力 管廊侧板中间及上部位置的法向土应力相对较小 这与管廊两侧上部土体的侧向作用减弱以及管廊顶板支撑上部土体形成的土拱效应影响有关 对比 个断面管廊两侧法向土应力 发现左侧应力略大于右侧应力 这与左侧覆土深度略
10、高于右侧路面机动车道有关图 不同断面处管土接触面法向土应力分布变化曲线(单位:).(:).回填阶段管廊结构受力变形分析分别对管廊现浇段跨中处和现浇管廊段与预制管廊段搭接处结构的受力变形进行研究 基于图 中绘制的管廊结构在不同覆土深度的作用下应变变化曲线可分析管廊结构在不同覆土深度作用下受力变形的规律对比图()和()得出在覆土深度.下顶板结构的应变变化相对较小 当覆土深度达到.时管廊结构的应变增大呈线性增长且顶板跨中处变化比顶板腋角处明显表明当覆土高度.时管廊顶板受覆土深度影响的横向受力变形明显增大 预制管廊与现浇管廊搭接口断面顶板的横向应变变化远大于现浇管廊跨中断面表明预制管廊与现浇管廊搭接处
11、的刚度小经常发生不均匀沉降面对比图()和()得出管廊跨中和左腋角处的纵向变形略小于管廊顶板右腋角处离路面越远管廊顶板的纵向变形越大这与地表车辆荷载作用相关第 期胡卓等:预制装配式管廊的施工力学性能研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 不同断面处管廊顶板各测点位置的横向应变曲线.图 不同断面处管廊顶板各测点位置的纵向应变变化曲线.对比图()和图()得出现浇预制管廊搭接口处管廊的结构顶板的纵向变型小于横向变型而对比图()和图()得出管廊结构现浇段跨中的横向变形小于纵向变形这与地下综合管廊的纵向尺度远大于横向尺度导致其纵向刚度相对薄弱有关 三维数值模拟.模型建立利用 软件结合工程实际建立考
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