付偉慶, 聶長強(qiáng), 王嘉偉, 王建

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 青島 266033； 2.青島理工大學(xué)藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心， 青島 266033; 3.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司， 上海 200092)

工作井作為溝道式纜線管廊系統(tǒng)的重要組成部分，具有電纜敷設(shè)作業(yè)、設(shè)置電纜中間接頭和電纜引出等多種功能[1]。為縮短建設(shè)周期，減少對(duì)周邊道路交通的影響，目前工作井多采用加工廠分塊預(yù)制加工，現(xiàn)場(chǎng)裝配拼裝模式。工作井具有斷面小、埋深淺和接縫受力形式復(fù)雜等特點(diǎn)，不合理的拼縫設(shè)計(jì)可造成結(jié)構(gòu)變形過大或局部破壞，進(jìn)而引起井內(nèi)滲水和內(nèi)部纜線破壞。

目前，中外學(xué)者對(duì)頂管工作井和盾構(gòu)工作井研究較多。夏明耀等[2]首次提出一種圓形頂管工作井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，建立了頂進(jìn)階段工作井穩(wěn)定性驗(yàn)算方法。戴顏斌[3]、黎勤波[4]和甄亮等[5]對(duì)頂管工作井結(jié)構(gòu)提供了設(shè)計(jì)與計(jì)算。趙武勝等[6]對(duì)盾構(gòu)工作井的變形與受力進(jìn)行參數(shù)分析，優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案。莫海鴻等[7]、耿亞梅等[8]對(duì)盾構(gòu)工作井支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力進(jìn)行了研究。針對(duì)溝道式工作井，朱安邦等[9]對(duì)溝道式工作井內(nèi)空間結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)；王建等[10]提出了溝道式工作井內(nèi)部管線布置方案。綜合現(xiàn)有研究文獻(xiàn)，目前鮮見對(duì)溝道纜線管廊工作井設(shè)縫方案的研究分析。

因此，現(xiàn)建立一字形、T字形和十字形3種常見工作井的有限元模型，側(cè)土壓力下對(duì)縱向拼縫形式構(gòu)件進(jìn)行抗彎性能分析，對(duì)橫向拼縫形式構(gòu)件進(jìn)行抗彎抗剪性能分析，同時(shí)與相同受力情況下整體現(xiàn)澆工作井進(jìn)行內(nèi)力和變形對(duì)比。所做研究對(duì)預(yù)制溝道式纜線管廊工作井的拼裝設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用具有參考價(jià)值。

1 纜線管廊工作井有限元建模

實(shí)際工程中一般采用一字形、T字形和十字形3種形式工作井。其中一字形工作井可用于電纜直線段敷設(shè)，T字形工作井用于單側(cè)纜線轉(zhuǎn)彎引出，十字形工作井用于兩側(cè)纜線轉(zhuǎn)彎引出。工作井由混凝土工作井部件、鋼筋籠和上部蓋板組成，長度均為2 500 mm，截面尺寸及配筋圖以十字形工作井為例，如圖1所示。其中混凝土采用C40，壁厚150 mm，鋼筋采用HRB400，箍筋直徑10 mm，縱筋直徑14 mm，創(chuàng)建的一字形、T字形、十字形工作井與其對(duì)應(yīng)的鋼筋籠有限元模型如圖2所示。

圖1 十字井截面尺寸及配筋圖Fig.1 Cross well section size and reinforcement drawing

有限元模型中的混凝土與螺栓采用實(shí)體單元，鋼筋采用桁架單元，并選用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中無明顯屈服點(diǎn)彈塑性本構(gòu)模型，材料具體參數(shù)如表1所示。

圖2 工作井結(jié)構(gòu)及鋼筋籠模型Fig.2 Work well structure and reinforcement cagemodel

表1 材料參數(shù)表Table 1 Material parameter table

2 工作井分縫設(shè)計(jì)與加載方案

2.1 分縫設(shè)計(jì)方案

根據(jù)專家建議并考慮施工現(xiàn)場(chǎng)工作井吊裝與運(yùn)輸能力，對(duì)3類工作井進(jìn)行如圖3所示兩種分縫設(shè)計(jì)。其中縫1為底板沿縱向拼接縫，縫2為沿橫向拼接縫，接縫連接方式均為螺栓連接并輔以一定的防水措施。設(shè)置縫1時(shí)，底部已設(shè)置素砼墊層，無需考慮縱向分縫工作井的剪切問題，但側(cè)土壓力會(huì)對(duì)工作井產(chǎn)生彎曲變形。設(shè)置縫2時(shí)，需要考慮不均勻沉降導(dǎo)致工作井接縫彎曲和剪切問題。針對(duì)不同類型工作井和設(shè)縫后受力特點(diǎn)，設(shè)計(jì)如表2所示有限元模擬試驗(yàn)方案。

圖3 溝道式工作井頂部平面圖Fig.3 Top plan of trench work well

表2 有限元模擬試驗(yàn)方案Table 2 Finite element simulation test scheme

工作井分縫后使用10.9級(jí)M24螺栓進(jìn)行連接，在初始的分析步中定義模型的初始邊界條件和相互作用，鋼筋與混凝土之間采用內(nèi)嵌約束進(jìn)行耦合。分析步1中對(duì)螺栓施加50 kN預(yù)緊力，分析步2中對(duì)加載點(diǎn)施加向下的位移直至接頭破壞。

2.2 荷載施加方案

在進(jìn)行1～3號(hào)模擬試驗(yàn)時(shí)，需要考慮對(duì)模型施加側(cè)向土壓力。溝道式工作井一般布置在人行道或非機(jī)動(dòng)車道上，以一字形工作井為例，其布置形式如圖4所示。其中道路荷載q保留安全余量取為20 kN/m2，主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka取0.7；土體假設(shè)為砂土，靜止土壓力系數(shù)K0取0.4，填土的重力密度為γ=18 kN/m3，側(cè)土壓力分布如圖5所示。

根據(jù)側(cè)土壓力的計(jì)算公式為

ehk=KaqL

(1)

e0=γzK0

(2)

式中：ehk為附加側(cè)向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值；qL為局部均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值；e0為靜止土壓力標(biāo)準(zhǔn)值；z為土層深度。經(jīng)計(jì)算可知，施加到縱向設(shè)縫工作井模型上的側(cè)土壓力e1=2.45 kPa、e2=10.08 kPa。

在進(jìn)行4～9號(hào)模擬試驗(yàn)時(shí)，需要考慮縫2處彎曲和剪切受力影響，模擬時(shí)將有限元模型中墊片設(shè)置為固定不動(dòng)，在蓋板加載點(diǎn)處施加向下的位移荷載P，模擬受彎剪試驗(yàn)加載布置如圖6所示。

圖4 縫1工作井受力示意圖Fig.4 Work well stress diagram of fracture 1

e1為道路荷載q對(duì)側(cè)壁產(chǎn)生的壓力；e2為土的側(cè)向壓力圖5 側(cè)土壓力分布圖Fig.5 Distribution of lateral earth pressure

圖6 縫2工作井加載布置圖Fig.6 Workwell loading arrangement of fracture 2

3 設(shè)縫形式對(duì)工作井受力影響分析

3.1 縱向設(shè)縫受力分析

圖7 縱向設(shè)縫工作井破壞云圖Fig.7 Work well damage map of longitudinally seam

圖8 無縫形式工作井最大主應(yīng)力云圖Fig.8 Max principal stress of seamless work well

圖7為1～3號(hào)模擬試驗(yàn)中，一字形、T字形、十字形工作井在側(cè)土壓力下混凝土破壞云圖，底面縱向中線(圖7中紅線虛線部分)設(shè)為監(jiān)測(cè)路徑。通過對(duì)比圖8和圖9對(duì)縱向分縫與無縫形式工作井受力差異進(jìn)行分析。

由圖7～圖9可以看出，在側(cè)壓力下，整體無縫工作井薄弱點(diǎn)在側(cè)面和底面連接處，設(shè)縫后螺栓連接處為薄弱點(diǎn)，其受到應(yīng)力最大，螺栓承擔(dān)了大部分拉應(yīng)力。在監(jiān)測(cè)路徑上，整體無縫和縱向設(shè)縫工作井最大主應(yīng)力對(duì)比如圖10所示，豎向變形對(duì)比如圖11所示。

由圖10可知，分縫處最大主應(yīng)力發(fā)生應(yīng)力突變，說明螺栓承擔(dān)了大部分拉應(yīng)力。在側(cè)向土壓力下，一字井、T字井和十字井螺栓底部應(yīng)力最大，分別為150、173、153.7 MPa。由圖11可知，整體工作井底部豎向變形量與監(jiān)測(cè)路徑長度的關(guān)系曲線為拋物線；設(shè)縫后，底部豎向變形量與監(jiān)測(cè)路徑長度關(guān)系曲線在接縫處出現(xiàn)明顯的尖點(diǎn)。T字井整體結(jié)構(gòu)變形量最低點(diǎn)在距直線井壁700 mm處，設(shè)縫后由于兩側(cè)井壁形狀不對(duì)稱，導(dǎo)致直線井壁一側(cè)的結(jié)構(gòu)承載力比另一側(cè)變低且變形較大。

由式(3)可得，一字形、T字形、十字形工作井設(shè)縫后剛度下降率分別為48%、51%和44%。其中U1設(shè)為分縫工作井最大豎向相對(duì)變形，U2為整體結(jié)構(gòu)的最大豎向相對(duì)變形，η為剛度下降率。

(3)

3.2 橫向設(shè)縫受力分析

3.2.1 受彎性能分析

4～6號(hào)試驗(yàn)?zāi)M工作井在橫向設(shè)縫下的彎曲性能，采用位移加載模式，3種工作井彎曲作用下荷載-位移曲線與彎矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖12所示。

從圖12(a)中可以看出，在加載后期屈服階段，一字井所需要荷載和抗彎剛度均較大，這樣可以更好地發(fā)揮高強(qiáng)螺栓的材料性能。在重力作用下，開始加載時(shí)工作井會(huì)產(chǎn)生很小的變形量。在彈性階段，工作井分縫處產(chǎn)生縫隙，預(yù)緊力處于消壓過程中，螺栓應(yīng)力不斷增大；在屈服階段相同加載位移下，螺栓處混凝土破壞，結(jié)構(gòu)逐漸失去承載能力。從圖12(b)中可以看出，抗彎剛度隨著轉(zhuǎn)角增大而減小，原因是隨著轉(zhuǎn)角增大，混凝土受壓區(qū)高度減小，壓應(yīng)力增大，混凝土變形量增長速度加快，抗彎剛度減小。

圖10 整體與縱向設(shè)縫工作井最大主應(yīng)力對(duì)比Fig.10 Comparison of max principal stress between integral and longitudinal fractured workwells

圖11 整體與縱向設(shè)縫工作井豎向變形對(duì)比Fig.11 Comparison of vertical deformation between integral and longitudinal fractured work wells

圖12 橫向設(shè)縫3種工作井性能曲線Fig.12 Performance curves of three working wells with transverse fractures

圖13 整體與設(shè)縫工作井加載位移曲線Fig.13 Loading displacement of integral andseam work well

整體無縫和橫向分縫3種工作井，受彎加載位移曲線如圖13所示，可以看出設(shè)縫對(duì)工作井抗彎性能有較大的影響，整體結(jié)構(gòu)承載力較高，約為帶縫結(jié)構(gòu)的2倍，相對(duì)于整體工作井剛度，分縫后一字井、T字井和十字井剛度分別下降34%、32%和26%。

3.2.2 受剪性能分析

7～9號(hào)試驗(yàn)?zāi)M3種工作井橫向設(shè)縫下受剪性能，工作井受剪加載曲線與剪力錯(cuò)動(dòng)量曲線如圖14所示。

圖14 橫向設(shè)縫工作井受剪性能曲線Fig.14 Shear performance of transverselyseam work well

從圖14可以看出隨著荷載的施加，接頭處剪力隨錯(cuò)動(dòng)量增大而增大，剪力-錯(cuò)動(dòng)量曲線切線斜率隨著錯(cuò)動(dòng)量增大而減小。這是由于隨著錯(cuò)動(dòng)量增大，接頭兩側(cè)上下錯(cuò)動(dòng)，混凝土接觸面積減小，壓應(yīng)力增大，混凝土變形量增長速度加快，剪切剛度減小。在彈性階段內(nèi)3種工作井抗剪剛度相同，加載至屈服階段荷載也相同，說明分縫后主要由4根連接螺栓承受剪力，分縫處結(jié)構(gòu)受力較小。

設(shè)縫與整體工作井混凝土損傷云圖如圖15和圖16所示。通過對(duì)比可以明顯看出，整體工作井混凝土破壞區(qū)域較大，整截面承受剪力，設(shè)縫工作井則僅在螺栓及螺栓處混凝土承受剪力，螺栓處混凝土首先發(fā)生破壞。由此可見，在相同錯(cuò)動(dòng)量下，整體工作井所需施加荷載要遠(yuǎn)高于設(shè)縫工作井。

4 結(jié)論

(1)在側(cè)向土壓力下，整體無縫工作井受力薄弱點(diǎn)在側(cè)面與底面連接處，縱向設(shè)縫后工作井薄弱點(diǎn)在螺栓連接處。設(shè)縫后一字井、T字井和十字井抗彎剛度分別下降48%、51%和44%。

(2)在預(yù)緊力和腋角長度等因素固定情況下，橫向設(shè)縫相對(duì)整體無縫一字井、T字井和十字井承受最大抗彎荷載分別下降了50%左右，抗彎剛度分別下降34%、32%和26%。

圖15 設(shè)縫工作井損傷云圖Fig.15 Damage map of fractured working well

圖16 整體工作井損傷云圖Fig.16 Damage map of integral working well

(3)在相同錯(cuò)動(dòng)量下，整體工作井所需施加荷載遠(yuǎn)高于設(shè)縫工作井，因此可以采取加強(qiáng)螺栓處混凝土，提高預(yù)緊力大和使用高強(qiáng)度螺栓等措施來提高設(shè)縫后抗剪能力。

(4)縱向設(shè)縫后僅需兩種便可拼接出3種工作井，具有較高的通用性，且不需要考慮剪切問題。橫向分縫后工作井抗剪性能大大削弱，因此綜合比較下，縱向分縫形式相對(duì)更合理。