劉少龍，趙一波，趙劍峰，郭 楠，陸 發(fā)

(1.中鐵二十一局集團(tuán)第四工程有限公司， 陜西 西安 710000；2.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

西北地區(qū)地形崎嶇、山高坡陡、溝壑縱橫，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，常常發(fā)生各種地質(zhì)災(zāi)害問題。其中滑坡地質(zhì)災(zāi)害較多，往往造成基礎(chǔ)設(shè)施破壞和威脅人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全[1-2]。常用邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)種類繁多，如框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)、抗滑樁、重力式擋土墻、懸臂式擋土墻、扶壁式擋土墻、加筋土擋墻等[3-4]?？蚣茴A(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)作為常見的邊坡和滑坡支護(hù)結(jié)構(gòu)，具有承載能力好、穩(wěn)定性好、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)[5-6]，研究結(jié)果也較成熟，特別是何思明等[7]根據(jù)地梁、地基之間荷載、變形協(xié)調(diào)關(guān)系建立聯(lián)立方程，計(jì)算地梁梁下土反力分布、地梁變形特性等；梁瑤等[8]采用Winkler 彈性地基梁模型，把結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為橫、縱靜定梁，滑坡推力確定土壓力，研究滑坡作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形；王春光等[9]探究了支護(hù)工程中的縱、橫梁的位移分布特點(diǎn)，并總結(jié)了預(yù)應(yīng)力錨索框架梁內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)化方法。然而，該結(jié)構(gòu)存在框架梁需要支?，F(xiàn)澆施工工期長(zhǎng)、施工機(jī)械化程度低等不足，很難完成快速治理與搶險(xiǎn)救災(zāi)的任務(wù)。

近年來，傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑業(yè)的生產(chǎn)方式已經(jīng)不能滿足我國(guó)新時(shí)代環(huán)保政策、節(jié)約資源等需求，故綠色施工和建筑裝配化已成為我國(guó)建筑業(yè)的發(fā)展方向。鑒于裝配式建筑具有工期短、綠色施工、易安裝、反復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)[10-11]，同時(shí)，國(guó)家在2016年提出大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見。部分學(xué)者對(duì)裝配式框架進(jìn)行了研究，蘇俊霞等[12]、鄭靜等[13]分別提出兩根單向、雙向變截面梁經(jīng)高強(qiáng)黏合劑拼裝成十字型的拼裝式錨桿(索)框架結(jié)構(gòu)，但是該類框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)和拼裝連接處易破壞、易產(chǎn)生不均勻變形、配筋相對(duì)復(fù)雜；楊校輝等[14-15]改進(jìn)提出了新型不同節(jié)點(diǎn)連接的裝配式框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)及其施工方法，該結(jié)構(gòu)具有耐久性好、不易變形等優(yōu)點(diǎn)，但是其中鋼節(jié)點(diǎn)裝配式框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)承載特性還未進(jìn)行研究。因此，鋼節(jié)點(diǎn)裝配式框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)仍然需要進(jìn)一步的研究。

綜上所述，面對(duì)危害大、地質(zhì)條件差、支護(hù)工期緊的滑坡和邊坡，本文提出一種基于鋼節(jié)點(diǎn)連接的裝配式框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過MIDAS GTS數(shù)值模擬軟件和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究裝配式框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征，從而揭示裝配式框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載特性，同時(shí)為該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 裝配式框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)

1.1 裝配式框架支護(hù)結(jié)構(gòu)組成

裝配式框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)包括：預(yù)制梁、預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)、錨索、預(yù)制樁基等，如圖1(a)。預(yù)制梁為鋼筋混凝土構(gòu)件，兩端設(shè)有預(yù)留主筋；預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)由上部鋼板、下部鋼板和側(cè)向鋼板焊接構(gòu)成，按構(gòu)造形式不同可分為“十字型”鋼節(jié)點(diǎn)、“T型”鋼節(jié)點(diǎn)和“L型”鋼節(jié)點(diǎn)，圖1(b)—圖1(d)為不同鋼節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)詳圖。所述預(yù)制鋼的中心設(shè)有錨索孔，上部鋼板和下部鋼板的端部設(shè)有鋼筋孔，側(cè)向鋼板上設(shè)有補(bǔ)強(qiáng)螺栓。其中預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)和預(yù)制梁通過預(yù)留主筋和對(duì)應(yīng)的鋼筋孔進(jìn)行相連，連接可采用焊接或螺栓連接，圖1(e)為預(yù)制梁和鋼節(jié)點(diǎn)連接詳圖。

1-預(yù)制樁基 2-預(yù)留錨索孔 3-預(yù)制梁 4-預(yù)留主筋 5-上部鋼板 6-下部鋼板 7-側(cè)向鋼板 8-補(bǔ)強(qiáng)螺栓 9-鋼筋孔

1.2 裝配式框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

裝配式框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)施工步驟為預(yù)制構(gòu)件(施工準(zhǔn)備、入模、振搗、養(yǎng)護(hù))、邊坡修整、成孔、構(gòu)件安裝、錨索施工、構(gòu)件的連接等，施工流程如圖2所示。由圖2可知，該支護(hù)結(jié)構(gòu)可以在邊坡修整、錨索成孔施工時(shí)同時(shí)進(jìn)行鋼節(jié)點(diǎn)和預(yù)制梁的施工，簡(jiǎn)化了施工步驟，縮短施工工期，而且預(yù)制過程中機(jī)械化程度高、勞動(dòng)力成本低，極大程度的降低了施工難度，使工程趨于高效、高質(zhì)及環(huán)保，特別適合一些危害大、地質(zhì)條件差、施工條件惡劣、施工工期緊的邊坡或滑坡治理工程。

圖2 裝配式框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)施工流程

裝配式框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)錨索施工時(shí)應(yīng)根據(jù)工程設(shè)計(jì)的要求準(zhǔn)確定位錨索的位置，并在坡面上進(jìn)行標(biāo)記。按照錨索孔位進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的安裝拼接，在安裝第一排預(yù)制構(gòu)件時(shí)，東西兩端各安置一個(gè)“L型”鋼節(jié)點(diǎn)，中間部分全部安置“十字型”鋼節(jié)點(diǎn)和預(yù)制梁；在安裝第二排至最后一排預(yù)制梁時(shí)，東西兩端均安置“T型”鋼節(jié)點(diǎn)，中間部分安置“十字型”制構(gòu)件和預(yù)制梁；待構(gòu)件拼接完成后，將鋼節(jié)點(diǎn)用高強(qiáng)度螺栓或電焊連接，并使用同等級(jí)的混凝土進(jìn)行封閉。預(yù)制構(gòu)件臨時(shí)固定措施應(yīng)符合設(shè)計(jì)、專項(xiàng)施工方案要符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。預(yù)制構(gòu)件采用后澆混凝土連接時(shí)，構(gòu)件連接處后澆混凝土的強(qiáng)度應(yīng)符合《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[16](GB/T 50107—2010)的規(guī)定；預(yù)制構(gòu)件采用型鋼焊接時(shí)，型鋼焊縫接頭質(zhì)量除滿足設(shè)計(jì)要求外，還需滿足《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》[17](GB 50661—2011)和《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[18](GB 50205—2001)的規(guī)定。

2 承載特性研究

為了研究鋼節(jié)點(diǎn)連接的裝配式框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)承載特性，采用MIDAS GTS軟件對(duì)該裝配式框架不同鋼節(jié)點(diǎn)和預(yù)制梁的應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律進(jìn)行研究。

2.1 MIDAS GTS模擬軟件

MIDAS GTS是專門針對(duì)巖土基坑、邊坡、隧道等變形和應(yīng)力分析而開發(fā)的“巖土結(jié)構(gòu)有限元分析軟件”，操作界面簡(jiǎn)單、易于操作、功能性廣，能夠提供完全的二維、三維動(dòng)態(tài)模擬功能。該軟件建立的數(shù)值模型是真實(shí)系統(tǒng)理想化的數(shù)學(xué)抽象模型，主要由節(jié)點(diǎn)和單元組成。

2.2 數(shù)值模型和邊界條件

隨著“放射線為主、縱橫線為輔”的甘肅省高速網(wǎng)建設(shè)，S25靜寧至天水高速公路產(chǎn)生了大量的高邊坡工程，其中ZK123+400—ZK123+650有最大填高近25 m高填方路堤；YK123+570—YK123+872有牽引式中層滑坡(坡體長(zhǎng)約220 m，寬約310 m)等，這些區(qū)段工程地質(zhì)條件較差，邊坡變形問題突出，機(jī)械施工較難。因此，數(shù)值模型選取該工程某均質(zhì)邊坡坡體邊坡高為8 m，坡率為1.0∶0.6，采用裝配式框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)。預(yù)制梁斷面尺寸為0.30 m×0.35 m，橫向和豎向預(yù)制梁的長(zhǎng)度分別為1.90 m、1.57 m。錨索水平和豎向間距均為2.80 m，錨索傾角均為15°。數(shù)值模擬相關(guān)參數(shù)見表1，其中黃土參數(shù)由地勘報(bào)告確定。

表1 數(shù)值模擬所用材料相關(guān)參數(shù)

裝配式框架模型為自動(dòng)約束的邊界條件，并采用線性靜力分析研究裝配式框架模型，其模型如圖3所示。由于作用荷載、框架結(jié)構(gòu)對(duì)稱，故通過裝配式框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)左側(cè)A、B、C、D、E、F、G鋼節(jié)點(diǎn)研究其承載特性，同時(shí)研究每個(gè)預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)連接處和中心部位的應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律，圖4為裝配式框架模型承載特性研究節(jié)點(diǎn)位置。

A-十字型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)1 B-十字型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)2 C-十字型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)3 D-T字型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)1 E-T字型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)2 F- T字型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)3 G-L字型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 十字型預(yù)制節(jié)點(diǎn)

圖5(a)和圖5(b)分別是裝配式框架十字型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化規(guī)律圖、裝配式框架十字型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)變變化規(guī)律圖。由圖5(a)可知，每個(gè)十字型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)中心1和豎向連接點(diǎn)4、5應(yīng)力大，橫向連接點(diǎn)應(yīng)力小(僅為2.0 MPa)，裝配式框架十字型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)主要豎向受力；隨著十字型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)的高度增加其節(jié)點(diǎn)整體應(yīng)力減小。由圖5(b)發(fā)現(xiàn)，單個(gè)十字型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)中點(diǎn)4應(yīng)變最大，其余各點(diǎn)應(yīng)變近似相同；裝配式框架的十字型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)變與高度的變化呈正相關(guān)增大。裝配式結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件連接處最為薄弱，因此根據(jù)十字型鋼節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)應(yīng)注意其加強(qiáng)豎向連接的強(qiáng)度。

圖5 裝配式框架十字型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)內(nèi)力變化規(guī)律

2.3.2 T型預(yù)制節(jié)點(diǎn)

圖6(a)和圖6(b)分別是裝配式框架T型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化規(guī)律圖、裝配式框架T型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)變變化規(guī)律圖。由圖6(a)可知，每個(gè)T型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)中心1和豎向連接點(diǎn)3、4應(yīng)力大，橫向連接點(diǎn)應(yīng)力小(僅為2.0 MPa)，裝配式框架T型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)主要豎向受力；T型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)隨著高度增加整體應(yīng)力減小。由圖6(b)發(fā)現(xiàn)，單個(gè)T型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)3點(diǎn)應(yīng)變最大，其余各點(diǎn)應(yīng)變近似相同；T型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)隨著高度增加整體應(yīng)變?cè)龃?。裝配式框架主要由中間框架部分受力，但是T型鋼節(jié)點(diǎn)主要分布于裝配式框架兩側(cè)，因此T型鋼節(jié)點(diǎn)相比于十字型鋼節(jié)點(diǎn)受力較小。

圖6 裝配式框架T型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)內(nèi)力變化規(guī)律

2.3.3 L型預(yù)制節(jié)點(diǎn)

表2為裝配式框架L型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和應(yīng)變。L型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)一般位于整個(gè)框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的頂部?jī)啥宋恢?。由?可知，裝配式框架L型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)所受應(yīng)力較小、應(yīng)變較大；L型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)變?yōu)檎麄€(gè)框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)變最大。由于L型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)僅分布于裝配式框架頂部?jī)蓚?cè)，同時(shí)，該節(jié)點(diǎn)相比于十字型和T型鋼節(jié)點(diǎn)所受應(yīng)力較小，因此其相比于十字型、T型預(yù)制構(gòu)件節(jié)點(diǎn)連接處強(qiáng)度可以較低。

表2 裝配式框架L型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和應(yīng)變

2.3.4 預(yù)制梁

圖7(a)和圖7(b)分別是裝配式框架預(yù)制梁應(yīng)力變化規(guī)律圖、裝配式框架預(yù)制梁應(yīng)變變化規(guī)律圖。由圖7(a)和圖7(b)可知，從裝配式整體看，豎向的預(yù)制梁應(yīng)力、應(yīng)變隨著高度增加而減小，橫向的預(yù)制梁應(yīng)力、應(yīng)變隨著框架中心到框架邊緣預(yù)制梁應(yīng)力越來越小，同時(shí)橫向預(yù)制梁應(yīng)力、應(yīng)變都很小；從單個(gè)預(yù)制梁看，豎向預(yù)制梁應(yīng)力與高度呈負(fù)相關(guān)變化、應(yīng)變與高度呈正相關(guān)變化。根據(jù)裝配式框架豎向預(yù)制梁比橫向預(yù)制梁的受力大，因此豎向預(yù)制梁和橫向預(yù)制梁可按不同配筋進(jìn)行設(shè)計(jì)，節(jié)省造價(jià)。

圖7 裝配式框架預(yù)制梁的應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究

3.1 監(jiān)測(cè)工程概況及布置方案

S25靜寧至天水高速公路莊浪至天水6標(biāo)段(YK118+800—K133+792.522)有多個(gè)高邊坡工程，由于工期要求，2K129+215到2K129+268段采用裝配式框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)，該段邊坡坡高、坡度分別為16 m、53°。根據(jù)裝配式框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)承載特性，分別取裝配式框架支護(hù)結(jié)構(gòu)1、2、3、4節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置位置如圖8所示，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器安裝如圖9所示。

圖8 裝配式框架梁現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖

圖9 裝配式框架梁現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖

3.2 裝配式節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

圖10是裝配式節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化對(duì)比圖。圖11是裝配式節(jié)點(diǎn)應(yīng)變變化對(duì)比圖。

圖10 裝配式節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化對(duì)比圖

圖11 裝配式節(jié)點(diǎn)應(yīng)變變化對(duì)比圖

通過圖10預(yù)制節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化對(duì)比圖發(fā)現(xiàn)，該裝配式框架監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、4處應(yīng)力較小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3應(yīng)力較大，裝配式框架整體隨高度不斷增加應(yīng)力越來越大，但是第一排錨索處應(yīng)力發(fā)生突變。因此該監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證模擬所得裝配式框架隨高度呈正相關(guān)變化的規(guī)律。分析3點(diǎn)應(yīng)力突變?cè)驗(yàn)樵摫O(jiān)測(cè)點(diǎn)3接近自坡頂?shù)狡碌椎谝慌佩^索，第一排錨索為防止邊坡滑動(dòng)，其拉力往往較大。根據(jù)圖11發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)4應(yīng)變最小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3應(yīng)變近似一樣，該監(jiān)測(cè)結(jié)果證明模擬所得規(guī)律：豎向整個(gè)結(jié)構(gòu)越接近坡頂節(jié)點(diǎn)應(yīng)變低，靠近坡底節(jié)點(diǎn)應(yīng)變大。

4 結(jié) 論

(1) 本文提出的裝配式框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)由等截面預(yù)制梁、鋼節(jié)點(diǎn)組成，該結(jié)構(gòu)具有施工方便、工期短、耐久性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，有效提高了工程質(zhì)量，使工程趨于高效、高質(zhì)及環(huán)保，適用于邊坡和滑坡工程。

(2) 根據(jù)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)裝配式框架十字型和T型預(yù)制鋼節(jié)點(diǎn)錨索孔和豎向的連接點(diǎn)受力較大，豎向預(yù)制梁比橫向預(yù)制梁受力大，同時(shí)裝配式框架連接處變形較大。

(3) 通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)該裝配式框架預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)主要豎向受力，其應(yīng)力隨高度增加越來越大，對(duì)于邊(滑)坡具有顯著加固作用，但是面對(duì)滑坡臨應(yīng)急救災(zāi)和高陡邊坡時(shí)，裝配式框架比現(xiàn)澆框架施工具有工期短、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。