疊合墻體混凝土澆筑后受力計算分析及鋼筋桁架優化

王永超，魏奇科，廖小輝，王維說

(中冶建工集團有限公司，重慶 400080)

0 引言

在地下綜合管廊施工建造方式中，預制疊合裝配式綜合管廊建造法相較于傳統現澆方式具有大幅減少工期、工業化生產程度高、勞動力需求量小等諸多優勢，同時又能較好地解決全預制拼裝技術中的運輸吊裝設備、場地要求高、直接成本高、結構整體性不好、防水質量不易控制等缺點，因而在地下綜合管廊施工中具有廣闊的市場前景[1]。

疊合墻板構造方式為兩側預制，中間現澆，兩側墻體之間用鋼筋桁架連接（圖1）。在現場施工時，兩側預制墻體可作為模板使用，節省了大量的模板，既作模板之用，那么其中疊合墻體不可避免地會在混凝土澆筑過程中承受脹模力。結合疊合墻體的結構特性可知，主要依靠鋼筋桁架來抵抗脹模力，脹模力過大會導致桁架鋼筋被拉壞、桁架鋼筋與墻體連接處混凝土被拉壞等情況，同時脹模力不夠大時桁架鋼筋直徑過大、桁架數量過多會導致材料的浪費。

圖1 疊合墻板示意圖

本文以云南西盟預制疊合裝配式地下綜合管廊示范段為依托，利用大型通用有限元軟件ABAQUS建立有限元模型，分析了在脹模力作用下的6個不同桁架數目、不同桁架直徑模型，通過計算分析得到了該工程項目上在滿足承載力要求的情況下桁架榀數和桁架鋼筋直徑的較優解。

1 有限元模型概述

1.1 幾何模型

圖2 一榀桁架模型尺寸圖

圖3 二榀桁架模型尺寸圖

有限元模型取綜合管廊主要部分單片墻進行計算分析，具體尺寸見圖2至圖5。其中單片墻板厚度為80mm，墻體厚度為300mm，桁架鋼筋直徑8mm，計算模型為1榀桁架鋼筋連接墻板，2榀桁架鋼筋連接墻板，3榀桁架鋼筋連接墻板，4榀桁架鋼筋連接墻板，桁架鋼筋直徑都為8mm，然后將4榀桁架鋼筋連接的直徑替換為6mm，3榀桁架鋼筋連接的直徑替換為6mm。共計6個模型。

圖4 三榀桁架模型尺寸圖

圖5 四榀桁架模型尺寸圖

1.2 材料本構模型

（1） C40混凝土采用concrete damaged plasticity 模型[2]，具體參數如表1、表2。

表1 混凝土本構模型數據1

表2 混凝土本構模型數據2

（2）鋼筋采用雙折線模型

其中：1）HPB300級：密度7850kg/m3，彈性模量2.1e11Pa，泊松比0.3，屈服強度270MPa；2）HRB400級：密度7850kg/m3，彈性模量2.1e11Pa，泊松比0.3，屈服強度360MPa。

1.3 位移邊界條件

位移邊界條件分為兩部分：1）每片墻與地面連接均為鉸接；2）釋放一面墻體底部沿厚度方向自由度，使約束成為靜定。

1.4 荷載條件

混凝土脹模力取值按JGJ162-2008《建筑施工模板安全技術規范》[3]4.1.1和4.4.2中的相關規定計算。

圖6 混凝土對模板的側壓力分布

每塊墻之間的AB墻內表面分別施加如圖6中的側壓力，同時考慮振搗產生的荷載取4kN/m2，傾倒時產生的荷載6kN/m2，組合后為梯形+矩形分布，此荷載富余度較大。

2 計算結果分析

2.1 計算過程

2.1.1 一榀桁架鋼筋（直徑8mm）計算結果分析

經過計算，發現加載過程中混凝土拉應力超過抗拉強度，計算結果應力分布圖如圖7和8。

圖7 鋼筋及桁架應力分布圖

圖8 混凝土應力分布圖

圖9 混凝土等效塑性應變分布圖（內側）

從圖9可以看出，由于單榀桁架只在中部起約束作用，而混凝土脹模力遍布整個混凝土板，導致鋼筋桁架處混凝土受拉，從圖中可以看出，混凝土拉應力遠超過了其抗拉強度，混凝土有被拉裂的趨勢，從而導致破壞。

2.1.2 兩榀桁架鋼筋（直徑8mm）計算結果分析

經過計算，發現加載過程中混凝土拉應力超過其抗拉強度，計算結果應力分布圖如圖10和圖11。

圖10 鋼筋及桁架應力分布圖

圖11 混凝土應力分布圖

圖12 混凝土應力分布圖（外側破壞）

從圖12可以看出，由于只有兩榀桁架連接混凝土墻，導致兩榀桁架中間區域受后澆混凝土脹模力作用而導致板向外鼓出，外側混凝土受拉，圖中看出S（11）方向拉應力過大導致混凝土開裂，從而造成破壞。

2.1.3 三榀桁架鋼筋（直徑8mm）計算結果分析

計算結果應力分布圖如圖13和圖14。

圖13 鋼筋及桁架應力分布圖

圖14 混凝土應力分布圖

三榀桁架的情況混凝土并沒有出現破壞，整個結構也沒有等效塑性應變，從圖中可以看出，鋼筋和混凝土受到的最大應力分別為77.35MPa和3.063MPa，且均位于墻板下部。

2.1.4 四榀桁架鋼筋（直徑8mm）計算結果分析

計算結果應力分布圖如圖15和圖16。

圖15 鋼筋及桁架應力分布圖

圖16 混凝土應力分布圖

可以看出同樣沒有等效塑性應變，鋼筋最大應力處和混凝土最大應力處都在墻板靠下部分，其中鋼筋最大應力為75.7MPa，混凝土最大應力為2.599MPa。

2.1.5 四榀桁架鋼筋（直徑6mm）計算結果分析

計算結果應力分布圖如圖17和圖18：

圖17 鋼筋及桁架應力分布圖

圖18 混凝土應力分布圖

可以看出同樣沒有等效塑性應變，鋼筋最大應力處和混凝土最大應力處都在墻板靠下部分，其中鋼筋最大應力為127MPa，混凝土最大應力為2.613MPa。

2.1.6 三榀桁架鋼筋（直徑6mm）計算結果分析

計算結果應力分布圖如圖19和圖20。

圖19 鋼筋及桁架應力分布圖

圖20 混凝土應力分布圖

可以看出同樣沒有等效塑性應變，鋼筋最大應力處和混凝土最大應力處都在墻板靠下部分，其中鋼筋最大應力為136.3MPa，混凝土最大應力為3.093MPa。

3 計算結果匯總（表3）

表3 后澆混凝土脹模力作用匯總

4 工程應用

經過在重慶工廠進行預制測試及西盟施工現場預制場實踐驗證，優化后的鋼筋桁架設置的數量及規格全面滿足工程制作工藝要求，如圖21、圖22。西盟施工現場也對疊合墻板樣品段板進行了實際安裝工藝驗證，澆筑了疊合墻板內部現澆部分的混凝土，驗證了安裝工藝，確保質量穩定、安全可靠，如圖23、圖24，目前已在工程中實際完成了50m疊合墻體管廊安裝，如圖25、圖26。

圖23 安裝工藝測試樣品段

圖24 施工現場預制疊合板樣板

圖25 施工現場澆筑混凝土

圖26 施工完成后的疊合墻體管廊

5 結論

本文以云南西盟預制疊合裝配式地下綜合管廊示范段為依托，利用有限元軟件ABAQUS建立了在脹模力作用下的6個不同桁架數目、不同桁架鋼筋直徑模型，對結果匯總分析，同時通過工程實踐，得出如下結論：

（1）隨著桁架鋼筋數量的增加，混凝土和鋼筋的應力逐漸減小；

（2）最大水平位移并不在懸臂端，由于最大荷載位于墻體靠下部位，因此，由于脹模力的作用，最大位移出現在墻體靠下部位；

（3）對于單榀和兩榀桁架鋼筋的模型，脹模力使得混凝土拉應力遠超過其抗拉強度導致破壞；

（4）對于三榀和四榀桁架鋼筋的模型，構件無等效塑性應變，因此預制墻體中至少應設置三榀桁架鋼筋，工程考慮吊裝安全富余度和鋼筋桁架分布均勻，采用四榀鋼筋桁架，實踐證明安全可靠；

（5）對于三榀和四榀桁架鋼筋的模型，減小桁架鋼筋的直徑對混凝土和鋼筋的應力影響不明顯，因此可將桁架鋼筋的直徑由8mm減小至6mm，工程實際應用采用6mm規格鋼筋桁架，實踐證明滿足工藝要求，節省了工程造價成本。

[1]章友俊，彭棟木.共同溝開發與建設的思考[J].市政技術，2004，22（4）：214-215.

[2]郭旭.預加偏壓作用下鋼筋混凝土柱的復合受力試驗研究[D].北京：中國建筑科學研究院，2015.

[3]JGJ162-2008建筑施工模板安全技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2008