結構分割轉換工法結構組合梁可行性研究

程 鵬， 高 毅， 于少輝， 李 洋

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

隨著我國城市的發展，地面空間越來越難以滿足現階段的需求，城市地下空間亟待合理的開發利用。在城市地下空間開發過程中，明挖法、淺埋暗挖法、盾構法、頂管法等工法都存在施工風險高、環境影響大、適用條件受限等弊端。而結構分割轉換工法(structural cut and convert method，簡稱“CC工法”)作為最新的工法成果，結合CRD工法分割、暗挖的理念，以及日本Harmonica工法分部施工、受力轉換的思想，特別適用于在城市已建成區的地下空間開發。

一般情況下，CC工法建造的地下空間的主體結構頂縱梁采用型鋼箱梁。目前，型鋼箱梁設計時常面臨著是否考慮與混凝土頂板形成組合結構協同受力的問題。如不考慮，將導致梁高增大，造價增加； 如考慮，梁高減小，但其安全性尚需討論。為此，國內外學者針對該類情況組合結構進行了大量研究。文獻[1-2]研究了鋼與混凝土組合結構黏結層的剪力特性，總結了黏結層的臨界應變及其錨固長度對組合結構的影響； 文獻[3]利用有限元模擬分析了鋼與混凝土組合梁的力學行為，總結出該類組合結構的破壞特征； 文獻[4]通過在試驗中考慮梁的剪切變形，分析了界面滑移效應對組合梁的影響； 文獻[5-6]基于變分方法，建立了以撓度和軸向力為基本未知量的組合梁撓度方程，論述并提出了邊界條件，并對比分析了簡支梁一階與二階近似理論的差異，最終給出了組合梁柱二階分析的近似方法； 文獻[7]通過對組合梁彎曲變形過程黏結層滑移效應進行深入分析，研究了黏結層特性對組合梁的受力的影響。總體而言，現階段針對組合結構的試驗或有限元分析研究，多假定2種材質均為整體性較好的連續性材質，主要研究了不同材質界面的受力特點及作用機制，且其研究對象多為地面建筑或大跨度公路橋組合結構梁，但針對地下結構中混凝土板+鋼箱梁的組合結構的研究較少。

由于CC工法的特殊性，其組合結構的混凝土翼緣是相對獨立的管片，與常規的組合結構相比受力更加復雜。因此，本文在原有研究的基礎上，依托CC工法的首次工程試驗，研究CC工法頂縱梁型鋼箱梁與混凝土頂板按協同受力的組合結構進行結構設計的可行性，以期為類似工程的設計、施工提供設計思路和優化方向。

1 CC工法原理

采用機械化施工代替傳統勞動密集的人工施工是地下工程施工的趨勢，但現有的盾構、頂管機機械施工技術，無法一次掘進就完成地下停車場、地下綜合商業體等大型地下空間工程。CC工法針對大型地下空間工程的標準斷面，分割為易于施工的小型斷面，多次掘進施工，完成各條單個隧道后，再轉換成大型的地下空間。

CC工法可借用某單層3跨的結構對該工法的原理和特點進行闡述。取該結構的標準斷面進行分析，根據結構的特點，可把結構分割成如圖1所示的形式。

圖1 結構分割

把分割后結構與臨時結構組成特殊管片結構來完成分部結構的施工，如圖2所示。

圖2 結構轉換(Ⅰ)

各隧道施工完畢后，在內部空間施作梁柱等結構體系，形成最終結構，如圖3所示。

圖3 結構轉換(Ⅱ)

采用 CC工法對結構進行分割，使其能滿足盾構或頂管分部施工的條件，再把各分部結構轉化為最終需要的空間。

2 對實際工程的思考

在中鐵工程裝備的地下停車場項目中，科研團隊對CC工法進行了首次驗證，該停車場項目為地下單層5柱6跨的框架結構。整個項目建設過程僅占用2個工作井，共用時8個月。地下車庫的結構斷面如圖4所示。

圖4 地下停車場標準斷面圖

該項目首先采用組合式管節完成各分部結構的施工，形成地下停車場的輪廓，再在內部施作型鋼梁、柱。組合式管節如圖5所示。

內部縱梁雖然為鋼結構箱梁，但設計未考慮混凝土翼板的組合作用，按獨立鋼梁進行計算。在實際施工過程中存在以下問題：

1)鋼梁的計算截面過高。整個車庫的凈高受制于梁高，為滿足凈高要求，需增大結構斷面。

2)工序繁瑣。鋼箱梁現場拼接時，存在大量的腹板、翼緣焊接工作。

3)施工工效低。鋼梁上翼緣的對接焊縫為仰焊施工，施工難度高，施工效率低。試驗工程中梁、柱施工如圖6所示。

鑒于以上問題，在實際設計過程中，能否參考疊合結構，即二次施作的型鋼梁與先施作的混凝土頂板按組合梁設計，是一個值得探討的問題。若設計為疊合結構，可優化型鋼尺寸，節省工程投資。

(a)

(b)

(a)

(b)

3 組合梁的構造特點

鋼與混凝土組合梁混凝土翼緣與鋼梁接觸面之間存在縱向剪力，要保證混凝土與鋼梁共同工作，必須保證二者不發生相對滑移，因此在接觸面要設置抗剪連接件，主要用來承受鋼筋混凝土翼板與鋼梁接觸面之間的縱向剪力，控制二者之間的相對滑移。常見的組合梁形式見圖7。

(a) 混凝土組合梁

(b) 型鋼板組合梁

(c) 疊合板組合梁

針對組合梁的受力機制，文獻[8]建立了組合梁的一階和二階控制方程，分析了壓彎狀態下的簡支組合梁的力學特性；文獻[9]對鋼-混凝土組合梁在界面滑移與剪切變形雙重影響下的變形與應力進行了研究; 文獻[10]對組合梁鋼與混凝土板之間相對滑移和栓釘受力的關系進行了深入研究;文獻[11]基于組合梁的一維數學模型，研究了均布載荷作用下簡支條件下的撓度曲線，并與有限元解進行了對比分析;文獻[12]給出了鋼-混凝土組合簡支梁在均布荷載作用下的撓度變形理論計算公式;文獻[13]通過在組合梁的界面層設置假想的剪切薄層,依靠臨界面的剪切變形模擬鋼板與混凝土板之間的相對滑移,建立考慮滑移效應的鋼-混凝土組合板模型,并推導其解析解。

在實際工程中，組合梁的計算方法通常分為2類：

1)如果抗剪連接件的抗剪承載力足夠符合充分發揮組合梁抗彎承載力的要求。組合梁設計可按簡單塑性理論形成塑性鉸的假定來計算組合梁的抗彎承載能力。

2)如果抗剪連接件的設置受構造等原因影響,不能全部配置，因而不足以承擔最大彎矩點和臨近支座之間剪跨區段內所需的縱向水平剪力時，可采用部分抗剪連接設計[14]。

為了保證部分抗剪連接的組合梁能有較好的工作性能，在任一剪跨區內，部分抗剪連接時連接件的數量不得少于按完全抗剪連接設計時該剪跨區內所需抗剪連接件總數的50%。否則，將按單根鋼梁計算，不考慮組合作用。

4 試驗工程組合梁的可行性分析

組合梁的黏結層界面特性是組合梁設計的關鍵點。對于實際試驗工程的混凝土+鋼箱梁的結構形式，能否按組合梁設計，首先要分析黏結層的界面特性。

4.1 可行性分析

在實際試驗工程中，永久結構的頂縱梁采用的是鋼箱梁，設計過程中未考慮混凝土翼板的組合作用，按獨立鋼梁進行計算。試驗工程的頂縱梁如圖8所示。

(a)

(b)

隨著用于橋梁的組合梁的發展，組合梁上翼緣已有可采用預制混凝土板或部分預制的疊合板來代替現澆混凝土板的工程案例[15]。采用預制混凝土板上翼緣可以簡化施工工藝，縮短施工工期，減小施工對周圍環境的不利影響。用于橋梁的組合橋梁如圖9所示。

對比橋梁組合梁的特點，CC工法的縱梁與橋梁的組合梁有共同的特點：

1)組合梁的上翼緣是預制構件，通過縱向連接件連接成整體；

2)型鋼梁通過抗剪鍵與混凝土上翼緣連接，形成整體共同受力。

根據第3節的分析，如果抗剪連接件的抗剪承載力滿足或部分滿足發揮組合梁抗彎承載力的要求時，可考慮混凝土翼緣的組合作用。

(a) 混凝土組合梁橋

(b) 預應力組合梁橋

型鋼梁與混凝土翼板交界面的縱向剪力以彎矩絕對值最大點及支座為界限，劃分若干剪跨區計算，如圖10所示。各剪跨區縱向剪力

Vs=min{Aafa,fcbehc1}[16]。

(1)

式中：Aa為鋼梁截面面積；fa為鋼梁的抗拉、抗壓設計值；fc為混凝土抗壓強度設計值；be為組合梁混凝土翼板的有效寬度；hc1為組合梁混凝土翼板的厚度。

圖10 剪跨區示意圖

影響抗剪承載力的主要因素有螺栓的直徑d、混凝土的彈性模量Ec、混凝土的強度等級fc。考慮可靠度的因素后，根據工程經驗折減系數一般取為0.85，因此得到螺栓的抗剪承載力設計值

(2)

CC工法的縱梁能否按組合梁設計，需要根據預留在混凝土頂板中的螺栓剛度來具體分析(預留螺栓見圖8)。如混凝土翼板預留的螺栓可以或部分滿足交界面的縱向剪力，則可按組合結構設計。

4.2 關鍵構造措施

抗剪連接件是混凝土翼板與鋼板梁共同工作的基礎，它是用來承受混凝土翼板與鋼梁接觸面之間的縱向剪力，限制二者之間的相對滑動。抗剪連接件的形式有栓釘、螺栓、鋼筋等。常見的抗剪連接件形式如圖11所示。

(a) 鋼筋抗剪件

(b) 型鋼抗剪件

對于組合梁的鋼結構部分，寬而薄的板件可能局部失穩，導致鋼梁的承載力下降。因此需限制型鋼梁的翼緣、腹板寬厚比。但對于板件寬厚比的限制主要是針對連續組合梁的負彎矩截面，對于正彎矩截面，鋼部件以受拉為主，基本上不存在局部失穩的問題。

混凝土翼緣部分縱向的連接措施： 常規組合梁混凝土翼緣部分縱筋通長布置。由于CC工法的特殊性，混凝土翼緣為一塊塊獨立的板，采用縱向連接螺栓連接，整體性不如現澆板和疊合板。在組合梁正彎矩區，混凝土翼緣受壓，影響不大。但在負彎矩區，因混凝土翼緣傳遞拉力能力降低，會使整個截面的型鋼受壓區高度相較普通組合梁增加，型鋼梁的應力增大。組合梁的法向應力分布如圖12所示。

圖12 組合梁截面法向應力

抗剪連接件、型鋼構件的局部穩定性以及混凝土翼緣的連接措施是CC工法采用組合梁設計的關鍵點。

5 實際數據與理論數據對比

該試驗工程縱梁的理論彎矩值如圖13所示。

在確定剪跨區剪力時，比較型鋼與混凝土2種材質的剪力，取其小值。對于混凝土頂板，受壓翼緣的寬度可根據工程經驗取為l/3(l為梁跨度)。

對于型鋼，Vs=Aafa=60 400×300=18 120 kN；對于混凝土，Vs=fcbehc1=19.1×1 700×500=16 235 kN。

預埋M24螺栓的單根抗剪強度

(a) 組合梁彎矩圖(整體)

(b) 組合梁彎矩圖(單根梁)(單位： kN·m)

經計算可以得出，每個剪跨區需要預留的M24螺栓數為106根。每環管節頂板需要預留的螺栓數目約為30根。

在試驗工程中，根據型鋼縱梁的應力片，得到1組實測數據；然后與按組合梁理論計算的應力數值進行對比分析，對比結果如圖14所示。

圖14 頂縱梁的理論與實測數值對比

通過圖14的數據可知，現場實測值與理論值的變化趨勢是相同的，型鋼梁按組合梁考慮是合理的。但鋼梁的實測應力大于理論值，經分析有以下原因：

1)因現場頂板每環預留的螺栓為20根，作為組合梁考慮時，型鋼縱梁所承擔的荷載要大于理論計算。

2)混凝土頂板的整體性不強，相鄰管節頂僅靠螺栓連接，其作為組合梁的翼緣的作用被削減。

3)因結構模型首跨與尾跨的支點按鉸接考慮，故首跨與尾跨的實測彎矩均小于理論值。

6 結論與建議

1)CC工法實體工程中型鋼縱梁未考慮混凝土翼緣的有利作用，但通過數值模擬與監測數據對比分析可知，按組合梁結構設計是可行的。

2)混凝土翼緣與鋼梁接觸面之間存在縱向剪力，要保證混凝土與鋼梁共同工作，必須保證二者不發生相對滑移。因此，在接觸面要設置抗剪連接件，主要用來承受鋼筋混凝土翼板與鋼梁接觸面之間的縱向剪力，控制二者之間的相對滑移。

3)應采取措施防止型鋼構件局部失穩。寬而薄的板件可能局部失穩，導致鋼梁的承載力下降，因此設計過程中需限制型鋼梁的翼緣、腹板寬厚比。

4)混凝土頂板的整體性不強，相鄰管節頂僅靠螺栓連接，在負彎矩區，因混凝土翼緣傳遞拉力能力降低，會使整個截面的型鋼受壓區高度相較普通組合梁增加，型鋼梁的應力增大。

5)本文未深入研究分塊預制頂板對于組合梁的受力影響。在后續的類似工程中，可繼續深入研究此類混凝土預制構件與型鋼梁的受力機制，分析其協同變形、分塊預制頂板對組合梁受力行為的影響。