多腔式型鋼混凝土地下連續(xù)墻受彎承載力研究

摘要：總結(jié)了鋼筋混凝土地下連續(xù)墻在工程應(yīng)用中的局限性，在此基礎(chǔ)上提出多腔式型鋼混凝土（multi-cavity steel reinforced concrete，MSRC）組合結(jié)構(gòu)作為深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究設(shè)想并對其抗彎性能開展研究. 對采用不同制作工藝的兩類MSRC結(jié)構(gòu)開展純彎試驗. 試驗結(jié)果顯示，兩類構(gòu)件在承載力等性能上差異較小，均表現(xiàn)為受彎破壞且具有較好的延性與后期承載力. 對構(gòu)件受彎全過程中鋼材與混凝土相互作用進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)鋼材在中后期承擔(dān)了80%以上的彎矩，而混凝土的主要作用是延緩鋼材的局部屈曲. 分析混凝土強(qiáng)度、鋼材屈服強(qiáng)度、含鋼率對構(gòu)件受彎承載力與抗彎剛度的影響，結(jié)果顯示：三類參數(shù)均與構(gòu)件受彎承載力呈正相關(guān)，含鋼率影響最顯著，混凝土強(qiáng)度影響最??；混凝土強(qiáng)度和含鋼率與構(gòu)件初始抗彎剛度和使用階段抗彎剛度呈正相關(guān)，混凝土強(qiáng)度影響較小，含鋼率影響顯著； 鋼材屈服強(qiáng)度與抗彎剛度呈負(fù)相關(guān)，但影響在10%以內(nèi). 在平截面假定基礎(chǔ)上給出適用于MSRC結(jié)構(gòu)受彎承載力計算式，計算結(jié)果與試驗和有限元模擬值吻合較好.

關(guān)鍵詞：基坑支護(hù)；組合結(jié)構(gòu)；受彎試驗；ABAQUS

中圖分類號：TU398 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

鋼筋混凝土地下連續(xù)墻作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的一種形式，具有集擋土、承重和防滲于一體的優(yōu)點，可應(yīng)用于地質(zhì)條件復(fù)雜的大型基坑中， 因此在基坑工程快速發(fā)展的背景下得到了廣泛應(yīng)用. 然而，在其設(shè)計與施工過程中也暴露出一些長期存在的局限性：鋼筋籠現(xiàn)場綁扎需占用施工場地并消耗工期；泥漿護(hù)壁不當(dāng)易引起孔壁坍塌，造成導(dǎo)墻及地面沉降、地下連續(xù)墻表面不平整；混凝土水下澆筑容易夾泥造成墻面無規(guī)則滲水，增加后期維修難度與成本；預(yù)埋接頭質(zhì)量不理想，通常需加砌內(nèi)墻或復(fù)合墻，造成資源浪費(fèi)的同時也減少了主體結(jié)構(gòu)的使用面積.

為克服鋼筋混凝土地下連續(xù)墻的上述不足，提出用多腔式型鋼混凝土（multi-cavity steel reinforcedconcrete，MSRC）組合結(jié)構(gòu)代替鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)面內(nèi)和面外荷載，這類結(jié)構(gòu)包括多腔式H型鋼混凝土（H-MSRC）和多腔式冷彎內(nèi)卷邊槽鋼（C型鋼）混凝土（C-MSRC）.H-MSRC是指將H型鋼翼緣對接焊接在一起形成多個腔體，在腔體內(nèi)部澆筑混凝土形成的一類新型結(jié)構(gòu)；C-MSRC是指將冷彎C型鋼通過喇叭形焊縫連接形成多個腔體，在腔體內(nèi)部澆筑混凝土形成的一類新型結(jié)構(gòu).

初步分析，相較于鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，這種新型結(jié)構(gòu)特點如下：1）型鋼部分可以在工廠預(yù)制，無須占用施工場地的同時也避免了鋼筋綁扎帶來的人工和時間成本；2）型鋼作為外壁可以在混凝土澆筑時避免孔壁坍塌，減少泥漿護(hù)壁時間，利于保護(hù)周邊環(huán)境；3）鋼混組合結(jié)構(gòu)具有承載能力強(qiáng)、剛度大的優(yōu)點，同等受力條件下可使墻體厚度相較現(xiàn)澆鋼筋混凝土地下連續(xù)墻更薄，可緩解一些特大城市在深層地下空間開發(fā)中施工場地大小受到的限制； 4）鋼材作為外壁，既能避免因混凝土夾泥、開裂造成的墻面不規(guī)則滲水，也保證了墻體構(gòu)件表面平整. 故該新型結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻可兼作主體結(jié)構(gòu)內(nèi)墻. 相關(guān)研究成果表明，“兩墻合一”在縮短工期、降低工程造價、節(jié)能環(huán)保等方面具有優(yōu)勢.

綜上所述，MSRC結(jié)構(gòu)代替鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)荷載能提升施工速度、提高墻體質(zhì)量、減少資源浪費(fèi)與環(huán)境污染，在基坑工程的綠色施工、可持續(xù)發(fā)展上具有推廣價值［1-3］.

多腔式型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)可看作由多個矩形或方形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)組合而成，目前諸多學(xué)者對多腔鋼管混凝土構(gòu)件的性能做了大量研究工作. 研究內(nèi)容主要集中于多腔鋼管混凝土柱以及鋼管束組合墻的軸壓、偏壓以及抗震性能［4-8］. 而要探索該類構(gòu)件在地下空間應(yīng)用時的復(fù)雜受力性能， 對其受彎性能的研究是基礎(chǔ). 針對鋼管混凝土受彎構(gòu)件，國內(nèi)外已有研究顯示其具有良好的受彎承載力及延性［9-13］. 對其受彎承載力計算方法各國也給出相應(yīng)規(guī)范［14-16］. 但是相關(guān)研究與技術(shù)規(guī)程都是針對單個腔體的鋼管混凝土構(gòu)件. 對多腔體鋼管混凝土構(gòu)件的受彎性能研究則相對較少. 賀吉春等［17］基于全截面塑性假定，提出鋼管混凝土束剪力墻在偏壓狀態(tài)下的受彎承載力計算公式，同時指出該公式計算值比實際偏大，需乘修正系數(shù)0.8，而修正系數(shù)是否與實際相符仍有待驗證. 王文銘［18］設(shè)計了一種采用栓釘與肋板共同連接的多腔鋼板組合板，提出其受彎承載力計算方法并將計算值與試驗值對比，對比結(jié)果顯示計算值偏于保守.

因此，為了給這類新型組合結(jié)構(gòu)在地下空間中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)， 本文將從試驗和有限元分析出發(fā)，開展對MSRC結(jié)構(gòu)的抗彎性能研究，并基于試驗與有限元結(jié)果，提出適用于該類結(jié)構(gòu)的受彎承載力計算方法.