叠合墙体混凝土浇筑后受力计算分析及钢筋桁架优化

王永超，魏奇科，廖小辉，王维说

(中冶建工集团有限公司，重庆 400080)

0 引言

在地下综合管廊施工建造方式中，预制叠合装配式综合管廊建造法相较于传统现浇方式具有大幅减少工期、工业化生产程度高、劳动力需求量小等诸多优势，同时又能较好地解决全预制拼装技术中的运输吊装设备、场地要求高、直接成本高、结构整体性不好、防水质量不易控制等缺点，因而在地下综合管廊施工中具有广阔的市场前景[1]。

叠合墙板构造方式为两侧预制，中间现浇，两侧墙体之间用钢筋桁架连接（图1）。在现场施工时，两侧预制墙体可作为模板使用，节省了大量的模板，既作模板之用，那么其中叠合墙体不可避免地会在混凝土浇筑过程中承受胀模力。结合叠合墙体的结构特性可知，主要依靠钢筋桁架来抵抗胀模力，胀模力过大会导致桁架钢筋被拉坏、桁架钢筋与墙体连接处混凝土被拉坏等情况，同时胀模力不够大时桁架钢筋直径过大、桁架数量过多会导致材料的浪费。

图1 叠合墙板示意图

本文以云南西盟预制叠合装配式地下综合管廊示范段为依托，利用大型通用有限元软件ABAQUS建立有限元模型，分析了在胀模力作用下的6个不同桁架数目、不同桁架直径模型，通过计算分析得到了该工程项目上在满足承载力要求的情况下桁架榀数和桁架钢筋直径的较优解。

1 有限元模型概述

1.1 几何模型

图2 一榀桁架模型尺寸图

图3 二榀桁架模型尺寸图

有限元模型取综合管廊主要部分单片墙进行计算分析，具体尺寸见图2至图5。其中单片墙板厚度为80mm，墙体厚度为300mm，桁架钢筋直径8mm，计算模型为1榀桁架钢筋连接墙板，2榀桁架钢筋连接墙板，3榀桁架钢筋连接墙板，4榀桁架钢筋连接墙板，桁架钢筋直径都为8mm，然后将4榀桁架钢筋连接的直径替换为6mm，3榀桁架钢筋连接的直径替换为6mm。共计6个模型。

图4 三榀桁架模型尺寸图

图5 四榀桁架模型尺寸图

1.2 材料本构模型

（1） C40混凝土采用concrete damaged plasticity 模型[2]，具体参数如表1、表2。

表1 混凝土本构模型数据1

表2 混凝土本构模型数据2

（2）钢筋采用双折线模型

其中：1）HPB300级：密度7850kg/m3，弹性模量2.1e11Pa，泊松比0.3，屈服强度270MPa；2）HRB400级：密度7850kg/m3，弹性模量2.1e11Pa，泊松比0.3，屈服强度360MPa。

1.3 位移边界条件

位移边界条件分为两部分：1）每片墙与地面连接均为铰接；2）释放一面墙体底部沿厚度方向自由度，使约束成为静定。

1.4 荷载条件

混凝土胀模力取值按JGJ162-2008《建筑施工模板安全技术规范》[3]4.1.1和4.4.2中的相关规定计算。

图6 混凝土对模板的侧压力分布

每块墙之间的AB墙内表面分别施加如图6中的侧压力，同时考虑振捣产生的荷载取4kN/m2，倾倒时产生的荷载6kN/m2，组合后为梯形+矩形分布，此荷载富余度较大。

2 计算结果分析

2.1 计算过程

2.1.1 一榀桁架钢筋（直径8mm）计算结果分析

经过计算，发现加载过程中混凝土拉应力超过抗拉强度，计算结果应力分布图如图7和8。

图7 钢筋及桁架应力分布图

图8 混凝土应力分布图

图9 混凝土等效塑性应变分布图（内侧）

从图9可以看出，由于单榀桁架只在中部起约束作用，而混凝土胀模力遍布整个混凝土板，导致钢筋桁架处混凝土受拉，从图中可以看出，混凝土拉应力远超过了其抗拉强度，混凝土有被拉裂的趋势，从而导致破坏。

2.1.2 两榀桁架钢筋（直径8mm）计算结果分析

经过计算，发现加载过程中混凝土拉应力超过其抗拉强度，计算结果应力分布图如图10和图11。

图10 钢筋及桁架应力分布图

图11 混凝土应力分布图

图12 混凝土应力分布图（外侧破坏）

从图12可以看出，由于只有两榀桁架连接混凝土墙，导致两榀桁架中间区域受后浇混凝土胀模力作用而导致板向外鼓出，外侧混凝土受拉，图中看出S（11）方向拉应力过大导致混凝土开裂，从而造成破坏。

2.1.3 三榀桁架钢筋（直径8mm）计算结果分析

计算结果应力分布图如图13和图14。

图13 钢筋及桁架应力分布图

图14 混凝土应力分布图

三榀桁架的情况混凝土并没有出现破坏，整个结构也没有等效塑性应变，从图中可以看出，钢筋和混凝土受到的最大应力分别为77.35MPa和3.063MPa，且均位于墙板下部。

2.1.4 四榀桁架钢筋（直径8mm）计算结果分析

计算结果应力分布图如图15和图16。

图15 钢筋及桁架应力分布图

图16 混凝土应力分布图

可以看出同样没有等效塑性应变，钢筋最大应力处和混凝土最大应力处都在墙板靠下部分，其中钢筋最大应力为75.7MPa，混凝土最大应力为2.599MPa。

2.1.5 四榀桁架钢筋（直径6mm）计算结果分析

计算结果应力分布图如图17和图18：

图17 钢筋及桁架应力分布图

图18 混凝土应力分布图

可以看出同样没有等效塑性应变，钢筋最大应力处和混凝土最大应力处都在墙板靠下部分，其中钢筋最大应力为127MPa，混凝土最大应力为2.613MPa。

2.1.6 三榀桁架钢筋（直径6mm）计算结果分析

计算结果应力分布图如图19和图20。

图19 钢筋及桁架应力分布图

图20 混凝土应力分布图

可以看出同样没有等效塑性应变，钢筋最大应力处和混凝土最大应力处都在墙板靠下部分，其中钢筋最大应力为136.3MPa，混凝土最大应力为3.093MPa。

3 计算结果汇总（表3）

表3 后浇混凝土胀模力作用汇总

4 工程应用

经过在重庆工厂进行预制测试及西盟施工现场预制场实践验证，优化后的钢筋桁架设置的数量及规格全面满足工程制作工艺要求，如图21、图22。西盟施工现场也对叠合墙板样品段板进行了实际安装工艺验证，浇筑了叠合墙板内部现浇部分的混凝土，验证了安装工艺，确保质量稳定、安全可靠，如图23、图24，目前已在工程中实际完成了50m叠合墙体管廊安装，如图25、图26。

图23 安装工艺测试样品段

图24 施工现场预制叠合板样板

图25 施工现场浇筑混凝土

图26 施工完成后的叠合墙体管廊

5 结论

本文以云南西盟预制叠合装配式地下综合管廊示范段为依托，利用有限元软件ABAQUS建立了在胀模力作用下的6个不同桁架数目、不同桁架钢筋直径模型，对结果汇总分析，同时通过工程实践，得出如下结论：

（1）随着桁架钢筋数量的增加，混凝土和钢筋的应力逐渐减小；

（2）最大水平位移并不在悬臂端，由于最大荷载位于墙体靠下部位，因此，由于胀模力的作用，最大位移出现在墙体靠下部位；

（3）对于单榀和两榀桁架钢筋的模型，胀模力使得混凝土拉应力远超过其抗拉强度导致破坏；

（4）对于三榀和四榀桁架钢筋的模型，构件无等效塑性应变，因此预制墙体中至少应设置三榀桁架钢筋，工程考虑吊装安全富余度和钢筋桁架分布均匀，采用四榀钢筋桁架，实践证明安全可靠；

（5）对于三榀和四榀桁架钢筋的模型，减小桁架钢筋的直径对混凝土和钢筋的应力影响不明显，因此可将桁架钢筋的直径由8mm减小至6mm，工程实际应用采用6mm规格钢筋桁架，实践证明满足工艺要求，节省了工程造价成本。

[1]章友俊，彭栋木.共同沟开发与建设的思考[J].市政技术，2004，22（4）：214-215.

[2]郭旭.预加偏压作用下钢筋混凝土柱的复合受力试验研究[D].北京：中国建筑科学研究院，2015.

[3]JGJ162-2008建筑施工模板安全技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008