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装配式空心钢管混凝土支撑技术研究及应用

2023-08-24 18 上传者：管理员

摘要：在“双碳”战略背景下提出一种新型装配式空心钢管混凝土支撑。为了研究其受力性能并将其应用于地下车站深基坑工程中，设计并加工2个足尺寸空心钢管混凝土支撑试件，完成轴压加载试验，2个支撑试件最后均发生了混凝土压碎破坏，同时得到试件承载力指标。采用ABAQUS有限元软件建立空心钢管混凝土支撑的数值模型，开展考虑材料非线性和几何非线性的有限元分析，所得数值分析结果与试验结果吻合良好，验证了有限元模型的准确性。试验和有限元结果充分表明所提出的新型装配式空心钢管混凝土支撑满足常规工程设计要求，已成功应用于“汤马区间”2号风井工程，并与现浇钢筋混凝土支撑和装配式钢管支撑进行比较分析，结果表明该新型支撑可以显著降低碳排放量和经济成本。

关键词：
地铁车站
有限元分析
碳排放
空心钢管混凝土
装配式支撑
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1、研究背景

在地下车站深基坑工程中需要大量采用水平支撑，目前的常规做法为现浇钢筋混凝土支撑。尽管其整体刚度大，但存在施工周期长、施工难度大、建筑垃圾量大、碳排放量高等问题。因此在“双碳”战略目标背景下[1]，提出一种新型装配式空心钢管混凝土支撑，可以多次重复使用，从而显著降低碳排放指标和经济成本。该支撑主体部分为空心钢管混凝土构件，端部采用法兰连接，可以方便地进行装配式施工安装与拆除。已有研究表明，空心钢管混凝土构件与实心钢管混凝土构件在受力性能上较为接近[2,3]，因此支撑选用空心钢管混凝土截面不仅能满足承载力的需求，还可以有效减轻支撑自重，减小施工难度。

目前国内外关于钢管混凝土构件轴压力学性能已有较为丰富的研究，但大部分试验研究都是针对缩尺试件开展的，而针对实际工程中的大尺寸、高承载力的试件开展的试验研究较少，因此有必要针对其关键技术和工程应用开展研究。本文提出了一种新型装配式空心钢管混凝土支撑，设计加工了2个足尺寸空心钢管混凝土支撑试件，并完成了轴压试验和有限元分析，将该新型支撑应用于实际工程中，进一步分析了该新型支撑的经济成本和碳排放量。

2、支撑选型及分析

结合武汉地铁前川线汤云海站至马池站区间(简称“汤马区间”)2号风井施工项目进行装配式空心钢管混凝土支撑的选型与分析。该项目位于湖北府河一级阶地，周边环境复杂、承压水位高、上部覆盖细粒泥沙、下部沉积粗砂砾石，是典型的二元地层结构[4]。在开挖基坑时主要存在两个问题：一是开挖上部深厚软土产生很大的主动土压力，导致基坑变形；二是开挖揭露或揭穿含水层而引起地下水渗流破坏。因此该项目使用TRD、CSM止水帷幕并与预制围护桩同步施工，并采用排桩加内支撑的支护体系。内支撑体系中所用装配式空心钢管混凝土支撑的最大压力设计值为3 414 k N，根据项目需求设计相应的装配式空心钢管混凝土支撑截面，钢管选用Q355号钢材，为提高支撑承载力同时尽可能减少支撑自重，管内核心混凝土采用掺钢纤维的C100超高强混凝土，按照《钢纤维混凝土》(JG/T 472—2015)[5]第5条原材料配合比的相关规定制作。

根据《钢管混凝土结构技术规范》(GB 50936—2014)[6]的相关规定，钢管外径与壁厚之比D/t不应大于92，钢管混凝土构件长细比λ不应大于80，空心率不宜小于0.25，且不宜大于0.75。根据《钢管混凝土结构技术规范》的规定，将钢管外径D、钢管厚度t、混凝土内径d、有效长度L0和承载力设计值N0代入下式(1)～(4)计算。

式中：Asc为空心钢管混凝土支撑截面面积，等于钢管和管内混凝土面积之和；A0为空心部分面积；Ac为混凝土截面面积；fsc为空心钢管混凝土抗压强度设计值。

空心率取为0.5，钢管壁厚取为10 mm，代入公式(1)～(4)中，可得642 mm≤D≤920 mm,439 mm≤d≤637 mm，取D=700 mm,d=480 mm。为满足运输和施工要求，支撑分段长度不宜过大，考虑到基坑平面尺寸为37.4 m×31.4 m，各段支撑可以选择5 m和6 m长的规格。

直缝焊生产工艺简单，焊缝长度小，但焊缝强度较低，而本支撑截面尺寸较大，因此选择强度更高的螺旋焊接方式制作空心钢管。将配好的混凝土按所需要的量放入空心钢管中，将钢管混凝土放置于离心机上高速旋转，离心成型后进行常压蒸汽养护，脱模后再进行自然养护，待混凝土强度等级达到设计要求后出厂。

3、支撑轴压试验与数值模拟

3.1试验研究

设计加工了2个足尺寸空心钢管混凝土支撑试件，钢管长度5 m，外径700 mm，壁厚10 mm，混凝土外径680 mm，试件Z1混凝土厚度132 mm，试件Z2混凝土厚度153 mm。将试件截面尺寸代入公式(4)中，分别得到Z1、Z2的承载力规范计算值为16 692 k N和18 052 k N。

针对钢管加工标准板材试样，采用300 k N电子万能试验机进行单调拉伸试验：针对混凝土加工100 mm立方体试块，采用2 000 k N电液式数显压力试验机进行立方体抗压强度试验。试验后得到钢材弹性模量E0=197 900 MPa，屈服强度fy=374 MPa，抗拉强度fu=576 MPa，混凝土立方体抗压强度fcc=101.7 MPa，且各项力学性能指标均符合《钢结构设计规范》[7]要求。钢管钢材的应力—应变曲线如图1所示。

图1钢管钢材应力—应变曲线

采用30 000 k N压力试验机对2个试件进行轴压加载试验，在试件底部对称布置2个位移计，在试件四等分点上布置单向应变片和应变花，实时测量加载过程中的位移和应变数据。对试件Z1缓慢加载至22 034 k N后，荷载开始下降，位移仍在增加，此时能持续听到柱内混凝土碎裂砸落的声音，而观察钢管并无明显现象，继续加载3 min后保持位移不变，随后缓慢卸载，卸载完成后取下钢管混凝土柱，观察到靠近荷载处混凝土破裂，钢管鼓曲，其余部位未见鼓曲。对试件Z2缓慢加载至23 974 k N后，荷载开始下降，位移仍在增加，此时能持续听到柱内混凝土碎裂砸落的声音，而观察钢管并无明显现象，继续加载3 min后保持位移不变，随后缓慢卸载，卸载完成后取下钢管混凝土柱，观察到距离荷载1 770 mm处混凝土破裂，钢管未见鼓曲。现场加载照片及混凝土破坏形态如图2所示。

根据实时测量的荷载、位移和应变数据分别绘制试件Z1、Z2的荷载—位移曲线和荷载—应变曲线。荷载—位移曲线如图3所示，可知试件Z1的极限承载力为22 034 k N，极限荷载对应的位移为15 mm，试件Z2的极限承载力为23 974 k N，极限荷载对应的位移为18 mm。

对支撑试件Z1、Z2中点截面B的应变数据进行分析，得到图4所示的荷载—应变关系曲线。

由图4可知，各截面在方向4上轴向应变最大，方向2上轴向应变最小，方向1和方向3应变接近，且部分测点应变已经达到屈服应变。也可看出，同一截面上各应变发展并不均匀，这是由于实际支撑试件在轴压试验过程中存在不可避免的初始弯曲、加载偏心等因素导致的。

图2试件加载及混凝土破坏形态

3.2数值模拟

根据空心钢管混凝土支撑试件的尺寸建立几何模型，钢管和混凝土采用C3D8R实体单元进行网格划分，其中：钢管单元尺寸40 mm，单元数目7 000个，端板单元尺寸40 mm，单元数目132个，混凝土单元尺寸35 mm,Z1和Z2混凝土单元数目分别为28 600个和29 274个，有限元模型总体单元数分别为35 864个和36 538个。加载端板设置为解析刚体，无需进行网格划分。钢管和内填混凝土之间定义接触关系，在接触属性定义中，切向行为采用库仑摩擦(penalty)及小滑移(small sliding)，剪切滑移系数取为0.3，法向行为采用硬接触(hard contact)，能较为准确地模拟钢管与混凝土间的接触关系。采用位移控制方式施加荷载，加载端板一端固定约束，另一端耦合参考点RP1并施加轴向位移。钢管的非线性材料力学性能采用四段式应力-应变模型进行拟合，并结合材性试验实测的力学性能指标，转换为真实应力-塑性应变关系曲线。混凝土材料力学性能采用车力等[8]提出的钢纤维混凝土本构模型。所建立的有限元模型网格划分及边界条件如图5所示。

图3试件Z1、Z2荷载—位移曲线

图4试件Z1、Z2截面B荷载—微应变曲线

图5网格划分及边界条件

基于建立的有限元模型，开展考虑材料非线性和几何非线性的全过程分析，将得到的有限元分析结果与试验结果进行比较，有限元与试验荷载—位移曲线对比如图6所示。

试件的有限元计算结果与试验结果比较如表1所示，由比较结果可以看出，有限元计算结果与试验结果吻合良好，有限元模型具有可靠性和适用性。由有限元分析结果可知，在荷载达到7 000 k N以前，混凝土损伤因子始终等于0，表示混凝土没有发生破坏，在荷载达到7 667 k N时，混凝土损伤因子最大为0.07。

图6有限元与试验结果对比

表1试验与有限元结果比较

4、示范工程应用

该装配式空心钢管混凝土支撑已经应用于“汤马区间”2号风井施工项目，如图7所示。

图7装配式空心钢管混凝土支撑应用

该项目基坑开挖深度28 m，共布置4道支撑，从上往下第一、二道为装配式空心钢管混凝土支撑，施工迅速、安装拆卸方便，第三、四道为钢筋混凝土桁架支撑，确保支撑刚度，增强基坑稳定性，减少对基坑外土地的扰动。基坑平面尺寸为37.4 m×31.4 m，各平面内采用2根对撑和4根斜角撑组成的内支撑体系，其中装配式空心钢管混凝土对撑由6分段支撑连接组成，斜角撑由2分段支撑连接组成。

具体施工流程为：切割制作20 mm厚圆钢板，在圆钢板相应位置处开24个M30尺寸螺栓孔，使用24根加劲肋焊接连接2块圆钢板制作成双层刚性法兰，在制作好的空心钢管混凝土构件端部分别焊接2块双层刚性法兰，完成单根装配式空心钢管混凝土支撑的制作；将各段支撑运输至现场，使用高强度螺栓与法兰连接节点进行连接，如图7所示；进行基坑围护施工，开挖基坑至冠梁底标高；在基坑内架设基坑定位支架，用于临时安装固定支撑，使用龙门吊将连接好的整节支撑吊至预定的位置；浇筑冠梁，使装配式空心钢管混凝土支撑与冠梁连接成一个整体；主体结构完成后拆卸中间节点螺栓，将整节支撑吊运至基坑外，在基坑外逐节拆卸高强度螺栓；拆卸完成后将各段支撑转运至其他工地循环使用。该工程支撑压力设计值最大为3 414 k N，达到试验极限承载力的15%，是混凝土开裂荷载的45%，认为该装配式空心钢管混凝土支撑无损伤，可循环使用。

5、经济社会效益分析

5.1经济成本分析

根据装配式空心钢管混凝土支撑的承载能力设计相应的钢筋混凝土支撑和装配式钢管支撑，并将装配式空心钢管混凝土支撑与这两种支撑进行对比。使用较高强度等级混凝土制成的钢筋混凝土支撑在破除时会因混凝土强度较大而增加施工难度，因此工程上往往使用C30或C35混凝土制作钢筋混凝土支撑。使用C35强度等级的混凝土，根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[9]计算出截面尺寸为800 mm×1 000 mm、配置20根φ12HRB335普通纵向钢筋的钢筋混凝土支撑与空心钢管混凝土支撑最大承载力近似相等。设计装配式钢管支撑时，使用与装配式空心钢管混凝土支撑同样的Q355号钢材，根据《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)[7]第7.1节公式7.1.1-1计算出外径700 mm，壁厚22 mm的钢管支撑与空心钢管混凝土支撑最大承载力近似相等。

经计算，装配式空心钢管混凝土支撑中混凝土和钢材的质量分别为0.46 t/m和0.17 t/m，而空心钢管支撑中钢材质量为0.37 t/m。根据2021年11月武汉市钢材和混凝土市场价格可计算出钢筋混凝土支撑综合单价约2 000元/m，空心钢管支撑综合单价约5 600元/m，空心钢管混凝土支撑综合单价约3 200元/m。可计算并绘制出空心钢管混凝土支撑与钢筋混凝土支撑经济成本比值、空心钢管混凝土支撑与空心钢管支撑经济成本比值随重复使用次数的关系曲线，如图8所示。在重复使用5次的条件下，装配式空心钢管混凝土支撑相比钢筋混凝土支撑和装配式钢管支撑可分别节约68%和43%的经济成本。

图8经济成本比较

5.2碳排放分析

目前关于混凝土结构及钢结构碳排放计算多采用基于生命周期的统计方法(LCA)和基于投入产出的统计方法(I-O)，其中基于投入产出的统计方法计算简便，计算方法直观，基于生命周期的统计方法统计数据更为全面，包含了开采、运输等过程的碳排放，结果相对真实，因此本次碳排放计算采用基于生命周期的统计方法。

根据俞海勇[10]和刘宏强[11]等的研究成果可知，每吨混凝土碳排放量Rc=0.14 t，每吨钢材碳排放量Rs=2.11 t。可绘制出空心钢管混凝土支撑与钢筋混凝土支撑碳排放量比值、空心钢管混凝土支撑与空心钢管支撑碳排放量比值的曲线，如图9所示。在重复使用5次的条件下，装配式空心钢管混凝土支撑相比钢筋混凝土支撑和装配式钢管支撑可分别减少74%和46%的碳排放量。

图9碳排放量比较

6、结语

1)提出并设计了一种新型装配式空心钢管混凝土支撑，介绍并阐述了该支撑在“汤马区间”2号风井施工项目中的应用和具体的施工流程。

2)设计加工了2个足尺寸空心钢管混凝土支撑试件，并完成了轴压加载试验，得到了试件的破坏形态和承载力指标，2个试件的试验承载力分别是《钢管混凝土结构技术规范》计算值的1.32倍和1.33倍。

3)建立了空心钢管混凝土支撑有限元模型，对支撑轴压试验进行了数值模拟，试验结果与有限元分析结果吻合良好，验证了有限元模型的准确性。

4)在循环使用5次的条件下，装配式空心钢管混凝土支撑相比钢筋混凝土支撑和装配式钢管支撑可分别节约68%和43%的经济成本，同时可以分别减少74%和46%的碳排放量。

参考文献:

[2]查晓雄,余敏,黎玉婷,等.实空心钢管混凝土轴压承载力的统一理论和公式IJ.建筑钢结构进展,2011,13(1):

[3]卓彬,张我令,宁贵霞,等.空心大小对钢管混凝土轴压力学性能的试验研究I.建筑科学,2019,35(3):1

[4]蔡娇娇,冯晓腊,李滕龙,等.武汉一级阶地基坑降水引起土层水位变化及压缩变形研究[J].水文地质工程地质,2018,45

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部钢纤维混凝土:JG/T 472-20151S1北京:中国标准出版社,2015.

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.钢管混凝土结构技术规范:GB 50936-2014[S].北京中国建筑工业出版社,2014.