CN111636481A - 一种控裂防腐蚀的装配式钢-混凝土组合综合管廊 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控裂防腐蚀的装配式钢‑混凝土组合综合管廊，综合管廊结构由组合预制件通过现浇超高韧性水泥基复合材料拼接而成。结构横向由两个底部预制件和一个顶部预制件拼装形成拱形截面；结构纵向通过将形成的拱形截面单元连续拼装达到满足设计需求的长度。预制件采用钢‑混凝土组合截面，由型钢拱、钢筋混凝土板、剪力连接件组成。钢筋混凝土板上的结构负弯矩区留有凹槽，预制件拼装后在凹槽中现浇超高韧性水泥基复合材料，以实现预制件之间的横向和纵向连接。本发明提出的综合管廊结构承载性能优越，装配化程度高，拥有优越的控裂防腐蚀属性，通过合理布置超高韧性水泥基复合材料降低结构成本。

Description

一种控裂防腐蚀的装配式钢-混凝土组合综合管廊

技术领域

本发明涉及结构工程技术领域，具体涉及一种控裂防腐蚀的装配式钢-混凝土组合综合管廊。

背景技术

城市地下综合管廊(简称综合管廊)，是指在城市地下用于集中布设电力、通信、广播电视、给水、排水、热力、燃气等市政管线的公共隧道，是一种现代化、科学化、集约化的城市基础设施。综合管廊解决了架空线网密集、反复开挖路面、管线事故频发等问题，有利于保障城市基础设施功能，美化城市环境，提高城市的发展质量和综合承载能力。随着我国城镇化进程的深入和城市建设标准的提高，基于综合管廊的优点，国家层面对综合管廊的推进和支持力度不断加大，近年来国内不少城市相继开始铺设综合管廊网络。

钢筋混凝土综合管廊在实际工程中较为常见，通常采用预制或现浇的方式形成拱形钢筋混凝土管廊主体结构。由于混凝土自重大且在弯曲荷载作用下易于在受拉侧开裂，近年来逐步被以钢板为主体的综合管廊取代。利用钢板作为管廊的结构主体，可显著降低结构自重，施工便利，缩短施工工期并降低人力成本。然而，由于综合管廊所处的地下环境复杂，容易造成钢材的锈蚀；为防止钢材锈蚀的发生，对钢材进行电镀或铺设防水材料都会造成结构成本的增加。另一方面，较小厚度的钢板易于发生屈曲破坏，增加结构失效的风险。

近年来，随着国家工业化水平的不断提升，要求建筑业逐步推行工业化、装配化的建造和施工。传统大量现浇混凝土的综合管廊形式及施工方法并不能满足现今的建筑业发展趋势，亟需提出装配化程度更高的综合管廊结构形式。

发明内容

为改善传统钢板综合管廊易于锈蚀的问题和混凝土综合管廊易开裂的问题，改善结构承载性能并提升装配化水平，本发明提供了一种控裂防腐蚀的装配式钢-混凝土组合综合管廊。

一种控裂防腐蚀的装配式钢-混凝土组合综合管廊，包括：混凝土基座以及安装在所述混凝土基座上的预制件，所述的预制件包括底部预制件和顶部预制件，所述的预制件包括：型钢拱、焊接在所述型钢拱上翼缘的剪力连接件以及浇筑在所述型钢拱上方的钢筋混凝土板，所述的钢筋混凝土板顶面上留有凹槽，相邻预制件的钢筋混凝土板之间的凹槽连通，在该连通的凹槽内浇筑超高韧性水泥基复合材料。

所述综合管廊结构中，所述的预制件支承在所述混凝土基座上，两个底部预制件和一个顶部预制件拼装在横向上形成拱形，所述的钢筋混凝土板上的凹槽内浇筑高韧性水泥基复合材料，以实现预制件之间的横向和纵向连接。结构纵向通过将形成的拱形截面单元连续拼装达到满足设计需求的长度。

所述预制件采用钢-混凝土组合截面，由型钢拱、钢筋混凝土板、剪力连接件组成；所述钢筋混凝土板浇筑在型钢拱上方，并通过焊接在型钢拱上翼缘的剪力连接件传递剪力，保证组合截面的协同受力；所述预制件的加工过程在工厂完成，并运输至施工现场进行拼装。

所述的型钢拱包括工形截面型钢拱和箱形截面型钢两种形式，可采用一种或两种。

所述预制件的型钢拱端部设有端板，并在所述端板上开有螺栓孔；底部预制件和顶部预制件拼装时，通过布置高强螺栓穿过所述端板，对相邻预制件的型钢拱进行连接。

所述的钢筋混凝土板上适当位置留有凹槽，具体为所述的钢筋混凝土板上的负弯矩区留有凹槽，在完成预制件的拼装后，在凹槽中现浇超高韧性水泥基复合材料，以实现预制件之间的横向和纵向连接。

所述综合管廊结构中，在结构横向，所述钢筋混凝土板的凹槽设置在拱形截面1/4跨和3/4跨附近区域；在结构纵向，所述钢筋混凝土板的凹槽设置在所述型钢拱拱顶附近区域；所述钢筋混凝土板凹槽的设置区域与结构在竖向均布荷载作用下的负弯矩区相一致。

本发明采用的超高韧性水泥基复合材料，其成分包括水泥、活性矿物掺合料、骨料、纤维和水，活性矿物掺合料包括粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣、偏高岭土，其中，水泥和活性矿物掺合料采用以下重量百分比的原料：

本发明提出的综合管廊结构，采用将钢拱-混凝土板组合预制件装配成型，并现浇超高韧性水泥基复合材料实现连接，具备以下优点：

(1)钢筋混凝土板与钢拱形成组合截面，利用两者之间的协同工作机理和组合效应，产生“1+1>2”组合优势，结构承载性能优越。

(2)所提出的综合管廊结构由预制件拼接而成，预制件完全在工厂加工后运输到现场，易于产业化集成，并保证了预制件的加工精度和质量；施工现场进行高强螺栓装配化施工，并进行少量的超高韧性水泥基复合材料现浇作业，施工效率高，大大缩短施工工期，降低人力成本。

(3)超高韧性水泥基复合材料浇筑在相邻预制件接头位置，保证相邻预制件在结构横向和纵向的有效连接；超高韧性水泥基复合材料的浇筑位置与结构负弯矩区位置相一致，可充分利用超高韧性水泥基复合材料的受拉性能，保证结构外表面仅在现浇带出现多条细密裂缝，有效控制结构表面的裂纹发展，阻隔结构内部环境与外部土壤环境，从而产生显著的控裂防腐蚀效果。

(4)主体结构采用普通混凝土材料，仅在关键位置采用少量超高韧性水泥基复合材料，显著降低了结构的材料成本，提升结构体系的经济性。

附图说明

图1为综合管廊结构的正视图；

图2为综合管廊结构的俯视图；

图3-1为综合管廊结构的A-A剖面图：钢拱采用工形截面；

图3-2为综合管廊结构的A-A剖面图：钢拱采用箱形截面；

图4-1为综合管廊结构的B-B剖面图：钢拱采用工形截面；

图4-2为综合管廊结构的B-B剖面图：钢拱采用箱形截面；

图5-1为综合管廊底部预制件的正视图；

图5-2为综合管廊底部预制件的俯视图；

图6-1为综合管廊顶部预制件的正视图；

图6-2为综合管廊顶部预制件的俯视图；

图7为综合管廊预制件连接点C处详图；

图8-1为竖向均布荷载作用下综合管廊结构横向截面弯矩分布图；

图8-2为竖向均布荷载作用下综合管廊结构纵向截面弯矩分布图。

具体实施方式

下面结合附图1～8，详细说明本发明的实施方式。

如图1～2所示，一种控裂防腐蚀的装配式钢-混凝土组合综合管廊由预制件、现浇超高韧性水泥基复合材料2、混凝土基座3组成；预制件1包括底部预制件1-1和顶部预制件1-2两种；综合管廊结构支承在混凝土基座3上。

如图2所示，结构横向由两个底部预制件1-1和一个顶部预制件1-2拼装形成拱形截面；结构纵向通过将形成的拱形截面单元连续拼装达到满足设计需求的长度。

如图3-1～3-2、图4-1～4-2、图5-1～5-2及图6-1～6-2所示，预制件采用钢-混凝土组合截面，由型钢拱4、钢筋混凝土板5、剪力连接件6组成；钢筋混凝土板5浇筑在型钢拱4上方，并通过焊接在型钢拱4上翼缘的剪力连接件6传递剪力，保证组合截面的协同受力；预制件的加工过程在工厂完成，并运输至施工现场进行拼装；型钢拱4包括工形截面型钢拱4-1和箱形截面型钢拱4-2两种形式。

如图7所示，预制件的型钢拱4端部设有端板7，并在端板7上开有螺栓孔；底部预制件1-1和顶部预制件1-2拼装时，通过布置高强螺栓8穿过端板7，对相邻预制件1的型钢拱4进行连接。

如图5-1～5-2及图6-1～6-2所示，钢筋混凝土板5上适当位置留有凹槽，在完成预制件的拼装后，在凹槽中现浇超高韧性水泥基复合材料2，以实现预制件之间的横向和纵向连接。

如图8-1所示，在竖向均布荷载作用下，结构横向拱形截面上的弯矩分布符合下列规律：正弯矩区9出现在拱顶及两个拱脚位置，负弯矩区10出现在拱形截面1/4跨和3/4跨附近区域；如图8-2所示，在竖向均布荷载作用下，结构纵向截面上的弯矩分布符合下列规律：正弯矩区9出现在相邻钢拱间的跨中位置，负弯矩区10出现在拱顶附近区域。结合图1～2所示的钢筋混凝土板5的凹槽位置，可见结构中现浇超高韧性水泥基复合材料2的位置与负弯矩区10的出现位置相符合。在负弯矩区10，结构外表面受拉而内表面受压，结合超高韧性水泥基复合材料2受拉抗裂的特性，可有效控制结构表面的裂纹发展，达到阻隔结构内部环境与外部土壤环境的目的，有效获得控裂防腐蚀的效果。

本发明采用的超高韧性水泥基复合材料，其成分包括水泥、活性矿物掺合料、骨料、纤维和水，活性矿物掺合料包括粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣、偏高岭土，骨料最大粒径不超过0.5mm，纤维采用聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维中的一种或一种以上的组合，纤维长度为5mm～25mm，直径为0.015mm～0.055mm，弹性模量为30GPa～150GPa，抗拉强度为1000MPa～3500MPa，极限伸长率为2％～15％，水泥和活性矿物掺合料各组分的重量比为：

对于上述配合比下获得的超高韧性水泥基复合材料的性能测试表明，其单轴抗拉强度可达5.7％(同等强度混凝土的1.3倍)，极限拉伸应变可达3.2％(约为混凝土的320倍)，极限拉伸应变时对应的裂缝宽度为0.049mm；抗弯强度为12.8MPa(约为混凝土的2倍)，单轴抗压强度为48MPa，对应峰值荷载的压应变为0.55％(约为混凝土的2倍)。

本发明提出的钢-混凝土组合综合管廊，其采用普通钢筋混凝土板与超高韧性水泥基复合材料相结合的方式，将混凝土板用于压应力区，超高韧性水泥基复合材料用于拉应力区，使得两者材料性能得到充分发挥，使得结构承载性能最大化。与传统钢筋混凝土综合管廊相比，由于超高韧性水泥基复合材料的抗裂属性，不仅有效阻止水和氯离子渗入导致的钢筋锈蚀，还可有效避免由于拉应力区开裂导致的结构刚度劣化；此外，型钢拱提供的面外支承作用进一步改善了管廊结构的刚度、强度和稳定性。研究表明，通过合理优化设计，本发明提出的钢-混凝土组合综合管廊中钢筋混凝土层厚度仅需传统钢筋混凝土管廊体系的1/2，且规避了防腐措施所需的额外成本；因此，本发明提出的综合管廊体系具备显著的承载性能优势和经济性优势。

Claims (6)

1.一种控裂防腐蚀的装配式钢-混凝土组合综合管廊，包括：混凝土基座以及安装在所述混凝土基座上的预制件，其特征在于，所述的预制件包括：型钢拱、焊接在所述型钢拱上翼缘的剪力连接件以及浇筑在所述型钢拱上方的钢筋混凝土板，所述的钢筋混凝土板顶面上留有凹槽，相邻预制件的钢筋混凝土板之间的凹槽连通，在该连通的凹槽内浇筑超高韧性水泥基复合材料。

2.根据权利要求1所述的控裂防腐蚀的装配式钢-混凝土组合综合管廊，其特征在于，所述的型钢拱采用工形截面型钢拱、箱形截面型钢中的一种或两种。

3.根据权利要求1所述的控裂防腐蚀的装配式钢-混凝土组合综合管廊，其特征在于，所述的预制件包括底部预制件和顶部预制件。

4.根据权利要求3所述的控裂防腐蚀的装配式钢-混凝土组合综合管廊，其特征在于，所述的预制件支承在所述混凝土基座上，两个底部预制件和一个顶部预制件拼装在横向上形成拱形。

5.根据权利要求3所述的控裂防腐蚀的装配式钢-混凝土组合综合管廊，其特征在于，所述预制件的型钢拱端部设有端板，并在所述端板上开有螺栓孔；所述的底部预制件和顶部预制件拼装时，通过布置螺栓穿过所述端板，对相邻预制件的型钢拱进行连接。

6.根据权利要求3所述的控裂防腐蚀的装配式钢-混凝土组合综合管廊，其特征在于，所述的钢筋混凝土板上的负弯矩区留有凹槽。

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