全裝配式地鐵車站結構接頭抗彎承載能力試驗研究

蘇會鋒， 李習偉， 王 臣

(1. 北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044； 2. 山東科技大學 交通學院，山東 青島 266590；3. 中國礦業(yè)大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221116； 4. 北京城建設計發(fā)展集團股份有限責任公司，北京 100037)

城市軌道交通建設已進入飛速發(fā)展階段，然而作為地鐵車站主要施工方法的明挖(蓋挖)現(xiàn)澆法仍存在諸多問題。例如，在東北等冬季寒冷地區(qū)，混凝土澆筑質量難以保證，且采取保暖措施時易發(fā)生火災等施工風險；更為嚴重的是，國內勞動力尤其熟練技術工人嚴重短缺，無法滿足車站施工大量用工的需求。為有效解決上述問題，參照北歐、俄羅斯等高緯度嚴寒地區(qū)和國家地鐵工程建設經(jīng)驗[1-3]，采用預制裝配式地鐵車站不失為一種較佳選擇。日前，長春地鐵已經(jīng)選定二號線的袁家店站作為采用預制裝配式結構的試驗工點。不同于國外結構采用構件部分預制、接頭現(xiàn)澆的方式，袁家店站采用拱頂直墻、單拱無柱全預制裝配式結構形式，每2m一環(huán)，每環(huán)由7塊薄壁空腔的預制塊構成，結構形式見圖1。預制件在工廠預制，現(xiàn)場拼裝，不但能保證施工質量，同時也大大加快施工速度，這對于全裝配式車站結構接頭形式的選擇及確定尤為重要。

預制裝配式結構常用的接頭形式主要有螺栓式、鉸接式、銷插入式、楔式以及榫式等，每種接頭都有其缺點及適用范圍[4-5]。對于裝配式地鐵車站，以加快拼裝速度并保證精度為直接要求，以強化接頭連接可靠性和抗變形能力并能起到一定防水作用為根本目的，設計出一種接頭預留空隙并灌注漿液的榫槽注漿式接頭。此種接頭的力學性能尤其抗彎承載能力在很大程度上決定了結構整體的變形和抗彎承載能力。

目前，針對地下工程裝配式結構接頭力學性能的研究對象主要集中在盾構隧道管片接頭[6-11]，而盾構隧道管片接頭的研究成果很難應用到明挖地鐵車站接頭設計中。榫槽注漿式接頭的抗彎性能并沒有現(xiàn)有的理論和經(jīng)驗可循，因此有必要對接頭進行原型試驗研究，以明確其具體的抗彎承載能力，為設計提供指導。

1 試驗方案

1.1 接頭尺寸初步確定

首先基于拼裝的便利及精度要求，由抗剪承載需要[12]初步確定榫頭、榫槽的高度、寬度和錐度(側面坡角)，共設計2種不同長度的單榫槽式接頭(長榫頭及短榫頭)，見圖2。2種接頭榫頭、榫槽位置的配筋率均為1.83%，鋼筋保護層厚度均為3 cm，混凝土標號為C50，作為車站預制件的備選接頭形式。

1.2 注漿材料、接縫預留空隙量及注漿范圍

(1) 注漿材料

通過一系列試驗研究，研發(fā)出具備較好的物理力學性能、較好的防水性能、與混凝土有良好的黏結性能及相對純環(huán)氧樹脂造價更低等眾多優(yōu)點的改性環(huán)氧樹脂材料(環(huán)氧樹脂與石英粉的質量比為1∶0.5)，并將其作為接頭注漿材料。

(2) 接縫預留空隙量

從降低注漿材料用量及保證注漿效果兩個角度考慮，拼裝后的榫頭和榫槽中心間預留縫寬為5 mm。

(3) 注漿范圍

設計3種注漿范圍：最小、最大及設計注漿范圍。只在榫頭和榫槽中心間5 mm的預留縫注漿為最小注漿范圍，設計注漿范圍是在最小注漿范圍面的兩側各擴大60 mm的注漿區(qū)，最大注漿范圍為兩側擴大到100 mm。

1.3 傳感器布置

在接頭表面關鍵位置布設50組混凝土應變片，在接頭內部關鍵位置布設20組鋼筋應變片，并用拉繩式及頂桿式位移計進行接縫張開量及撓度監(jiān)測。

1.4 加載軸力

在假定車站埋深3 m及5 m的情況下，利用荷載-結構模式理論，考慮接頭為全剛、半剛半鉸、1/4剛3/4鉸、1/4鉸3/4剛等4種剛度情況對結構進行內力計算，得到最不利工況各接頭位置的軸力及彎矩值。經(jīng)過綜合考慮后把軸力簡化為5種荷載，分別為2 000、1 600、1 000、500、0 kN。

1.5 試驗加載

試驗加載在自制的鋼筋混凝土試驗坑中進行，加載過程中試件水平臥放，見圖3。由2臺額定噸位為400 t的千斤頂分別提供軸力和彎矩，千斤頂尾部安放高精度軸力計。試驗采用按力的分級加載制度，最初加載等級為10～20 kN，接近設計彎矩或計算破壞荷載時加載等級改為3～5 kN，每級加載完成后維持荷載至少5 min，采用DH3816N靜態(tài)應變儀進行數(shù)據(jù)采集。

2 試驗過程的抗彎承載階段

在不同設計軸力工況下進行23組破壞性軸彎組合試驗，獲得大量試驗數(shù)據(jù)及圖像等資料。通過對不同注漿范圍及不同軸力的接頭表面裂縫發(fā)展、混凝土應變、內部關鍵鋼筋應力及接縫張開情況的比較和分析，明確接頭的抗彎承載過程，并把抗彎承載分成若干關鍵階段。

2.1 長榫頭試件抗彎承載力

2.1.1 初步判斷

試件的抗彎承載經(jīng)歷了出現(xiàn)裂縫到裂縫逐漸開展延伸直至最終失去承載能力的過程。以最小注漿范圍試件為例，見圖4(a)，彎矩為150.5 kN·m時在張開側一端榫頭根部出現(xiàn)極微小裂縫，沿榫頭中部成45°方向，長度約20 mm；彎矩為220.5 kN·m時，裂縫長度達150 mm；彎矩為248.5 kN·m時，裂縫進一步發(fā)展，在上述裂縫與鋼筋混凝土交界線的交點處出現(xiàn)多條裂縫，此時張開側夾縫張開量為0.8～0.9 mm；彎矩為315 kN·m時，榫頭中部出現(xiàn)一條垂直于軸力方向的裂縫，長度100 mm，榫頭頂部出現(xiàn)一條45°裂縫，幾乎貫穿榫頭；彎矩為455 kN·m時，榫槽中部出現(xiàn)垂直于軸向力方向的裂縫，向下延伸，在榫槽根部出現(xiàn)45°向下延伸的裂縫，結構裂縫貫通；繼續(xù)加載，在彎矩達530 kN·m時，試件失穩(wěn)失去承載能力。設計注漿范圍試件接頭裂縫發(fā)展情況見圖4(b)。圖4中的曲線和數(shù)值分別為裂縫發(fā)展實際軌跡和裂縫延伸到此時的彎矩值。

3種注漿范圍試件裂縫發(fā)展過程較為相似，都為榫頭最終破壞并失去承載能力，且最終破壞形式都是沿鋼筋保護層剝離開裂，沿注漿黏結面并沒有開裂。其中，最小注漿范圍試件最終破壞時裂縫大多集中在榫頭范圍內；而設計注漿范圍及最大注漿范圍試件破壞時裂縫除主要分布在榫頭處外，在張開側沿榫槽和榫頭根部成45°方向也有一定分布。綜合分析3種注漿范圍試件裂縫發(fā)展變化情況，可以近似把抗彎承載過程分為5個階段，即裂縫出現(xiàn)階段→裂縫發(fā)展階段→榫頭裂縫貫通階段→結構裂縫貫通階段→失穩(wěn)失去承載階段。

2.1.2 明確抗彎承載關鍵階段

榫槽表面關鍵位置混凝土應變發(fā)展和表面裂縫發(fā)展規(guī)律一致，在榫頭外側靠近中心軸位置的測點應變發(fā)展曲線出現(xiàn)了較為明顯的拐點，拐點正是試件新的裂縫出現(xiàn)及應力重新分配的標志，為確定試件裂縫發(fā)展的各個階段提供指導。以軸力1 600 kN，設計注漿范圍為例，隨著彎矩的增大，共出現(xiàn)4個拐點，分別在310、380、440、490 kN·m，而這4個關鍵點，正是裂縫出現(xiàn)、裂縫發(fā)展、榫頭裂縫貫通及結構裂縫貫通的彎矩，而彎矩650 kN·m則是試件最終失去承載能力時的彎矩值，也說明結構裂縫貫通到結構最終失去承載能力還有一定的承載空間，見圖5。圖5中，表面混凝土應力由應變轉化而成。

2.1.3 校核

混凝土表面裂縫及監(jiān)測到的應變并不能及時反映結構內部應力變化情況，而通過監(jiān)測接頭內部鋼筋關鍵位置上的應變更為直接。以最小注漿范圍試件為例，其鋼筋應變片布置及應力發(fā)展曲線見圖6。

從圖6可以看出，在試件最終破壞之前，除6#測點即榫頭頂部鋼筋屈服外其余各點基本未達到鋼筋的強度，并且大部分鋼筋處于受壓狀態(tài)。從圖6中還可以看出在彎矩約為310 kN·m時，大多數(shù)應力曲線出現(xiàn)明顯拐點，這也和混凝土應變測得的結果及表面裂縫發(fā)展情況判斷結果相一致。

從距榫槽中心截面相同距離不同高度鋼筋應力曲線可以看出：鋼筋應力也經(jīng)歷了幾個較為明顯的發(fā)展階段，其中位于試件頂面附近的7#測點和10#測點應力變化最為劇烈，約在3個彎矩位置150、250、310 kN·m處出現(xiàn)拐點，結合表面裂縫發(fā)展曲線，此3個拐點也是裂縫出現(xiàn)、裂縫發(fā)展及榫頭裂縫貫通的3個關鍵點。

2.1.4 長榫頭抗彎承載關鍵階段

綜合裂縫表面發(fā)展、混凝土表面應變及內部關鍵位置鋼筋應力發(fā)展情況，統(tǒng)計出長榫頭試件的抗彎承載關鍵階段彎矩值。

(1) 軸力1 600 kN，不同注漿范圍

對于軸力1 600 kN，不同注漿范圍工況下關鍵階段的彎矩值見表1。

表1 長榫頭試件不同注漿范圍工況下關鍵階段的彎矩值

對于同種軸力不同注漿范圍的試件，結構的各個階段的承載能力也隨著注漿范圍的增大而增大。說明注漿范圍對結構的承載力有很大影響，但是這種影響隨著彎矩的增大而降低。從表1還可以看出，壓緊側漏漿對接頭的抗彎承載能力有明顯影響，一般情況下，壓緊側漏漿越嚴重，結構各個關鍵階段的彎矩值也越大，即其承載能力越強。

(2) 最小注漿范圍，不同軸力

最小注漿范圍不同軸力工況下關鍵階段彎矩值，見圖7。

可以看出，對于長榫頭試件，相同的注漿范圍、各關鍵階段彎矩值隨軸力增加基本成線性增加，軸力越大，關鍵階段彎矩值也越大。

(3) 長榫槽式接頭抗彎承載能力

對于榫頭和榫槽依靠注漿縫灌注黏性漿液連接在一起的榫長200 mm的特殊接頭結構，由于鋼筋在榫槽位置斷開，其抗彎承載能力較無接頭構件有很大不同，榫頭裂縫貫通后試件則出現(xiàn)了永久裂縫，所以建議把榫頭裂縫貫通時的彎矩值作為接頭能提供的最大彎矩。從圖7中還可以看出除軸力為0工況外，榫頭裂縫貫通時的彎矩值為裂縫出現(xiàn)時的彎矩值的2.2倍，而裂縫出現(xiàn)時及邊緣達到混凝土抗拉強度的彎矩值由簡單的理論計算公式即可得到。

2.2 短榫頭接頭試件抗彎承載能力

由于榫槽和榫頭均較短，其抗彎承載發(fā)展過程與長榫頭試件有著很大的不同，抗彎承載階段區(qū)分并不明顯。

(1) 接頭表面裂縫發(fā)展情況

在不同軸力工況作用下，試件在抗彎承載過程中表面裂縫經(jīng)歷了一系列變化，總體來看，結構均為沿黏結面附近開裂破壞而后榫槽根部出現(xiàn)多條平行裂縫，受壓面混凝土被壓潰，見圖8。

對于軸力較大工況，接頭的抗彎承載階段可以初步分為裂縫出現(xiàn)→裂縫延伸到榫頭頂→榫頭頂裂縫貫通→榫槽出現(xiàn)多條平行裂縫→最終承載5個階段；對于軸力較小工況，在加載等級3 kN情況下，前幾個階段合并成為一個階段。

(2) 短榫槽式接頭抗彎承載能力

由于榫槽及榫頭鋼筋較短，不能充分發(fā)揮鋼筋的抗彎承載作用，裂縫出現(xiàn)后開展極為迅速，故建議把裂縫開始出現(xiàn)時的彎矩值作為接頭能提供的最大彎矩，而開始出現(xiàn)裂縫時的彎矩與相同截面的素混凝土梁寬度有關。鑒于短榫槽式注漿接頭構件拼裝方便，此種接頭可以用在彎矩較小的接頭部位。

2.3 利用接縫張開量判斷抗彎承載能力

由于在接頭兩側榫肩位置對稱布設橡膠止水帶，從防水的角度，接頭接縫規(guī)定允許最大張開量為3 mm。由接縫位置布設的位移計，可測得接縫張開量隨軸力彎矩變化情況。這里將接縫張開3 mm時及前面定義的兩種榫頭能提供的最大安全彎矩值列于表2。

從表2中可以看出，除個別試件外，在接縫張開3 mm時的彎矩值都與定義的最大抗彎承載時的彎矩值較為接近，若從計算簡單的角度考慮，可以把接縫張開3 mm時的彎矩值定義為接頭抗彎承載的最大彎矩值。

表2 接縫張開3 mm時彎矩及兩種榫頭能提供的最大安全彎矩

2.4 接頭能夠安全承載的最大偏心距

為進一步比較接頭抗彎承載能力同軸力彎矩的組合關系，以重要參數(shù)即榫頭裂縫貫通(或裂縫延伸到榫頭頂)時的偏心距e=M/N進行分析，其值列于表2最右側。從表2中可以看出除軸力較小情況(軸力0、500 kN)外，e總體上集中在0.20～0.27之間。其中，在注漿范圍相同情況下(最小注漿范圍)，e隨軸力增大成線性減小；在軸力相同(1 600 kN)情況下，e隨注漿范圍增大而增大；對于軸力較大情況(軸力1 600、2 000 kN)，兩種榫頭長度的e值較為接近，即接頭的抗彎承載能力同榫頭長短關系不大。綜合以上因素，在一定的軸力范圍內，可以通過最大偏心距e確定接頭的抗彎承載能力。

3 結論

在自行設計的試驗坑對全裝配式地鐵車站結構兩種長度的單榫槽式接頭進行了不同軸力、不同注漿范圍工況下的抗彎承載試驗。通過綜合判斷表面裂縫、表面混凝土應變、接頭內部關鍵位置鋼筋應力發(fā)展變化，把榫槽式注漿接頭的抗彎承載分成若干個階段。其中，榫長195 mm接頭試件抗彎承載過程經(jīng)歷了裂縫出現(xiàn)→裂縫發(fā)展→榫頭裂縫貫通→接頭裂縫貫通→失去承載能力5個階段；榫長95 mm接頭試件抗彎承載過程也經(jīng)歷了上述5個階段，但前幾個階段在軸力較小時區(qū)分不太明顯。對兩種榫頭長度試件，從接頭抗彎承載能力角度及接頭接縫張開量角度明確了接頭能安全承載的最大彎矩，同時給出了一個綜合參數(shù)偏心距e，在榫頭長分別為195、95 mm，灌注環(huán)氧樹脂時的單榫槽式注漿接頭能承載最大彎矩數(shù)值為軸力值的0.20～0.27倍。

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