城市鐵路明挖隧道裝配式襯砌接頭性能研究

崔 濤，張繼清，劉 瑜，郭劍勇

(1.中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300142；2.城市軌道交通數(shù)字化建設(shè)與測評技術(shù)國家工程實驗室，天津 300142)

目前我國正在大力推進(jìn)裝配式結(jié)構(gòu)，采用裝配式結(jié)構(gòu)不僅可以提高施工效率，改善施工質(zhì)量，還可以縮短工期降低成本[1]。裝配式結(jié)構(gòu)大多局限在上部房建結(jié)構(gòu)，地下結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多的主要有盾構(gòu)法施工隧道、預(yù)制地下管廊結(jié)構(gòu)、地鐵車站結(jié)構(gòu)等[2-8]。

隨著我國城市規(guī)模的快速發(fā)展，急需修建大量的城市鐵路隧道。軟土地區(qū)隧道埋深較淺時，城市鐵路隧道多采用明挖現(xiàn)澆法施工，極少采用明挖裝配式結(jié)構(gòu)。本文介紹一種明挖鐵路隧道裝配式襯砌橫斷面分塊及縱向接頭連接方法。采用數(shù)值模擬方法研究在彎矩和軸力作用下明挖鐵路隧道裝配式襯砌縱向接頭受力變形性能，為明挖鐵路隧道裝配式襯砌在未來的工程中應(yīng)用提供理論支撐。

1 明挖鐵路隧道裝配式襯砌橫斷面分塊及縱向接頭連接方法

以目前城市鐵路隧道常規(guī)單洞雙線形式為例，其左右線線間距為5.0 m，軌面以上有效凈空面積為100.38 m2,橫斷面高13.279 m,寬15.300 m。根據(jù)預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸及吊裝要求，將鐵路隧道裝配式襯砌橫斷面劃分為6塊,即A1，A2，A2′，A3，A3′和A4塊,如圖1(a)所示。其中A2與A2′,A3與A3′處于對稱位置。

隧道橫斷面各分塊間縱向接頭通過凹凸榫和4根5.8級M30螺栓連接，如圖1(b)所示。每根螺栓施加預(yù)緊力200 kN。

圖1 鐵路隧道裝配式襯砌分塊及其接頭的連接(單位：mm)

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

采用有限元軟件ABAQUS建立三維模型進(jìn)行分析，數(shù)值模型見圖2。

圖2 數(shù)值模型

裝配式襯砌縱向接頭在實際工程中將受到軸力、彎矩和剪力作用，通過設(shè)置凹凸榫和抗剪力鍵抵抗剪力作用，因此數(shù)值模擬中主要研究在彎矩、軸力作用下縱向接頭受力變形規(guī)律。為消除外荷載對縱向接頭局部位置的影響，采用如圖3所示的加載方式，襯砌接頭承受正彎矩的作用，襯砌環(huán)寬取1.5 m。

圖3 襯砌縱向接頭加載方式(單位：mm)

2.2 參數(shù)的選擇

混凝土采用實體單元模擬，接頭處螺栓采用桿單元模擬。接頭接觸面為硬接觸(即面面接觸)，接觸面摩擦因數(shù)設(shè)為0.4[9]。

襯砌接頭和螺栓采用雙折線本構(gòu)模型[10]，雙折線本構(gòu)模型將混凝土和螺栓的彈性模量分2個階段取值。接頭混凝土采用C50混凝土，螺栓采用5.8級M30螺栓。計算參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 接頭張開量的變化規(guī)律

圖4 不同軸力作用下接頭張開量隨彎矩變化曲線

不同軸力作用下接頭張開量隨彎矩變化曲線見圖4?？梢姡孩僭谳S力和彎矩共同作用下縱向接頭受拉側(cè)張開；②縱向接頭所受軸力一定時，隨著縱向接頭所承受彎矩的增加接頭張開量逐漸增大；③縱向接頭所受彎矩一定時，接頭張開量隨著縱向接頭所受軸力的增加而減小，說明縱向接頭所受軸力對縱向接頭的張開具有抑制作用;④在軸力一定，縱向接頭所承受的彎矩相同時，負(fù)彎矩作用下接頭張開量比正彎矩作用下小，說明縱向接頭在負(fù)彎矩作用下變形性能更好，更有利于防止縱向接頭滲漏水。

3.2 接頭應(yīng)力的變化規(guī)律

縱向接頭受力模式見圖5。

圖5 縱向接頭受力模式

不同軸力作用下接頭應(yīng)力隨彎矩變化曲線見圖6。由圖5和圖6可知：①在軸力和彎矩共同作用下受壓側(cè)接頭應(yīng)力較大。②隨著所受軸力的增加，縱向接頭能夠承受的彎矩逐漸增大。③縱向接頭所受彎矩較小時，接頭應(yīng)力隨彎矩的增加線性增大；所受彎矩超過某一值時，接頭應(yīng)力迅速增大；隨著彎矩的繼續(xù)增加，接頭應(yīng)力繼續(xù)增大，直至縱向接頭混凝土受力剝落。

圖6 不同軸力作用下接頭應(yīng)力隨彎矩變化曲線

圖7 不同軸力作用下縱向接頭螺栓應(yīng)力隨彎矩變化曲線

3.3 縱向接頭螺栓應(yīng)力的變化規(guī)律

不同軸力作用下縱向接頭螺栓應(yīng)力隨彎矩變化曲線見圖7?？梢姡孩僭谳S力和彎矩共同作用下縱向接頭螺栓應(yīng)力增大。②隨著縱向接頭所受軸力的增加，其能夠承受的彎矩逐漸增大。③縱向接頭所受彎矩較小時，螺栓應(yīng)力隨彎矩的增加線性增大；縱向接頭所受彎矩超過某一值時，螺栓應(yīng)力迅速增大；隨著彎矩的繼續(xù)增加，螺栓應(yīng)力繼續(xù)增大，直至螺栓受拉斷裂。④軸力為 1 000 kN 時縱向接頭所能承受的正彎矩和負(fù)彎矩基本一致。隨著軸力的繼續(xù)增大縱向接頭所能承受的負(fù)彎矩大于正彎矩，且軸力越大兩者的差值越大。

4 結(jié)論

1)在軸力和彎矩共同作用下縱向接頭受拉側(cè)張開，縱向接頭破壞以受拉側(cè)螺栓屈服斷裂或受壓側(cè)混凝土剝落為標(biāo)志。

2)縱向接頭所受軸力一定時，隨著承受彎矩的增加接頭張開量逐漸增大?？v向接頭所受彎矩一定時，接頭張開量隨著所受軸力的增加而減小，說明軸力對縱向接頭的張開具有抑制作用。

3)隨著縱向接頭所受軸力的增加，其能夠承受的彎矩逐漸增大?？v向接頭所受彎矩較小時，接頭應(yīng)力隨彎矩的增加線性增大；縱向接頭所受彎矩超過某一值時，接頭應(yīng)力迅速增大；隨著彎矩的繼續(xù)增加，接頭應(yīng)力繼續(xù)增大，直至縱向接頭混凝土受壓剝落。

4)縱向接頭所受彎矩較小時，螺栓應(yīng)力隨彎矩的增加線性增大；縱向接頭所受彎矩超過某一值時，螺栓應(yīng)力迅速增大；隨著彎矩的繼續(xù)增加，螺栓應(yīng)力繼續(xù)增大，直至螺栓受拉斷裂。