純壓彎受力下大斷面盾構隧道管片接頭抗彎足尺試驗研究

張 力，蘇 芮，何 川，封 坤,*，方若全，徐培凱

(1.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

管片接頭一般由管片、連接螺栓和密封墊等組成，構造復雜，是裝配式襯砌結構的薄弱部分，其力學性能對于管片結構具有較大的影響[1-5]。同時由于接頭處存在張開變形和螺栓受力等復雜力學關系，其力學性能參數(shù)(如抗彎剛度等)無法通過現(xiàn)有理論準確計算。由于計算參數(shù)的多樣性和復雜性，單純依靠數(shù)值模擬很難實現(xiàn)對管片接頭受力和變形的精確計算。因此，為研究管片接頭在壓彎荷載作用下的復雜力學行為，有必要開展接頭抗彎試驗。

接頭抗彎試驗是研究接頭抗彎力學行為的直接手段，與試驗相關的研究較多[6-14]。其中較為典型的有：金躍郎等[10]針對直螺栓型原型管片接頭開展接頭抗彎試驗，研究了不同軸力和彎矩作用下管片接頭的豎向位移、張開變形以及抗彎剛度等參數(shù)，試驗邊界為一端固定鉸支、一端可動鉸支；柳獻等[11]針對某地鐵隧道管片接頭，研發(fā)試驗裝置并開展接頭抗彎試驗，研究了管片接頭變形、螺栓受力以及在壓彎荷載下接頭破壞等現(xiàn)象；封坤等[12]針對獅子洋隧道管片接頭開展接頭抗彎足尺試驗，研究了不同軸力下接頭張開量、抗彎剛度、混凝土應變和螺栓應變的變化規(guī)律，試驗中接頭試件類型為直接頭，試驗邊界為一端固定鉸支、一端可動鉸支；龔琛杰等[13]通過接頭抗彎足尺試驗，研究了不同軸力和彎矩作用下接頭變形、混凝土應變和螺栓應變與彎矩的關系；Kazuyoshi Nishikawa[14]開展接頭抗彎試驗，研究了管片接頭豎向變形和轉動變形隨彎矩的變化規(guī)律?？梢?，接頭抗彎試驗中，試驗邊界多為一端固定鉸支、另一端可動鉸支，從而保證管片接頭處于純壓彎受力狀態(tài)，使得抗彎試驗結果更加準確。在試驗中實現(xiàn)上述邊界約束時易出現(xiàn)以下問題：1)試驗邊界本身存在一定轉動剛度，即不是純鉸，可能導致管片接頭處受力未處于純壓彎狀態(tài)；2)邊界可轉動幅度較小，使得接頭轉動變形受限，管片接頭變形較大時，由于邊界限制使得管片接頭處的受力更為復雜，導致試驗結果失真。

鑒于此，本文基于自主設計研發(fā)的盾構隧道管片結構加載試驗平臺，在保證試驗時接頭處于純壓彎受力狀態(tài)的前提下，開展系列盾構隧道管片接頭抗彎試驗。試驗中對于壓彎荷載作用下接頭形變以及螺栓應力等參數(shù)進行測量，并基于試驗結果研究壓彎荷載作用下管片接頭的抗彎性能。

1 接頭抗彎足尺試驗

1.1 工程概況

蘇通GIL綜合管廊隧道工程全長5 530.5 m，其中盾構段長5 466.5 m，其縱斷面如圖1所示。工程起于南岸(蘇州)引接站，止于北岸(南通)引接站，是世界上首次在重要輸電通道中采用特高壓GIL(氣體絕緣金屬封閉輸電線路)技術。工程通過隧道穿越長江，是目前世界上電壓等級最高、輸送容量最大、技術水平最高的超長距離GIL創(chuàng)新工程。

圖1 蘇通GIL綜合管廊隧道縱斷面示意圖Fig.1 Profile of Sutong GIL

隧道底面最低點標高-74.83 m，水壓高達0.8 MPa，隧道頂板埋深20.4～47.8 m，含水層較厚，滲透性強。管片襯砌外徑11.6 m，厚度0.55 m，采用“5+2+1”的分塊方式，其中封頂塊角度為16.37°，鄰接塊最大角度為49.09°，單側楔形量250 mm，標準塊角度為49.09°。管片分塊見圖2。

圖2 管片分塊圖Fig.2 Blocking of segment

管片混凝土強度等級為C60，彈性模量為36.5×103MPa。環(huán)向接頭通過3根強度等級為10.9的M36螺栓進行連接，為增強螺栓對于接縫面的約束作用，沿幅寬方向處于中間位置的螺栓插入方向與其余螺栓不同。環(huán)向接頭細部構造如圖3所示，連接螺栓長度為665.8 mm，其中錨固段長度為190 mm。

圖3 環(huán)向接頭細部構造(單位：mm)Fig.3 Detailed structure of segmental joint (unit:mm)

1.2 加載方式

由于試驗主要研究對象為管片接頭而非管片本體，因此采用更容易控制加載的“直接頭”方案開展試驗[13]，加載方式如圖4所示。這種試驗方案的優(yōu)點在于能較為方便、準確地控制接頭處的軸力和彎矩，同時通過控制邊界條件能實現(xiàn)接頭的純彎受力狀態(tài)，使試驗結果更加準確。

根據(jù)力學原理可知，試驗中管片接頭處彎矩的計算方法為

M=Fl+Nδ。

(1)

式中：F為豎向荷載；l為豎向荷載到支座的距離；N為水平荷載；δ為接頭豎向位移。

1.3 試驗裝置與試件

根據(jù)圖4所示的加載方式，采用接頭抗彎足尺試驗裝置進行加載，如圖5所示。其中，水平方向和豎向各有2個千斤頂，單個千斤頂?shù)募虞d能力為2 500 kN，可以加載的最大軸力為5 000 kN，最大彎矩約為3 000 kN·m。試驗開始后，保持水平千斤頂?shù)暮奢d不變，逐步增大豎向千斤頂?shù)牧?。試驗中豎向荷載作用點到試件邊界的距離為1.2 m。

(a) 正彎加載

(b) 負彎加載圖4 接頭抗彎足尺試驗加載方式(單位：m)Fig.4 Loading method of full-scale test of segmental joint (unit:m)

圖5 接頭抗彎足尺試驗加載裝置Fig.5 Loading device of full-scale test of segmental joint

原型管片的幅寬為2 000 mm，接頭處通過3顆直螺栓進行連接。為了方便澆筑和開展試驗，根據(jù)既有方法開展試驗[12]。本次試驗選取原型管片的1/3作為研究對象，即試件寬度為668 mm。根據(jù)原型管片的接頭構造和配筋情況，在室內進行接頭試件的澆筑和養(yǎng)護，試件澆筑前和澆筑后分別如圖6和圖7所示，待養(yǎng)護完成后在試驗裝置上進行拼裝。由于接頭防水材料對接頭抗彎性能的影響較小[14]，試驗時接縫面處未放置止水條等防水材料。

圖6 澆筑前試件Fig.6 Test specimen before casting

圖7 澆筑后試件(單位：mm)Fig.7 Test specimen after casting (unit:mm)

1.4 邊界條件

管片接頭的構造復雜，導致其在承受荷載時的受力相對復雜。荷載相同而邊界不同時，接頭處可能出現(xiàn)受彎、受剪或者兩者的組合，因此采用如圖4所示的加載模式時，須將試件與加載裝置進行連接并保證其可以自由轉動，從而使接頭處于純彎受力狀態(tài)。試件與加載裝置的連接如圖8所示，試件與鉸支座通過12顆連接螺栓進行栓接(兩側各6顆)，此時試件兩端具有和鉸支座一樣的轉動自由度。

(a) 試件與鉸支座連接實況

(b) 連接螺栓分布情況圖8 試件與加載裝置連接方式Fig.8 Connection between test specimen and loading device

1.5 量測方案

在軸力和彎矩的作用下，管片接頭發(fā)生張開變形和轉動變形，接縫面受壓側混凝土壓緊，連接螺栓因接頭張開而明顯受力，因此在研究接頭抗彎性能時應著重分析不同軸力和彎矩下接頭的張開(或閉合)變形、豎向變形和螺栓應力等參數(shù)。

1.5.1 接頭變形

接頭變形包括接頭張開(或閉合)變形、接頭豎向位移和接頭張開高度。其中，接頭張開量(或閉合量)和豎向位移采用測量精度為0.01 mm的差動式位移計(LVDT)進行測量，測點布置及測量方法如圖9所示。接頭張開高度為接頭張開沿接縫面發(fā)展的高度，由于接頭的豎向變形導致采用LVDT難以準確采集張開高度數(shù)據(jù)，故采用高精度鋼尺沿張開高度發(fā)展方向對其進行直接測量。

(a) 張開量和閉合量

(b) 豎向位移

(c) 差動式位移計(LVDT)圖9 接頭張開量、閉合量和豎向位移測量方法Fig.9 Measuring method of opening,closure and vertical displacement of segmental joint

1.5.2 螺栓應變

螺栓在管片接縫中的位置如圖10(a)所示。從圖10(a)中可以看出，連接螺栓與螺栓孔之間存在一定的空隙，因此在本次試驗中采用螺栓兩側開槽引線連接應變片的方法，開槽寬度約4 mm，深度約2 mm(見圖10(b))。應變片沿著螺栓長度方向布置，試驗前在螺栓上施加95.96 kN的預緊力。

(a) 螺栓在接縫中的位置

1.6 加載工況

試驗以等軸力的方式進行加載，即對于每一組軸力工況，保持水平方向荷載N不變，持續(xù)增大豎向荷載。實際工程中管片結構承受的水壓最高達0.8 MPa，根據(jù)梁彈簧模型測算得到全幅寬管片結構所承受的最大軸力為12 000 kN，對應于本次試驗的試件，其最大軸力為4 000 kN。鑒于此，本次試驗在水平荷載1 000～4 000 kN時以1 000/3 kN為增量選取10組工況進行加載試驗。每組工況下的水平荷載及其對應的最大豎向荷載如表1所示。

表1 接頭抗彎試驗加載方式工況Table 1 Loading conditions in full-scale test of segmental joint kN

2 試驗結果分析

2.1 接頭豎向位移

接頭豎向位移隨軸力和彎矩的變化規(guī)律如圖11所示。由圖可知：1)不同軸力下接頭豎向位移隨著彎矩呈非線性變化，其變化曲線可分為彎矩較小時的線性變化段和彎矩較大時的非線性變化段。2)相同彎矩作用下，軸力越大，接頭豎向位移越小，表明軸力抑制接頭變形，但隨著軸力增大到一定程度，其抑制接頭變形的效果逐漸減小。3)負彎矩下，不同軸力對應的接頭豎向位移-彎矩曲線之間的間距明顯小于正彎矩時曲線之間的間距，表明正彎矩下接頭豎向位移對于軸力的變化更加敏感。4)軸力較小(1 000～2 333 kN)且接頭豎向位移相同時，接頭正彎矩略小于負彎矩；軸力較大(2 667～4 000 kN)且接頭豎向位移相同時，接頭正彎矩略大于負彎矩。

圖11 豎向位移隨著接頭軸力和彎矩的變化規(guī)律Fig.11 Variation of joint vertical displacement with axial force and bending moment

2.2 接頭張開量和閉合量

接頭張開量和閉合量是設計接頭結構和反映接頭變形性能的重要參數(shù)。接頭張開量和閉合量隨彎矩和軸力的變化規(guī)律分別如圖12和圖13所示。由圖12可知，正負彎矩下接頭張開量隨彎矩的變化規(guī)律相似，彎矩越大張開量增大的速率越大，正彎矩下接頭張開量對于軸力的變化更加敏感。軸力和彎矩大小相同時，由于接頭外緣的變形空間更大，正彎矩下接頭張開量一般比負彎矩下接頭張開量大，表明正彎矩下接頭更易發(fā)生張開變形。由圖13可知：接頭閉合量隨彎矩的變化規(guī)律存在一定差異，隨著彎矩的增大，負彎矩下接頭閉合量增長較快且增幅均勻，而正彎矩下接頭閉合量先緩慢增大后快速增大，軸力和彎矩大小相同時，負彎矩下接頭閉合量一般大于正彎矩的。

圖12 張開量隨著接頭軸力和彎矩的變化規(guī)律Fig.12 Variation of joint opening with axial force and bending moment

圖13 閉合量隨著接頭軸力和彎矩的變化規(guī)律Fig.13 Variation of joint closure with axial force and bending moment

2.3 接頭張開高度

接頭張開高度隨接頭軸力和彎矩變化的規(guī)律如圖14所示。由圖可知，接頭張開高度受彎矩作用方向的影響較大。正彎矩作用下，接頭張開高度隨彎矩的變化趨勢為先快速增長后緩速增長，曲線在接近其最大值之前不存在明顯的“平臺段”；負彎矩作用下，軸力較小時(1 000～2 333 kN)，接頭張開高度先隨彎矩增大迅速增大，而后由于螺栓的限制，張開高度隨彎矩的變化曲線出現(xiàn)明顯的“平臺段”，隨后隨著彎矩進一步增大，接頭張開高度增大速度加快；軸力較大時(2 667～4 000 kN)，張開高度隨著彎矩的變化曲線在出現(xiàn)平臺段后，再隨彎矩增大而增大的趨勢不明顯。

圖14 接頭張開高度隨軸力和彎矩的變化規(guī)律Fig.14 Variation of joint opening height with axial force and bending moment

2.4 接頭轉動角度

接頭轉動角度隨著軸力和彎矩的變化規(guī)律如圖15所示。由圖可知，接頭轉動角度隨著彎矩和軸力的變化規(guī)律與接頭豎向位移、接頭張開量隨軸力和彎矩的變化規(guī)律相似。接頭轉動角度最大值約為0.045 rad，類似接頭抗彎試驗中，當接頭轉動角度接近該值時，接頭彎矩已接近破壞，而本次試驗中接頭轉動角度接近該值時，接頭處未見明顯破壞現(xiàn)象。這可能與試驗邊界有關，在該邊界約束下管片接頭處承受荷載僅軸力和彎矩，接頭可發(fā)生較大的轉動變形。

圖15 接頭轉動角度隨著接頭軸力和彎矩的變化規(guī)律Fig.15 Variation of joint rotation angle with axial force and bending moment

2.5 螺栓應力

接頭螺栓應力隨軸力和彎矩的變化規(guī)律如圖16所示。隨著彎矩的增大，接頭張開變形使得螺栓受拉，接頭豎向變形使得螺栓受彎，圖16中螺栓應力即為螺栓在拉伸和彎曲共同作用下的最大應力。由圖可知，螺栓應力的最大值接近700 MPa，而螺栓的屈服應力為900 MPa，表明螺栓仍未屈服。隨著軸力增大，螺栓開始明顯受力時的彎矩越大；螺栓應力隨彎矩增大先緩慢增大后迅速增大，其變化曲線較為平滑，表明螺栓受力仍處于彈性階段。

圖16 螺栓應力隨接頭軸力和彎矩的變化規(guī)律Fig.16 Variation of bolt strain with axial force and bending moment

3 結論與建議

本文設計了可使接頭具有較大轉動角度、保證其處于純壓彎受力狀態(tài)的抗彎加載裝置，并針對蘇通GIL綜合管廊工程盾構隧道管片接頭(外徑11.6 m，厚度550 mm)開展接頭抗彎足尺試驗，分別對軸力1 000～4 000 kN下接頭抗彎力學參數(shù)進行量測和分析?；谠囼灲Y果得到以下結論：

1) 在純壓彎受力狀態(tài)下，接頭豎向位移、張開量、閉合量、彎矩-轉角以及螺栓應力隨著彎矩的變化曲線均相對較為平滑；不同彎矩作用方向下，接頭張開高度隨彎矩變化曲線可分不同變化階段，其中正彎矩下可分為2個階段而負彎矩下可分為3個階段。

2) 采用文中接縫形式及螺栓連接方式時，軸力對于正彎矩下接頭抗彎性能的影響大于其對負彎矩下接頭抗彎性能的影響。

3) 采用文中接縫形式及螺栓連接方式時，正彎矩下接頭抗彎性能與負彎矩下的有一定差異，且兩者之間的差異隨著軸力增大而減小。

在類似的接頭試驗中，建議將接頭參數(shù)隨彎矩變化規(guī)律與接頭受力狀態(tài)相結合，給出更適用于工程的定量指標。