沉管隧道大比尺管节接头压弯试验研究

萧文浩 徐国平 禹海涛 袁 勇

（1.同济大学地下建筑与工程系，上海200092；2.中交公路规划设计院有限公司，北京100088；3.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092；4.同济大学土木工防灾程国家重点实验室，上海200092）

沉管隧道大比尺管节接头压弯试验研究

萧文浩1*徐国平2禹海涛1，3袁 勇1，4

（1.同济大学地下建筑与工程系，上海200092；2.中交公路规划设计院有限公司，北京100088；3.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092；4.同济大学土木工防灾程国家重点实验室，上海200092）

沉管隧道接头遭遇地震作用时，会发生压弯变形，而接头刚度最能表征其变形规律。目前，缺少沉管隧道接头力学性能试验数据，同时设计或计算分析采用的接头刚度模型没有充分的验证。根据接头构造设计特点，进行几何比尺为1∶10的大比尺管节接头压弯试验，研究接头在轴向压力为500 kN下的弯曲变形规律。试验结果表明，随着轴向压力的增加，接头轴向压缩刚度有明显的增加；随着弯矩的增大，接头转角呈非线性增长，与此同时接头张开量呈反对称变化；卸载后接头存在一定的轴向和弯曲残余变形。

沉管隧道，结构试验，压弯，接头刚度，接头变形

1 引 言

沉管隧道接头指沉管管段之间、管段与端头竖井之间的连接构件，是沉管隧道结构的薄弱部位，同时接头也是防水构造不可缺少的一环。接头设计要考虑温度变化、地震力、沉降以及其他作用下的各种力学行为。因此，实际工程设计需要掌握沉管隧道接头的变形规律以及其影响因素。

在地震作用下，沉管隧道受到水平力的往复作用而产生弯曲，从而造成刚度较小的接头张开。接头张开的大小直接影响沉管隧道的安全。由于沉管隧道接头构造复杂，目前对其研究主要集中于有限元数值模拟分析其受力机理，如严松宏等［1］建立了离散化模型分析，比较了沉管隧道刚性连接，铰接连接和弹性连接对隧道接头的动力性能的影响；Ding等［2］建立了包括地基土、沉管隧道和柔性接头在内的三维大型有限元分析模型，考察沉管隧道接头在地震作用下的响应；Anastasopoulos等［3］对深水强震区的沉管隧道进行了三维精细化有限元建模及非线性分析；刘正根［4］根据几何关系推导了接头GINA止水带变形与管段位移之间的几何关联计算公式，并采用三维有限元数值模拟方法来计算接头GINA止水带的力学性态；禹海涛等［5］将GINA抽象为弹簧，推导出接头刚度的解析表达式，并与三维精细化基准模型进行对比分析。而实际上，由于沉管隧道其接头构造复杂，简单的力学分析和有限元数值模拟不能真实反映接头的力学性能，而且模型计算参数的选取会直接影响计算结果，而计算参数的确定是通过试验获取的。但目前，沉管隧道试验数量少且规模小，试验研究仅仅针对GINA橡胶带或单个剪力键等接头单一构造的力学性能，如Kiyomiya等［6］完成了一个1／4的沉管隧道柔性接头模型拟静力和拟动力试验，考察GINA橡胶带与PC拉索的共同作用；Y.Hamazaki等［7］在研究地震和不均匀沉降作用下的柔性接头的基础上，研发了一种新型柔性接头，并对其进行了静荷载、周期荷载和偏心荷载试验。

因此，通过进行大型试验的手段来准确地获取接头压弯力学参数，了解接头的受轴向压力和水平弯矩下的变形规律，是指导沉管隧道接头设计和理论研究的重要基础。基于此，本文根据沉管隧道半柔性接头的构造特点，针对受水平力作用下沉管隧道柔性接头，采用低周往复加卸载的试验方法，研究了几何比尺为1∶10的大比尺管节接头模型轴向变形规律，比较分析GINA橡胶带材性试验与结构试验的结果，同时研究了在轴向压力为500 kN时该沉管隧道接头模型的抗弯力学性能，获取模型弯曲变形规律。

2 大比尺管节接头试件设计

本试验依托港珠澳跨海大桥岛隧工程沉管隧道，隧道横断面采用两孔一管廊形式，宽37.95 m、高11.40 m；标准管节由8个长22.5 m的节段组成，通过张拉纵向临时预应力索，将8个节段连接成一个整体，而管节接头采用GINA柔性方式连接。

按照所处在隧道的位置和沉管隧道施工顺序的划分标准，沉管隧道接头可分为岸边接头、中间接头、最终接头和岸坡接头四种，三维管节接头模型主要研究的是中间接头。管节接头是半刚半柔性接头，主要由接头密封防水橡胶带（GINA止水带）、端钢壳、Ω（或M）型止水带、波形钢板或Ω钢板连接件、水平剪切键和垂直剪切键等组成，如图1所示。

图1 GINA柔性管节接头构造［8］Fig.1 Construction of flexible element jointwith GINA rubber［8］

2.1 缩尺沉管隧道结构

试验结构将采用比例尺为1∶10的缩尺结构模型。缩尺后的隧道断面长3 800 mm，高1 125 mm，墙板厚度为160 mm，单个管节沿轴向长度为1 250 mm。试验材料参数与实际工程中的材料保持一致，即采用C50混凝土，受力钢筋、箍筋和构造钢筋则采用HRB335钢筋。

本试验只针对沉管隧道接头水平轴向和抗弯力学性能，故对管节接头进行如下简化：①管节内部取消中隔墙和取消竖向剪力键的布置；②管节横断面简化为矩形；③取消顶预应力拉索孔道；④隧道接头位置配筋加强，其余部位按构造配筋。简化后的管节如图2所示。图中阴影部分为试验加载点，其中，ABCD为轴向加载点，E为剪切向加载点。

图2 简化后的缩尺结构模型Fig.2 Simplified scale structuralmodel

2.2 管段柔性接头设计

由于本试验依托港珠澳沉管隧道工程，接头密封防水橡胶带的断面形状采用GINA橡胶带［8］，尺寸为实际工程的十分之一，即缩尺后GINA橡胶带宽度为3.7 cm，高度为3.7 cm，GINA所具备的压缩量为1.5～2 cm，GINA总长为9.26 m。GINA橡胶带的横断面设计图见图3。

图3 GINA橡胶带横断面图Fig.3 GINA rubber profile

试验前，对GINA橡胶带进行了材性试验，以测试其轴向变形能力，其结果如图4所示。在轴向压力为2 500 kN时，压缩量达到20.4 mm。卸载时，压缩量减小速度缓慢，当轴力减小到1 000 kN时，压缩量才明显变小，同时卸载后存在9 mm的残余变形。可以看出，该橡胶滞回性能明显，GINA橡胶具有一定的塑性，这与一般橡胶超弹性性质并不一致。

图4 GINA材性试验压缩量曲线Fig.4 Compressire displacement curve of GINA rubbermaterial test

3 结构试验设计

本试验的目的是研究沉管隧道接头受弯矩作用下的变形规律，并获得接头水平抗弯刚度，为接头的设计提供重要参数。同时，研发出一套可行、便于操作的接头双向力学性能测试系统，为后续研究奠定试验基础。

3.3 试验装置

反力架系统的要求为构造简单，传力简洁，安装方便，能重复利用和具有足够的强度、刚度和稳定性。本次试验对反力架系统提出更高的要求：反力架必须能承受双向水平力，同时让其中一个管节能够水平自由移动。因此本试验设计了一个双向闭合自平衡框架系统，如图5所示。该系统由一个竖向门式框架、两个水平闭合框架和立柱组成，而每个框架由一根受弯梁和两根拉杆组成。图中，竖向框架用于固定右端管节，水平框架则约束管节轴向位移。

3.4 加载机制

压弯试验的荷载主要由千斤顶提供，通过左右两组千斤顶加卸载而产生的压力差形成弯矩，其加载变形示意图见图6。

图5 双向闭合自平衡式反力架系统Fig.5 Bidirectional closed self-balanced reaction frame system

压弯试验的目的是研究接头在一定轴向压力下的变形性能和抗弯性能。因此，本次工况共设定轴向压力为500 kN，在该轴力下施加一周期往复弯矩，其峰值为±350 kN·m；同时，施加弯矩后，将轴力逐级增加至2 500 kN，然后再逐级卸载至0。

4 测点布置

本次接头试验的测量对象主要为接头张开量。因此需在接头处沿轴向布置若干位移计。位移计布置在管节接头顶部和管节内部连接处。图7为位移计布置示意图（＃为位移计编号），一共布置9个弹簧式位移计。

图6 压弯荷载施加示意图Fig.6 Diagram of compression-bending loading application

图7 压弯试验位移计布置图（单位：mm）Fig.7 Diagram of transducers arrangement of compression-bending case（unit：mm）

5 试验结果与分析

5.1 接头轴向力学性能

图8是管节接头压缩量变化曲线。由图可知，管节接头的轴向压缩刚度随着轴向荷载的增大而增大，与文献［9］的结果相一致；此外，在管节卸载过程中，接头变形出现滞后性，当轴力下降至500 kN后，压缩量才明显减小。而且当轴向压力卸为0 kN时，存在残余变形约3.1 mm。同时，接头压缩变形非弹性变形，存在一定的滞回性能。图9表示了管节接头试验GINA的加卸载变形曲线以及GINA止水带材料的加卸载曲线。

由图9可知，在管节接头试验和GINA止水带材性试验中，采用的GINA止水带均存在残余变形。GINA材性试验中的残余变形为9.3 mm，但GINA在相同荷载作用下，管节接头试验中GINA的压缩量（3.1 mm）小于GINA材性试验中GINA的压缩量，在最大压力工况下，GINA材性试验中GINA压缩量比管节接头试验中GINA的压缩量大6.7 mm，表明管节接头试验中GINA止水带的刚度相对较大。总体上，接头压缩量随轴向压力的变化规律基本与材性试验一致。

图8 管节接头压缩变化曲线Fig.8 Compression displacement curve of element joint

图9 管节接头GINA压缩量变化曲线的对比Fig.9 Results comparison between experiment of element joint and material test of GINA rubber

5.2 接头抗弯力学性能

图10为轴向压力是500 kN时管节接头弯矩-转角曲线。为了减少累积误差的影响，图中所计算的转角均为初始时刻即弯矩为0时的相对转角。由图可以看出，弯矩从0 kN·m增长到350 kN·m或从0 kN·m增长到－350 kN·m时，转角呈非线性增长，增长速率先快后略变慢。而当弯矩从峰值卸载为±250 kN·m时，转角减小速度较快，当弯矩从±250 kN·m卸载到0 kN·m时，转角减小的速率略为降低，同时基本呈线性递减。

另外，在完成加卸载一个循环后，可以看出接头不为0，存在残余转角，该转角为峰值转角的

图10 管节接头弯矩-转角曲线Fig.10 Moment-rotation curve of element joint

44%。在反向加卸载一个循环后，累计残余转角变大。在施加往复弯矩荷载一周期后，接头变形存在不可恢复的残余转角，为0.000 345 rad，对应接头的张开量为1.21 mm。同图8所示，GINA橡胶带并非完全超弹性材料，在试验过程中均存在残余变形。

5.3 接头张开量变化

图11为在轴向压力为500 kN下，接头张开量和转动中心的情况。这里需要说明，施加正弯矩后，接头变形是由管节A作顺时针转动而产生，即如图6所示。从图中可以看出，随着接头弯矩的增大，接头变形呈线性分布，这是由于GINA橡胶带的压缩刚度远比混凝土管节的刚度小，因此混凝土管节可视作刚体，这充分说明数据的合理性。同时，随着接头弯矩的增加，显然接头张开量也随之增加，弯矩达到最大时，接头张开量达到2.82 mm。而在整个过程中，接头的转动中心大致维持在接头中点处，即接头的变形呈中点反对称线性分布。

图11 轴力500 kN下接头的转动情况Fig.11 Rotation of element jointwith the axial force of500 kN

6 结 论

针对目前沉管隧道接头力学性能试验研究不足的现状，提出一套测试沉管隧道接头力学性能的试验方案。基于此，研究了接头轴向和弯曲刚度及其影响因素。同时，通过GINA橡胶止水带的材性试验与结构试验的成果分析对比，得出以下主要结论：

（1）通过试验结果分析，验证了试验方案的合理性和可操作性，从而为国内研究沉管隧道接头力学性能提供了试验技术支持。

（2）沉管隧道接头的变形规律与GINA橡胶带材性试验的变形规律一致，呈现非线性特性，同时卸载后两者均存在残余变形。

（3）随着轴向压力的增大，接头变形也随之增大，增长速率由慢变快。

（4）随着弯矩的增大，接头转角也呈非线性增长。但接头转动轴线接近接头中点，即接头张开量变化具有反对称性。

（5）在试验过程中，发现GINA橡胶带并非完全是超弹性材料，其具有一定的塑性和黏性并且对试验结果有着重要的影响，因此在实际工程设计中不能简单将GINA橡胶带视为超弹性材料。

［1］ 严松宏，高波，潘昌实.地震作用下沉管隧道接头力学性能分析［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（2）：286-289.Yan Songhong，Gao Bo，Pan Changshi.Dynamic property analysis on joint for submerged tunnel under earthquake［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003.22（2）：286-289.（in Chinese）

［2］ Ding J，Jin，X，Guo，Y，etal.Numerical simulation for large-scale seismic response analysis of immersed tunnel［J］.Engineering Structures，2006.28（10）：1367-1377.

［3］ Anastasopoulos I，Gerolymos N，Drosos V，et al.Nonlinear response of deep immersed tunnel to strong seismic shaking［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2007，133（9）：1067-1090.

［4］ 刘正根.沉管隧道接头性态与安全评估［D］.上海：同济大学，2009.Liu Zhenggen.Performance and safety evaluation of element joint in immersed tube tunnel［D］.Shanghai：Tongji University，2009.（in Chinese）

［5］ 禹海涛，袁勇，刘洪洲，等.沉管隧道接头力学模型及刚度解析表达式［J］.工程力学，2012.（采用）Yu Haitao，Yuan Yong，Liu Hongzhou，et al.Mechanicalmodel and analytical solution of stiffness for joints of immersed-tube tunnel［J］.Engineering Mechanics，2012.（Accepted）（in Chinese）

［6］ Kiyomiya O，Fujisawa T，Yamada M，etal.Mechanical properties of flexible joint between submerged tunnel elements［C］.Port and Harbour Research Institute：Yokosuka，Japan，1992.（in Japanese）

［7］ Hamazaki Y，Yamaguchi K，Takehana N，et al.Spring Joint used in immersed tunnel in Japan［J］.Bridge and Construction Engineering，1999，2（49）：57-60.

［8］ Anastasopoulos I，Gerolymos N，Drosos V，etal.Behaviour of deep immersed tunnel under combinednormal fault rupture deformation and subsequent seismic shaking［J］.Bulletin of Earthquake Engineering，2008，6：213-239.

［9］ 黄帆.沉管隧道GINA橡胶止水带数值模拟分析［J］.结构工程师，2010，26（1）：96-102.Huang Fan.Numerical simulation analysis of GINA rubber water stop［J］.Structural Engineers，2010.26（1）：96-102.（in Chinese）

Compression-Bending Experiment on Element Joint of Immersed Tunnel

XIAOWenhao1，*XU Guoping2YU Haitao1，3YUAN Yong1，4
（1.Department of Underground Structure and Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China；2.CCCC Highway Consultants Co.，Ltd.，Beijing 100088，China；3.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering（Tongji University）of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai200092，China；4.State Laboratory of Disaster Reduction of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

Compression and bending displacementwill occur at the element jointof immersed tunnel under the effect of earthquake.And the stiffness of element joint can clearly represent its displacement.Nowadays the experimental data about themechanical properties of element joint are limited and the stiffnessmodels of element joints applied in design or analysis are not fully verified.Based on the structure and construction of element joints，a compression-bending experiment of element jointwith geometric scale of 1：10 is carried on in this paper and the bending rules of element jointwith axial force of500 kN is conducted.The results indicate that the axial stiffness of element joint increases along with the applied axial force Also the rotation of element joint nonlinearly increases alongwith the applied moment.Further，the opening of element joint changes antisymmetrically with the growth of applied moment.After unloading，residual deformation appears in axial and bending direction.

immersed tunnel，structural experiment，compression-bending，stiffness of element joint，displacement of element joint

2013－10－09

国家自然科学基金项目（51208296）；“十一五”国家科技支撑计划（2011BAG07B01）；“十二五”国家科技支撑计划（2012BAK24B00）

*联系作者，Email：1989siumanho＠tongji.edu.cn