钢混三明治沉管结构发展历史及设计方法适用边际研究

林鸣，刘晓东，林巍

（1.中国交通建设集团有限公司，北京 100088；2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

钢混三明治沉管结构发展历史及设计方法适用边际研究

林鸣1，刘晓东2，林巍2

（1.中国交通建设集团有限公司，北京 100088；2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

文中论述了钢混三明治结构沉管隧道的设计适用边际。结合历史及文献，从科学认知、设计目标及工程应用三方面证明了尺寸效应对结构安全的直接影响，以及对超出实践范围尺度的结构需要进行实验验证的必要性，归纳总结了已有实验报告钢混三明治梁、板的尺寸，以及已有典型工程尺寸。讨论了该类型结构应用于沉管隧道时的抗疲劳与抗冲击的设计验证问题。

沉管隧道；钢混三明治结构；尺寸效应；抗剪连接件；疲劳失效；冲击效应

1 历史发展

钢混三明治沉管工程概念的首次提出是为建设威尔士Conwy河通道[1-2]，如图1。其出发点是[2]：

1）模板作为永久结构，取消脱模工作。

2）钢板和剪切连接件较容易现场制造，避免了昂贵的钢筋细节处理、加工与安装。

3）模板作为防水层，并且对外荷载有双向作用。

为此需要发展钢混三明治结构的梁及柱的设计方法，英国钢结构协会及一些研究者对此进行了大量的1∶1梁、柱实验来观察结构失效行为，以及3个阶段的设计验证[2-3]（图2），并编制了施工及设计指南[4]。

尽管如此，承包人考虑到无先例及施工困难，在最后一刻放弃了该方案[5]。而此后仍可以见到一些对三明治结构机理的研究（表1）。

图1 首个钢混三明治沉管概念设计方案Fig.1 The earliest concept of SCS composite sandwich tunnel

图2 Conwy沉管隧道第3阶段整体试验Fig.2 The integral test on the stage 3 for Conwy Tunnel

表1 钢混三明治结构整体静力实验及试件尺寸Table 1 Static test of SCS composite sandwich structure and the specimen size

日本1990年以后建设了4座局部三明治结构的沉管隧道，以及2座全三明治结构沉管隧道[6]，参考表2及图3。

表2 钢混三明治沉管隧道案例[5]Table 2 Case study of SCS composite sandwich immersed tunnel

日本以外的地区尚未发现工程案例。

图4是世界上不同类型的沉管隧道建设数量累积曲线[5]。

当今沉管隧道结构尺度呈现扩大趋势[5]，对于未经实验证明的钢混三明治结构尺度或形式，设计时不应忽视结构理论的尺度局限性，例如弹性理论有效性[7]，以及局部剪切连接失效引起的整体结构失效等问题。因此，有必要讨论钢混三明治沉管结构设计方法的适用边际问题。

本文第2节论述钢混三明治结构的设计理论与尺寸效应直接相关，超出已有尺寸的结构方案必须通过实验验证。第3节归纳总结了国内外三明治结构已有试验和工程。第4节提出钢混三明治沉管特有的设计问题。

对钢混三明治沉管工法的总体论述可参考作者已发表的另一篇文章[8]。

图3 那霸隧道典型管节横截面图Fig.3 Typical cross-section of Naha Tunnel

图4 不同类型沉管隧道数量累积曲线Fig.4 Accumulation numbers of different types of immersed tube tunnels

2 尺寸效应

忽视结构的尺寸会导致结构失效，而工程师们常常忽视该效应[18-19]。甚至，被称为现代工程力学之父的铁摩辛柯（Timoshenko）[20]在其1953年的里程碑著作《材料强度史》中对尺寸效应都只字未提[9-10]。

2.1 历史

15世纪达芬奇宣称粗细相同的绳索中，越长的越不结实，并做出了“绳索越短，就越结实”的结论。

伽利略在1638年否定了这个结论，他认为剪短绳索并不会使余下的部分变结实，只有不同大小动物的骨头才会显示尺寸效应。

半个世纪以后，Marriotte基于“物质的非均匀性”创建了尺寸效应的统计理论，当时概率论刚刚诞生。之后在1807年Thomas Young（弹性模量以他命名）否定了该理论，认为强度和尺寸无关，“这是科学的倒退”[18]。因为Thomas Young没有考虑材料强度的随机性。

之后，1921年Griffith的论文不但创建了断裂力学，而且将断裂力学引入到尺寸效应的研究中，在试验中他发现了通过改变玻璃纤维的直径，其强度能够从291 MPa变化到3 383 MPa，就此得出了“固体材料的薄弱性，是由于自身的不连续或瑕疵引起的” 结论。可惜的是，除了Griffith，其他的材料力学理论学者很少考虑尺寸效应问题，并还普遍认为该问题如果存在，一定具有统计性，是属于统计学家或实验工作者的工作，该偏见直到大约1980年才得以纠正。

与此同时在概率分析及实验研究方面，Von Mises等学者取得了一定进展。最终，Weibull于1939年在瑞典提出用幂函数来描述材料强度的极值分布的理论。后续1974—1990年的诸多科学研究主要是证实、应用和完善Weibull的理论。由于结构的应力随其尺寸变化不便于工程分析，Weibull理论之后就有学者倡导通过使用Weibull理论将应力与结构尺寸的关联性解除[18]。于是似乎可以认为，只要能观察到的尺寸效应，就一定能够归入Weibull理论范畴，而现在已知该观点与实际不相符[18-19]。

由历史可见，在固体力学及材料科学领域，尺寸效应仅在早期以及现代才得到重视[18]。而当前结构工程师所熟悉的理论，其创始人大多来自忽略尺寸效应的那个年代，比如15世纪的牛顿、Robert Hooke（虎克定律以他命名）、17世纪的Thomas Young（杨氏模量以他命名）、20世纪的Timoshenko（发表弹性力学等多本著作）、Von Mises（提出可用于钢结构的应力屈服准则）以及Weibull。也许可以说，Weibull的理论简化了工程师的工作，但掩盖了材料强度与结构尺寸的相关性。上述原因导致我们容易忽视尺寸效应，参考图5[21]。

图5 尺寸效应示意图Fig.5 Illustrative sketch of size effect

2.2 影响

下面论述尺寸效应对结构安全的直接影响。

尺寸效应，是其它条件均不变，空间尺度缩小或放大后，反应（response）的改变[18]。“如果尺寸效应不被理解，就不存在任何有效的理论”[18]。因此，对于超出认知范围的尺寸（及形状特征）的结构应首先用实验来确认设计方法的有效性。下文具体从科学、设计、应用三方面来论述该观点。

2.2.1 科学方面

钢混三明治沉管中的混凝土是承力结构，而混凝土是准脆性材料，已经证实Weibull理论并不适用于准脆性材料。Weibull理论已受到多方面的质疑[18-19]。

对材料破坏机理的理解仍处于科学发展阶段，该问题的难度不亚于对紊流的分析[19]（图6）。因此，想要理解钢混三明治结构受到外部作用时的反应，唯一有效的手段仍是通过实验观察。而准确判断结构失效行为是设计方法成立的前提。

图6 人类知识的扩张Fig.6 The expansion of human knowledge

上述观点也可从已有的钢混三明治结构分析模型来解释。钢混三明治沉管结构对于抗剪的计算通常采用类比桁架模型或拉压杆模型[22-23]。这两种计算模型认为混凝土和钢板只在剪切连接部位相接，并将抗弯和抗剪合为一体来考虑。但是上述模型将混凝土传力简化为压杆，未考虑混凝土自身骨料间的啮合等作用，也未考虑剪切连接结构周围的混凝土由于剪切连接结构的存在而受到的额外作用。

国内学者2015年对300~400 mm梁高、6~ 8.6 mm面板厚的钢混三明治结构的梁进行了一系列静力加载实验，并将结果刊登于科学论文，论文的结尾是：对于更大尺寸的钢混三明治结构的力学反应需进一步实验确定，来讨论其尺寸效应是否与混凝土结构的尺寸效应具有可比性[15]。

2.2.2 设计方面

结构设计的目标是避免非延性破坏[3，11，22]。钢筋混凝土结构其失效理论分为超筋破坏、少筋破坏、以及设计期望的延性破坏，这些破坏模式已经过大量实验和工程案例验证，设计理论也被不断修正和完善。比较而言，钢混三明治结构是上世纪末提出的新结构形式（之前也曾有过用胶粘混凝土和钢板的三明治路面结构的记载），已有的实验表明钢混三明治结构相比混凝土结构存在更多的失效模式[2，10-11，16，24]：

1）受压侧钢板屈曲（图7中A）；

2）受压侧钢板屈服；

3）受拉侧钢板屈服；

4）混凝土剪切破坏（图7中B）；

5）剪切连接结构拉拔破坏（图7中C）；

6）剪切连接结构破坏（图7中D）。

图7 实验发现的部分破坏模式Fig.7 Failure mode revealed by the test

钢混三明治结构的设计目标应是希望受拉侧钢板首先达到屈服（即图8右下角钢板先屈服[3]的失效模式）。但是，英国2006年的研究表明，对于钢混三明治结构，理论预测的失效模式与实验结果经常出现差异[11，22]。

图8 各种失效模式示意Fig.8 Illustrative sketch of various failure modes

此外，实验还发现随着板厚增加，剪切连接结构设置较薄弱时失效模式呈脆性[22，25]，局部剪切连接结构的失效也会引起结构的整体失效[13]；结构的变形大小也会受到混凝土和外侧钢板之间相对滑动的影响[9]。

由于钢混三明治结构历史短，且实验观察到的失效模式复杂，考虑结构应用的安全与功能，该结构的设计尚有很大的研究及发展空间。

2.2.3 应用方面

当前各国规范对于超出常规尺寸的结构实际应用前要求进行实验验证。

美国规范ACI318-05及欧洲规范Eurocode2要求其应用于较大尺寸的结构时应考虑尺寸效应及其它效应的影响[15]。美国混凝土协会445号报告表明ACI318规范基于半经验公式，没有清晰及透明的物理模型，因此结构设计尺寸不应外推至超出该规范范围的程度[22]。美国结构混凝土规范ACI 318-11[7]在对壳体、折板类结构的分析与设计中规定：“对于根据经验、试验和分析已经证明能够承受住合理的超载而不出现脆性失效的那些壳体结构类型，弹性分析是一种可以接受的方法。在这种情况下，设计者可以假定钢筋混凝土是理想、匀质和各向同性的，即沿所有的方向具有相同的特征。对壳体的分析应在考虑使用荷载的情况下完成。而对于尺寸、形状或复杂程度不寻常的壳体则应考虑从弹性到开裂，再到非弹性阶段的性能。”

日本《三明治沉管隧道设计方法及高流动混凝土设计指南》的概述中，首先申明该专题研究尺寸已超出了日本已有钢混三明治结构设计指南的实验尺寸，因此用实验证明了指南提出的设计方法的有效性[25]。

2.2.4 小结

综上所述，有效的设计方法（例如弹性、线形设计法）应与结构实际破坏行为相符合，结构破坏机理的科学研究仍在继续（图6）。所以，目前检验结构设计方法的唯一途径是实验观察与经验观察。结构设计的目标是避免非延性破坏，而实验表明已有设计方法仍不能准确地预计钢混三明治结构的失效方式，有些实验已发现剪切连接结构失效引起结构整体破坏。不同于经过各种尺寸及形状试件实验和工程经验的混凝土结构，已有钢混三明治结构的设计方法仍处于初级发展阶段，有广泛的科研空间。该观点在美、英、日本等国的结构设计规范要求中均有体现。国内外学者在研究报告中也表达了同样观点。

3 尺寸调研

对近年国内外已发表的钢混三明治结构整体静力实验尺寸汇总见表1。实验内外侧板厚通常在4~12 mm，梁高通常在100~400 mm。对于深梁结构（或圣维南原理的扰动区）也已经有一些试验研究[16]。

表2列出了全部的已建成的钢混三明治沉管隧道。其中，截面尺寸最宽的是那霸临港道路隧道。经对该项目第4号沉管管节（标准管节）设计调研，内、外侧的钢板厚度分别是8 mm、9~10 mm，板厚1.1~1.2 m，跨径13.8 m，分5个隔舱，参考图3。

当工程方案在表1及表2的结构尺度以内时，可参考相关规范进行初步的设计。当超出已有尺寸时，应认识到第2节讨论的尺寸效应的影响，首先应对结构设计方法（即结构失效机理）的有效性进行试验验证。

4 其它问题

4.1 剪切连接结构

钢混三明治结构的剪切连接结构受力变化复杂（图9）[12]，所以对不同形状的连接结构及不同厚度的面板进行了很多疲劳荷载试验来指导设计[22]，以避免结构设计寿命期间剪切连接结构因疲劳失效而导致结构失效（图10）[24]。

此外，对于锚钉式的剪切连接结构，实验发现锚钉头部容易引起混凝土开裂。所以也能见到关于剪切连接结构承载能力折减设计的研究及规定[14]。

图9 锚钉局部隔离体受力示意Fig.9 Free body stress diagram of shear connector part

图10 疲劳破坏失效的钢混三明治梁Fig.10 Failure of SCS composite steel beam caused by fatigue

4.2 冲击破坏

沉管隧道设计时一般会考虑一些冲击荷载工况[26]。三明治结构的抗冲击性能必要时需通过实验来研究与确认，如图11[27]。

图11 冲击失效的钢混三明治结构Fig.11 Failure of SCS sandwich structure caused by impact

5 结语

本文讨论了钢混三明治结构应用于沉管隧道工程时的设计适用范围问题。主要结论：

1）从科学、设计、应用三个方面论述了：钢混三明治沉管隧道结构设计时不应忽略尺寸效应；尺寸及几何形状超出试验或经验范围时应通过足够的实验来验证设计方法，或对近似桁架或拉压杆设计方法进行验证。

2）已有的钢混三明治结构实验的钢板厚通常在6~12 mm。

3）实验发现剪切连接结构的失效会引起结构整体失效。

4）在已有文献中也能见到对剪切连接结构疲劳问题、承载力折减以及对钢混三明治结构抗冲击问题的研究。

钢混三明治结构不同于我们熟知的混凝土结构，设计方法仍有广泛的发展空间，已有试验报告和沉管工程经验相对少。而现代沉管隧道的尺寸越来越大，通常超出了已有钢混三明治结构的实验及经验，从材料破坏机理角度解释结构整体行为的科学仍处于理论研究阶段。所以，超出实践经验时，钢混三明治沉管隧道设计方法应通过实验验证，并进行必要的改进与完善，才能确保该类型沉管隧道不会由于设计理论与实际不符而失效，失效包括结构失效及剪切连接失效引起的结构整体失效。

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Application margin of design method of steel-concrete-steel sandwich immersed tunnel with the history of its development

LIN Ming1,LIU Xiao-dong2,LIN Wei2
（1.China Communications and Construction Co.,Ltd.,Beijing 100088,China; 2.CCCC Highway Consultancy Co.,Ltd.,Beijing 100088,China）

The paper discussed the application margin of the design of steel-concrete-steel sandwich immersed tunnel. Combining with the history and literature,we proved the direct influence of the size effect to the structure safety,and the necessity of test for the validation of the structure whose size is larger than that of the existed sandwich structure from three aspects as scientific cognitive,design targets,and the engineering application.We summarized the size of the experimented or experienced sandwich beam,slab and typical structure,and discussed the design validation issues of fatigue resistance and impact resistance of sandwich structure when it applied in immersed tunnel.

immersed tunnel;steel-concrete-steel sandwich structure;size effect;shear connector;fatigue failure;impact effect

U655.53；U455.46

A

2095-7874（2016）12-0001-07

10.7640/zggwjs201612001

2016-11-17

林鸣（1957— ），男，江苏南京人，总工程师，教授级高级工程师，从事水工及路桥施工技术管理。E-mail：linming1004@sohu.com