隧道波纹板套衬连接件承载力试验研究

付兵先，郑 青,邹文浩，马伟斌,李 尧，薛 晖

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081;2.北京市政建设集团有限责任公司，北京 100089;3.中国铁路总公司 建设管理部，北京 100844)

随着我国铁路隧道的大规模修建，运营铁路隧道病害也逐渐步入高发期[1]。隧道衬砌结构裂损病害已经严重威胁到列车的运行安全。现有的钢筋混凝土套衬需要占用隧道较大空间，在一些隧道里由于限界限制而无法使用。因此，一种侵占隧道空间小、满足铁路限界要求的波纹板套衬技术逐步被应用到隧道加固中。由于波纹板结构为拼装式钢结构，板片之间采用螺栓连接，因此，掌握螺栓的受力情况极为重要。目前，波纹板采用高强螺栓连接时，连接部位验算理论上可参考相关规范[2]。但由于现有的规范仅给出了平面钢板螺栓连接的承载力计算公式，而波纹板连接部位的局部受力性能、破坏机理与平面钢板连接有所不同。事实上，波纹板连接件处的受力和破坏机理十分复杂，目前国内外有关波纹板螺栓连接的相关研究尚不多见，相关文献也比较少，因此，按平面钢板连接计算的承载力还应通过试验进行验证。因此，随着波纹板结构在国内的推广应用，有必要开展波纹钢板连接部位强度试验，给出常用波纹板连接部位强度设计值，并纳入相应的产品标准，以方便设计。

Fan等[3]对薄板搭接的连接试验与理论分析表明，有限元分析模型能够反映连接的受剪承载力、变形、螺栓倾斜状况以及应力分布情况。尹凌峰等[4]对波纹板螺栓连接的受力性能试验及有限元分析表明，波纹板连接件的承载力较相应平板连接件下降较为明显，螺母与板件接触面上的贴合程度是二者差异的主要因素; 波纹板的板厚对连接性能影响较大，而波高影响较小。张永浩[5]根据金属波纹板螺栓连接受力性能分析与试验结果得出，波纹板连接件的承载力均小于相应平板连接件，极限位移均大于相应平板连接件，因此，波纹板连接件的连接刚度小于同样条件下的平板连接件。孙巍巍等[6]根据交错孔洞平板螺栓连接参数分析结果，总结了应力折减系数的变化规律并提出了应力折减系数极值的拟合公式。施刚等[7]开展的端板连接强度螺栓受力特性试验表明，受拉区螺栓同时承受拉力和弯矩，螺栓与端板的相对强弱决定了螺栓承受弯矩的大小，不同的节点计算模型则适用于不同的节点构造，并根据试验结果对外伸式端板连接节点提出了设计建议。徐忠根等[8]对不同端距下的螺栓连接板承载性能分析表明，当端距取值为1.2d0(d0为螺栓孔径)时,单列和双列螺栓连接板件的极限承载力分别达到2d0时的74.36%和97.02%;建议螺栓连接构件的端距可以放宽到1.2d0,但其承载力应适当降低。

现有规范尚未给出有关波纹板螺栓连接承载力的计算方法，目前国内外有关波纹板螺栓连接的相关研究尚不多见，为此本文针对隧道套衬波纹板结构中采用的波纹板螺栓连接件开展了承载力试验研究。

1 连接件室内试验

1.1 试验原理

图1 不同阶段连接件荷载变形曲线

当板材较薄或者较厚时，容易使得螺栓孔的承压面发生挤压破坏或者出现螺杆剪断的情况，破坏形式如图2所示。

图2 连接件破坏形式

1.2 试验设计

根据不同波纹参数[10]、板厚和螺栓布置分别进行分组试验，每个样本应至少包含1个完整波形且互相拼接的波纹钢板波数应相同。波纹板连接件试件设计如图3所示。试验样品见图4。

1-承压板；2-焊缝；3-螺母；4-防松动垫圈；5-凸型垫圈；6-凹形垫圈；7-防松垫圈；8-螺栓；9-波纹板。图3 试件设计示意(单位：mm)

图4 试验样品

1.3 试验工况

考虑不同等级线路限界要求，选用常用200 mm×55 mm,230 mm×64 mm,300 mm×110 m波形的波纹板(板厚5，6，8 mm)进行连接件强度试验，主要进行连接件抗压试验，分析连接件承载力以及破坏形态。

加载系统由压力机与数据采集系统组成，试验仪器可以匀速加载，且装备有不小于样本尺寸的垫板，试验过程中样本不允许发生水平滑移。另外，试验设备安装有防护措施。

1.4 试验结果

图5 不同波形及板厚时连接件荷载位移曲线

不同波形及板厚波纹板连接件不同阶段荷载最大值见图6。可知，随着加载持续进行，波纹板连接件荷载逐步增加。3种波形从摩擦传力弹性阶段到滑移阶段荷载增加比较平缓，其中，相比于300 mm×110 mm 波形，230 mm×64 mm与200 mm×55 mm 2种波形从摩擦传力的弹性阶段到滑移阶段荷载增加更为平缓，越过滑移阶段后，3种波形荷载增加速率较为显著。这主要与3种波形波纹板连接件的施工扭矩有较大关系。另外，300 mm×110 mm波形波纹板连接件各变形阶段的承载力最高，其次为230 mm×64 mm波形，最后为200 mm×55 mm 波形。

图6 不同波形及板厚波纹板连接件各变形阶段荷载最大值

2 试验结果对比分析

图7 不同波形波纹板连接件栓杆传力弹性阶段最大荷载值与板厚的关系曲线

不同波形波纹板连接件栓杆传力弹性阶段最大荷载值与板厚的关系曲线见图7。可知，二者呈线性关系。随着波纹板板厚的增大总体承载能力逐渐增加，且理论承载力值较试验值大。这主要是因为波纹板结构换算到平板状态下连接件承载力有所降低。其中，200 mm×55 mm波形厚度5，6，8 mm换算到平板状态下的理论承载力为612.2，735.2，981.8 kN。以栓杆传力的弹性阶段为控制点，3种厚度波纹板分别相当于平板承载的81.2%，91.6%，91.6%，平均值为88.3%；230 mm×64 mm波形厚度5，6，8 mm下分别相当于平板承载的81.7%，86.6%，87.1%，平均值为85.1%；300 mm×110 mm波形厚度5，6，8 mm下分别相当于平板承载的84.0%，77.3%，82.7%，平均值为81.2%。因此，波纹板纵向接缝强度可按照平板状态下承压面承载力进行折减。

不同波形波纹板连接件破坏形式见表1。可知，波纹板连接件的破坏形式主要为孔壁承压破坏、钢板屈曲及螺栓剪断。每种波形与厚度下都不是单一的破坏模式，往往是两种破坏模式的叠加。总体而言，板厚达到8 mm时，连接件破坏形式主要以孔壁局部承压破坏与螺栓剪断为主;板厚低于8 mm时，连接件破坏形式主要为孔壁承压破坏与钢板屈曲。

表1 不同波形波纹板连接件破坏特征

3 结论

1)不同板厚波纹板连接件在受力过程中经历了摩擦传力的弹性阶段、滑移阶段、栓杆传力的弹性阶段、栓杆或孔壁屈服阶段以及连接件破坏阶段5个阶段。其中，300 mm×110 mm波形波纹板连接件的承载力最高，其次为230 mm×64 mm波形，最后为200 mm×55 mm 波形。

2)200 mm×55 mm波形、230 mm×64 mm波形、300 mm×110 mm波形在5，6，8 mm 3种厚度下波纹板的平均承载力相当于平板承载的88.3%，85.1%，81.2%。因此，波纹板连接件强度可按照平板状态下承压面承载力进行折减。

3)波纹板连接件的破坏形式主要为孔壁承压破坏、钢板屈曲及螺栓剪断。每种波形与厚度下都不是单一的破坏模式，而是两种破坏模式的叠加。