混凝土管片接头极限承载力特性的实验研究

2020-05-09李守巨王志云杜洪泽

黑龙江科技大学学报 2020年2期

李守巨, 王志云, 杜洪泽

(1.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连116024; 2.大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁大连 116023)

0 引言

地铁隧道混凝土管片用来承担土层传递的土水压力荷载和隔离土层中地下水流入隧道空间，为地下隧道中火车的安全运行提供空间。随着盾构机的向前推进，隧道的混凝土管片衬砌一环接一环向前安装铺设。在一环混凝土管片衬砌中，往往由多个(例如6个、9个)独立的混凝土管片经过螺栓连接拼接而成。混凝土管片接头的承载能力，直接影响到衬砌环的强度、刚度和变形特性。如何确定混凝土管片接头的变形特性和极限承载能力，是混凝土管片衬砌设计中的一个重要环节。实验室足尺模型实验方法是解决该问题的有效方法之一。H.B.Jiang等采用模型实验方法研究了预制混凝土管片接头的力学特性[1]。G.W.Meng等[2]利用全尺寸实验研究钢纤维对预制混凝土隧道管片力学性能的影响。尽管，钢纤维作为替代材料能够提高隧道衬砌的性能，但是对于这种代替条件下管片接头的研究却不多，C.J.Gong等[3]对常规钢筋混凝土和钢纤维混凝土接头在不同载荷条件下的极限承载力做了较为全面的研究。T.D.Le等[4]的研究表明，用碳纤维增强聚合物筋替代预制分段梁上的钢筋，可以使梁既具有高强度又具有高延展性。 L.Zhou等[5]针对不同结构形式球铁接头面板的变形结构、锚固特性和破坏模式，进行了全面的拉伸试验。Z.G.Yan等[6]以1∶3的比例对13个管片接头进行了测试，实验研究高温条件下接头性能的变化对盾构隧道衬砌性能的影响。艾辉军等[7]针对道床-管片-围岩之间的非线性接触问题，建立了三维力学模型，深入分析了在静土压力和动载之下管片接头的变形。郭瑞等[8]通过对盾构隧道环向管片接头进行抗剪加载试验，分析了在剪力作用下管片接头的力学特性。为了满足衬砌管片在高内水压和高水土压力工作的要求，金瑞等[9]对一种特殊的管片接头连接方式展开了接头力学实验，分析了该接头结构形式的变形特征、承载力以及破坏形式。李守巨等[10]结合工程实例，对隧道管片接头接触特性进行精细三维有限元建模，并分析其力学特性。刘四进[11]、杨钊[12]、K.Feng[13]等通过对比管片接头抗弯力学模型和管片接头抗弯实验，研究了盾构管片接头抗弯刚度力学特性。J.Chen等[14]开发了一种新颖的测试装置，用于盾构隧道分段节的结构测试，并将其用于研究深埋隧道纵垂和弯矩共同作用下的纵向节点的挠曲行为。J.Wang等[15]提出了一种采用以自由长度跨接在接头上的大范围电应变计的方法，解决了盾构隧道模型尺寸小且埋在土壤中，很难监测到接头开口的问题。从以上参考文献中可以看出，混凝土管片接头的极限承载力问题，已经引起了国内外广泛关注，但是对于管片厚度700 mm和 C80混凝土管片接头极限承载力实验研究鲜有报道。实验研究目的在于采用实验室原型实验方法，研究轴力对混凝土管片接头极限承载力的影响，分析管片接头的破坏模式。

1 实验设计

针对琼州海峡海底隧道，80 m水深，50 m覆土厚度，13.5 m隧道内径，管片厚度700 mm，高水压大埋深地质条件，实验混凝土管片选定C80混凝土。混凝土管片接头实验试件分为上下两部分，上部高度900 mm，下部高度900 mm，总高度900 mm×2=1 800 mm，宽度500 mm，管片截面厚度700 mm，如图1所示。混凝土管片主筋采用HRB400钢筋，φ36 mm@84，每侧6根钢筋，对称配筋。混凝土保护层厚度20 mm，箍筋采用HPB300光面钢筋，φ8@100。接头连接螺栓的直径D=38 mm，其屈服强度为400 MPa。为了准确了解混凝土管片材料的基本力学性能，事先进行了混凝土立方体试件的基本力学参数实验。混凝土管片接头承载力特性实验试件如表1所示，其中正弯矩表示螺栓手孔位于图的左侧，负弯矩表示螺栓手孔位于图的右侧。

表1 混凝土管片接头承载力特性实验试件

Table 1 Specimen of bearing capacity of concrete segmental joints

编号弯矩方向FN/kND/mmT1030-2正弯矩1 00038T1030-1正弯矩2 00038T1030-3正弯矩3 00038T1031-1负弯矩1 00038T1031-2负弯矩2 00038

混凝土管片接头承载能力实验加载分为轴力和弯矩两部分，如图1所示。实验装置顶部为1号轴力液压加载油缸，右侧为2号弯矩加载油缸。管片接头实验首先通过顶部油缸施加预先确定的轴力(例如1 000 kN)，然后，通过右侧的油缸对管片进行弯矩加载。为了补偿在弯矩加载过程中2号油缸向上推力的增加，导致管片轴力减小，维持管片轴力为事先设定的常数(例如1 000、2 000、3 000 kN),需要同步调整1号油缸的向下推力。为了监测混凝土管片在加载过程中接头附近应变变化以及计算管片受压区高度和曲率，在管片高度方向上均匀布置6个应变片。同时，布置3个裂缝开度计，监测接头开度和估算受压区高度，如图2所示。除此之外，在管片宽度方向上，在受压区均匀布置3个应变片；在试件右侧面布置2个裂缝开度计，监测接头开度随弯矩的变化。

图1 混凝土管片接头承载能力实验台Fig. 1 Experimental table for bearing capacity of concrete segmental joints

图2 混凝土管片接头螺栓和应变片等布置断面Fig. 2 Layout of linking bolt and strain gauges in concrete segmental joints

如图2所示，在管片顶部施加恒定轴力FN，管片右侧通过偏心力FM实现加载弯矩。管片接头预留2个防水密封圈槽，预埋的连接螺栓锚固套筒位于实验模型的下半部，在实验模型的上半部预留螺栓孔和手孔。在管片接头处布置6个应变片及3个位移计，用于检测混凝土的应变及管片接头开度。在连接螺栓上粘贴应变片，用于监测螺栓的应变，螺栓应变片的导线通过在螺栓上的预制切槽引出。为了保护螺栓上的应变片，在应变片粘贴之后用环氧树脂涂抹防护。

2 管片接头承载力特性

2.1 极限承载力

考虑到琼州海峡海底隧道大埋深和高水压受力特性，设计管片的轴力分别为1 000、2 000和3 000 kN，实验研究管片的轴力对管片接头极限弯矩的影响，分析管片接头的破坏模式。参考偏心受压混凝土构件相对受压区高度(ξ)定义方法

(1)

式中：x——受压区高度；

h0——截面的有效高度，对于实验的管片接头，连接螺栓的位置布置在截面中心，h0=700-350=350 mm。

偏心受压混凝土构件极限状态时的偏心距为

(2)

式中：Mu——管片接头的极限弯矩，由实验确定,见表2;

FN——管片接头施加的固定不变轴力。

参考偏心受压混凝土构件截面破坏形态初步判断准则

(3)

其中截面接头的有效高度h0=350 mm。从表2中可以看出，管片接头极限状态的偏心距大于0.3h0=105 mm，试件都是属于大偏心受压破坏。

表2 管片接头的承载力特性

图3和图4分别为接头受压区高度和极限变矩随轴力的变化。从图3中可以看出，随着轴力的增加，受压区高度逐渐增大。根据管片截面力的平衡方程[16]

N=α1fcbx-σsAs,

(4)

式中：α1——混凝土受压区等效矩形应力系数；

fc——混凝土抗压强度的设计值；

x——受压区高度；

b——截面宽度；

σs——螺栓应力；

As——螺栓的直径。

从式(4)可以看出，受压区高度与轴力相关，实验得到的结论与理论分析结果基本一致。

从表2和图4中可以看出，管片接头的极限弯矩随轴力的增加而增加，符合大偏心受压构件的极限承载力特性。由于管片螺栓的位置靠近截面形心时，管片的极限正弯矩与极限负弯矩近似相等，因此在实际地铁隧道管片设计时，为了提高管片接头的极限弯矩，应根据有限元模型计算的不同位置(圆周上)管片弯矩分布图进行个性化设计，对于不同圆周位置上的管片，有针对性改变螺栓在截面上的位置，使得当受压区混凝土达到极限应变(0.33%)时，连接螺栓应力达到屈服状态，最大限度提高管片接头的极限弯矩。

图3 接头受压区高度随轴力的变化Fig. 3 Variation of neutral axis depth versus axial force

图4 接头极限弯矩随轴力的变化Fig. 4 Variation of ultimate bearing capachty versus axial force

管片接头的最大开度和张开角度随轴力的变化如图5、图6所示。

图5 接头最大开度随轴力的变化 Fig. 5 Variation of maximum aperture of joints versus axial force

从图5中可以看出，管片接头的最大开度随着轴力的增加近似线性减少。较大的轴力能够有效的限制管片接头的张开角度，有利于提供接头的止水性能。

图6 接头张开角度随轴力的变化 Fig. 6 Variation of opening angle of joints versus axial force

为了分析管片接头张开角度与弯矩和轴力的关系，定义接头张开角度为

(5)

式中:Δh——接头的最大开度；

ΔL——接头张开的长度。

高强混凝土管片接头极限承载力特性如表3所示，从表3和图6中可以看出，接头的最大张开角度随着轴力的增加而减小。

从表3中可以看出，在极限状态下(最大弯矩时)，管片接头混凝土受压区高度150～340 mm，混凝土管片接头的最大开度达到了19 mm。因此，在设计和选择防水密封垫时，必须考虑到材料遇水膨胀时有与之相适应的自膨胀性能，保证管片衬砌具有良好的防水性能。从表3中可以看出，当轴力为1 000 kN时，管片接头螺栓的应力达到了屈服强度。当轴力为2 000和3 000 kN时，管片接头螺栓没有屈服。因此，当管片的轴力较大时，螺栓的面积和材料屈服强度并未影响到管片接头的极限承载力，螺栓仅仅起到管片形状固定的作用，辅助管片衬砌环的保圆特性。

表3 混凝土管片接头的实验结果

2.2 破坏特征

混凝土管片接头破坏特征如图7所示，螺栓孔口附近混凝土的破坏形态如图8所示。

图7 混凝土管片接头破坏特征Fig. 7 Fracture patterns of concrete segmental joints

图8 螺栓孔口附近混凝土的破坏形态Fig. 8 Fracture patterns of concrete segmental joints near linking bolt hole

从图7a中可以看出，在极限状态下，混凝土管片接头受压区混凝土被压碎，管片接头受压区高度310 mm，螺栓的位置几乎靠近中和轴，受拉螺栓远远没有达到屈服，这与常规的混凝土构件的破坏形态不完全一样。从图7b中可以看出，有一条主裂纹，距离管片外表面大约200 mm的位置，从接头处向上几乎平行于管片的侧面扩展，最后，导致混凝土管片接头失去了承载能力而破坏。

由于在螺栓手孔附近受到应力集中的影响，局部发生了崩裂破坏现象(图8)。并且在螺栓孔口表面，有一条主裂纹一直扩展到混凝土管片的表面。螺栓手孔的存在，在某种程度上削弱了管片接头的极限承载能力。