高强混凝土管片接头偏心受压破坏形态的研究

李守巨，于 贺，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. 沈阳工业大学建筑与土木工程学院，辽宁 沈阳 110870)

混凝土管片接头是隧道衬砌中强度和刚度的薄弱部分，一般要求接头的极限弯矩是管片极限弯矩的60%以上[1]。 管片接头的螺栓使得管片在圆周方向上形成完整的管片环，除了满足强度和刚度要求、保持管片环拼接后的形状之外，还应该具有良好的止水性能。研究表明，混凝土管片接头的极限弯矩与混凝土的强度、管片的截面尺寸、连接螺栓的强度和面积、连接螺栓的位置、以及管片的轴力相关[2-3]。随着对管片接头的深入研究，发现轴力、弯矩、螺栓的位置、防水密封圈的材质及尺寸等因素通过单独或共同作用的方式对管片接头的抗弯性能产生影响[4]。文献[5]采用原型实验方法研究了管片接头极限承载力特性以及防水性能，文献[6]分别从防水密封圈的材质和尺寸出发，研究其防水性能和对管片拼装的影响。文献[7]通过管片接头的原型实验，研究了管片接头抗弯刚度与管片内力之间的关系。文献[8]采用有限元模拟方法，分析了管片接头数量和地层模量对混凝土管片弯矩承载特性的影响。文献[9]研究了管片所在土层特性和接头数量对管片极限承载力的影响，结果表明，随着接头数量的增加，会引起隧道衬砌中弯矩的明显减小。文献[10]提出了一种确定混凝土管片接头旋转刚度方法，文献[11-12]考虑了土层-结构的相互影响，通过实验研究和有限元数值模拟方法，研究了衬砌混凝土管片的承载力特性。Oriol分析了管片环内部结构的相互影响，研究了相邻环之间的耦合作用[13]。文献[14]和文献[15]分别研究了地震荷载作用下混凝土管片的动力响应特性 。文献[16-17]利用反演的方法，研究了等效地层损失率与地铁隧道盾构施工引起的地表沉降之间的关系。文献[18]采用数值模拟方法，研究纵向接头局部试验的可行性，然后开展纵向接头局部足尺试验。文献[19]建立了管片相应模型模拟试验加载过程，同时将数值分析结果与实测试验结果的破坏模式对比分析。文献[20]对钢纤维混凝土和钢筋混凝土高刚性管片接头开展正弯矩试验，研究钢纤维对深埋排水盾构隧道高刚性接头受力性能的影响。本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弯矩的影响，分析管片接头在加载过程中的破坏模式，讨论管片接头极限正负弯矩承载力特性。

1 管片接头偏心受压破坏实验

考虑到琼州海峡海底隧道，高水压、大埋深地质条件，以及实验室能够施加的轴力和弯矩实验条件，实验混凝土管片选定C60、C70和C80三种材料，管片厚度700mm，管片宽度500mm，管片接头的长度1 800mm。接头连接螺栓的直径为38mm，其屈服强度为400MPa。为了准确了解混凝土管片材料的基本力学性能，进行了混凝土立方体试件的基本力学参数实验，如表1所示。混凝土管片接头承载力特性实验试件编号如表2所示，其中正弯矩表示连接螺栓的手孔位于图1中的左侧，负弯矩表示连接螺栓的手孔位于图1中的右侧。

表1 混凝土立方体试件的基本力学参数

表2 不同实验所对应的参数

从表1中可以看出，混凝土弹性模量随着强度的增加而增大，根据表1中混凝土的弹性模量和极限抗压强度，近似估算其极限压应变，混凝土试件的极限压应变为0.2%～0.22%，基本上与混凝土的标号无关，泊松比为0.25左右，基本上是常数，混凝土的抗拉强度与抗压强度的比值为4%～5%，也就是大约1/20左右。

如图1所示，混凝土管片接头实验平台由底部刚性承台、四周4根加载柱、顶部轴力液压加载油缸、右侧弯矩加载油缸等组成。正弯矩是指混凝土管片螺栓手孔(见图2)位于图1左侧；负弯矩是指混凝土管片螺栓手孔(见图2)位于图1右侧。管片接头实验首先通过顶部油缸施加预先确定的轴力，然后，通过右侧的油缸对管片施加弯矩。同时，混凝土试件表面粘贴多个应变片，在接头处布置3个裂缝开度计，监测接头的开度。在实验模型的侧面，布置有管片接头挠度计和裂缝开度计。

图1 混凝土管片接头实验平台

图2 混凝土管片接头螺栓布置断面图

如3图所示，在管片接头处，布置了水平挠度计，监测加载过程中管片接头的挠度变化，附近还有一个开度计，监测管片接头的最大开度变化。管片接头螺栓引出两根线，记录连接螺栓中应变在加载过程中的变化。

图3 混凝土管片接头挠度和开度测量

如图2所示，混凝土管片接头实验试件分为上下两部分，上部高度900mm，下部高度900mm，总长度900mm2=1 800mm，管片宽度500mm，管片厚度700mm。管片接头为斜螺栓连接方式，如图2所示，螺栓轴线与水平轴的夹角为60°。在实验模型的下半部，预埋了连接螺栓锚固套筒，用于固定螺栓。接头螺栓经过管片内的预留孔，然后经手孔穿出，并预紧固定。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。

2 管片接头偏心受压程实验结果研究

管片接头实验平台的右侧弯矩加载油缸，采用多步位移加载模式对混凝土管片接头施加弯矩荷载，如图1所示，管片接头的轴力采用补偿方式使得轴力保持为常数。在实际加载过程中，控制的是右侧弯矩加载油缸的伸长量，可以观测垂直向上油缸输出的力，然后乘以力臂(0.8m)经过换算后，得到管片接头施加的弯矩。

图4 不同轴力条件下C80混凝土管片接头弯矩随挠度的变化

从图4中可以看出，在预加的2 000kN轴力的作用下，混凝土内产生了预压应力(5.7MPa)；随着管片接头弯矩的增加，挠度近似线性增加，一直持续到管片接头弯矩接近极限值，当管片混凝土受压区边缘达到极限压应变0.2%～0.3%，管片弯矩接近最大值620kN·m、950kN·m和1 100kN·m；之后，尽管施加弯矩油缸的行程不断增加，弯矩几乎为常数，混凝土管片内达到极限压应变的范围逐步增加，混凝土内主裂纹的长度不断扩展，直至管片接头失去承载能力。当轴力为1 000kN时，C80混凝土管片的极限正弯矩为620.23kN·m。当轴力为2 000kN时，C80混凝土管片的极限负弯矩为1 107.38kN·m，极限正弯矩为952.32kN·m。增加了53.54%～78.54%。

图5 不同轴力条件下C70混凝土管片接头弯矩随挠度的变化

从图5中可以看出，在开始阶段对于C70混凝土管片接头极限弯矩随着轴力的增加而增加。由于混凝土材料特性的随机性以及接头接触面光滑程度的不确定性，使得不同轴力下弯矩-挠度曲线相似性差异较大。当轴力为1 000kN时，C70混凝土管片的极限正弯矩为617.65kN·m。当轴力为2 000kN时，C70混凝土管片的极限负弯矩为1 137.10kN·m。增加了84.10%。

图6 不同轴力条件下C60混凝土管片接头弯矩随挠度的变化

从图6中可以看出，当轴力为1 000kN时，C60混凝土管片的极限负弯矩为790.80kN·m。当轴力为2 000kN时，C60混凝土管片的极限负弯矩为1 022.10kN·m。增加了29.29%。

图7 混凝土管片垂直裂缝的扩展形态

图7给出了C80混凝土当轴力为1 000kN、负弯矩时，管片接头垂直裂缝的扩展特征。在混凝土试件出现裂缝破坏之前， 将混凝土近似成弹性材料，基于弹性力学理论，混凝土试件内的水平拉应力与垂直压应变的关系可以近似表示为

σt=μεcE

(1)

式中:μ为泊松比，εc混凝土的垂直压应变，E为混凝土的弹性模量。

根据公式(1)当混凝土的垂直应变达到εc=0.04%时，远小于极限压应变(εcu=0.2%)，水平拉应力已经达到其极限抗拉强度(4.0MPa)，使得混凝土管片在被压碎之前，水平拉应力超过了混凝土抗拉强度，出现垂直裂缝，如图7所示。在管片接头处会出现垂直向上的2条主裂缝，随着弯矩的逐步增加，2条主裂缝会不断扩展，直至混凝土管片接头失去承载能力。

图8 混凝土管片接头受压区混凝土被压碎

图8给出了C70混凝土当轴力为2 000kN、正弯矩时，混凝土管片接头的破坏形态。从图8中可以看出，混凝土受压区边缘，大约180mm高、宽70mm三角形范围内混凝土被压碎，混凝土管片接头破坏形态与轴力的大小相关。

图9 混凝土管片接头破坏特征

从图9中可以看出，对于C60混凝土、轴力1 000kN、负弯矩条件下，在混凝土管片受压区出现3条主裂缝，其中2条首先出现的主裂缝距离管片边缘120mm左右，垂直扩展高度40mm；另一条后来出现主裂缝距离管片边缘280mm左右，一直垂直扩展到实验模型的顶部。该裂缝的起始位置靠近混凝土管片接头螺栓孔的位置，管片内螺栓孔的存在引起应力集中，在一定程度上削弱了管片的承载能力。

对比不同混凝土标号试件的极限弯矩可以看出，随着混凝土标号的增加，管片接头的极限弯矩增加；随着轴力的增加，混凝土管片的极限弯矩增加。由于管片接头连接螺栓近似位于接头的中心部位，管片接头的正负弯矩极限值差异较小。混凝土管片接头破坏形式的共性是产生拉伸裂缝，某些试件出现局部压碎破坏，附加拉伸裂缝。受实验样本数目的限制，更多的破坏机理研究有待进一步深入探讨。

3 结论

在轴力和弯矩的共同作用下，混凝土管片接头会存在2种破坏模式。破坏模式1，在混凝土达到极限压应变之前，混凝土的水平拉应力已经超过了其极限抗拉强度，在管片接头处会出现垂直向上的多条主裂缝，随着弯矩的逐步增加，主裂缝会不断扩展，直至混凝土管片接头失去承载能力。破坏模式2，管片接头受压区边缘的混凝土首先达到极限压应变，随着弯矩的逐渐增加，受压区的混凝土被逐渐压碎。管片接头的具体破坏模式与极限弯矩与轴力的比有关，也与混凝土的强度有关，同时具有一定的离散性。实验研究结果表明，管片接头的极限弯矩随轴力的增加而增加，与轴力1 000kN时管片接头极限弯矩相对比，轴力2 000kN时C60、C70和C80混凝土的管片接头极限弯矩分别提高了29.29%、84.10%和53.34%～78.54%。