螺栓對高軸壓盾構(gòu)管片接頭抗彎性能影響研究

方若全,馬杲宇,劉川昆,王乾屾,曹淞宇

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031)

引言

隨著我國大型水下盾構(gòu)隧道的興建，一系列結(jié)構(gòu)問題愈發(fā)凸顯，對結(jié)構(gòu)的安全性提出了挑戰(zhàn)[1-4]。盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)可視為由多塊混凝土管片拼裝而成的環(huán)，管片間通過螺栓預(yù)緊連接[5]。盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能正是由于接頭的存在變得較為復(fù)雜，而其抗彎性能是目前管片襯砌結(jié)構(gòu)分析中必不可少的關(guān)鍵參數(shù)[6]。

同時，隨著現(xiàn)如今大量建設(shè)的越江盾構(gòu)隧道埋置深度的逐漸增加，其承受的水壓也愈來愈高，這種情況下管片尺寸通常較大，為了滿足防水和拼裝精度等要求，接縫面構(gòu)造更為復(fù)雜[7]，從而管片接頭的變形特征、抗彎性能、破壞機理也因為結(jié)構(gòu)形態(tài)與高軸壓的作用而與常規(guī)盾構(gòu)隧道有所區(qū)別[8]。

近年來，很多學(xué)者已經(jīng)從理論分析、數(shù)值計算和足尺試驗等方面對大直徑盾構(gòu)隧道管片接頭抗彎性能進行了深入研究。師永翔等[9]從理論分析出發(fā)，提出了大直徑盾構(gòu)隧道接頭的抗彎剛度計算公式，并將其計算結(jié)果與抗彎試驗結(jié)果進行對比。劉四進等[10]針對大斷面盾構(gòu)隧道復(fù)雜接縫面管片接頭特點，考慮其接縫面細部構(gòu)造和接頭螺栓預(yù)緊作用等因素的影響，建立了管片接頭抗彎力學(xué)模型。彭益成等[11]針對上海青草沙輸水隧道單層襯砌管片接頭的特點，借助足尺荷載試驗及三維非線性彈塑性數(shù)值模擬對單層襯砌輸水隧道管片接頭的抗彎力學(xué)特性進行了研究。然而，在關(guān)于管片接頭的數(shù)值計算中針對螺栓預(yù)緊力的模擬存在難點，另外對于高軸壓工況下管片接頭螺栓的承載特征與作用的描述分析相對較少。

鑒于此，針對高軸壓作用下盾構(gòu)隧道管片接頭的結(jié)構(gòu)形式，基于大型有限元軟件Abaqus，建立了大直徑盾構(gòu)隧道管片直螺栓接頭的三維非連續(xù)接觸模型。在對比常規(guī)工況與高軸壓工況下接頭結(jié)構(gòu)體系的變形特征、抗彎性能的同時，重點分析了螺栓的受力過程以及有無螺栓對于管片接頭變形以及抗彎性能的影響。

1 接頭數(shù)值模擬

參照文獻[12]中廣深港高速鐵路獅子洋隧道工程的管片接頭結(jié)構(gòu)形式進行建模。據(jù)張厚美等[13]的研究成果，在評價管片接頭的抗彎剛度時，可使用直接頭代替彎接頭以簡化試驗和計算。根據(jù)封坤[14]數(shù)值計算結(jié)果，采用試件寬度為1/3幅寬進行計算。同時考慮到荷載與結(jié)構(gòu)的對稱性，再選取1/2結(jié)構(gòu)進行計算。數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型

管片接頭的抗彎性能數(shù)值計算加載模式如圖2所示，一端采用固定鉸支座，另一端采用可動鉸支座。其中，彎矩和軸力分別通過兩端軸壓荷載N和上部垂直壓力Fm實現(xiàn)。管片接頭接縫面處所受軸力大小為N，而所受彎矩M=a×Fm。

圖2 管片接頭加載方式

大直徑盾構(gòu)隧道管片螺栓一般采用高強螺栓連接，通常采用的型號是8.8級或10.9級。本文先用10.9級高強螺栓，預(yù)緊力Fb為335 kN，在有限元軟件中通過螺栓荷載實現(xiàn)。

混凝土試件、螺栓、墊片、套筒均采用實體單元進行模擬，單元類型為8節(jié)點三維實體單元(即C3D8)。

1.1 主要材料參數(shù)

(1)混凝土

混凝土強度等級為C60，其彈性模量為36.5 GPa，泊松比取為0.18，密度為2 600 kg/m3，抗拉強度和抗壓強度取標(biāo)準(zhǔn)值，分別為38.5 MPa和2.85 MPa。本文采用Hongnestad提出的混凝土本構(gòu)模型，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段為二次拋物線，下降段為斜直線，其表達式如式(1)所示。

1)

式中，ε為混凝土應(yīng)變值；σ為混凝土應(yīng)力；ε0為混凝土屈服應(yīng)變，取為0.002；εu為混凝土極限應(yīng)變，取為0.003 3；σ0為混凝土屈服應(yīng)力。

(2)螺栓

選用8.8級和10.9級兩種螺栓，密度和泊松比分別為7 800 kg/m3和0.2，應(yīng)力-應(yīng)變設(shè)置為雙直線，當(dāng)鋼筋應(yīng)力達到屈服應(yīng)力后，其彈性模量降低為先前(210 GPa)的1/100，屈服強度分別為640 MPa和900 MPa，極限抗拉強度分別為800 MPa和1 000 MPa。螺栓材料本構(gòu)關(guān)系見圖3。

圖3 螺栓材料本構(gòu)關(guān)系

1.2 求解設(shè)置與工況設(shè)置

根據(jù)文獻[15]，我國水下隧道的水壓已經(jīng)達到0.6 ～0.7 MPa，瓊州海峽通道隧道方案高至1.2 MPa。通過梁-彈簧模型初步計算得到管片接頭承受的軸壓為3 000～12 000 kN。以1 000 kN為增量，按照10.9級螺栓、8.8級螺栓和無螺栓分為三類，分計30組工況。

混凝土試件、墊片、螺栓和套筒兩兩之間的接觸關(guān)系均采用面-面接觸設(shè)置，接觸面切向通過Coulomb摩擦模型進行定義，混凝土試件之間摩擦系數(shù)為0.5[16]，法向的接觸為硬接觸。

2 計算結(jié)果分析

本文分別從管片接頭張開量、接頭抗彎剛度、螺栓應(yīng)力隨接頭內(nèi)力的變化出發(fā)，探討不同軸壓工況下大直徑盾構(gòu)隧道管片接頭的變形特征、抗彎性能以及螺栓的受力特點。

2.1 管片接頭張開量

能夠表征管片接頭變形特征的物理量有接頭張開量、接頭豎向位移和接頭張開高度等[17-19]，選取較為典型的接頭張開量為分析對象。

最高軸力12 000 kN工況下，10.9級螺栓、8.8級螺栓和無螺栓條件下管片接頭張開量隨彎矩變化曲線如圖4所示。

圖4 軸力12 000 kN下接頭張開量隨彎矩變化情況

顯然，可以將接頭承載過程分為5個階段：①全截面受壓，接縫未張開；②彎矩達到800 kN·m左右，接頭開始張開，張開量呈線性變化，速率較低；③彎矩達到1 100 kN·m左右，張開速率陡增，張開量呈非線性增長；④接縫面上部混凝土接觸，對接縫張開起到較大減緩作用；⑤張開量增長速率急速增加，趨近無窮大，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，失去承載能力。同時，較之有無螺栓，對接頭張開量隨彎矩變化的影響，兩種不同等級螺栓的區(qū)別不大。

選取軸力3 000，7 000，12 000 kN三種典型工況，代表低、中、高三種軸壓水平。不同軸壓下有無螺栓工況管片接頭張開量隨彎矩的變化曲線如圖5所示。

圖5 不同軸壓有無螺栓工況下接頭張開量隨彎矩變化對比(10.9級螺栓)

令軸力i工況下，有螺栓(10.9級螺栓)與無螺栓條件下接頭結(jié)構(gòu)體系失穩(wěn)時(即階段5)極限承載彎矩的差值為ΔMi。

如圖5所示，相同軸力條件下張開量隨著彎矩的增大而逐漸增大，在達到一定彎矩條件即結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時其斜率發(fā)生突變，以軸力3 000 kN的突變臨界點為參考，同時考慮到封坤、何川等[20]結(jié)合廣深港高速鐵路獅子洋隧道工程，針對高軸壓作用下復(fù)雜接縫面管片接頭的抗彎性能、破壞特征開展的足尺試驗的結(jié)果，以張開量30 mm為極限值，隨著軸力的增大，有無螺栓極限承載彎矩差值ΔM逐漸減小。可見，軸力越大，失穩(wěn)時螺栓對于接頭極限承載力的貢獻隨之減小。此外，觀察不同軸力同一彎矩作用下結(jié)構(gòu)失穩(wěn)前有無螺栓工況張開量的差值ΔZi，隨著軸壓的增大，較之無螺栓工況，螺栓對于張開的抑制作用逐漸減小。

2.2 螺栓應(yīng)力

為了進一步探究螺栓對于高軸壓作用下盾構(gòu)隧道管片接頭抗彎性能的影響，以10.9級高強螺栓工況為例，將螺栓受拉力和彎矩作用的集中段單元Mises應(yīng)力的時程曲線繪制于圖6。

圖6 螺栓應(yīng)力隨彎矩變化情況

螺栓應(yīng)力隨彎矩的變化曲線可以分為4段：①接頭未張開過渡至緩慢張開，螺栓在預(yù)緊力和軸力作用下存在較小應(yīng)力；②接頭張開高度到達螺栓處，螺栓應(yīng)力快速上升，增長速率陡增；③接頭結(jié)構(gòu)上部混凝土接觸，對張開起到較明顯的抑制作用，螺栓受力增長減緩；④螺栓屈服，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，很快到達極限抗拉強度，被拉壞。

對照軸力12 000 kN工況下混凝土的受力歷程，以接縫面混凝土達到極限壓應(yīng)變?yōu)槠茐牡呐袛嘁罁?jù)，接頭上部混凝土破壞時的彎矩小于螺栓屈服時對應(yīng)的彎矩。以混凝土壓潰為判斷，從接頭結(jié)構(gòu)體系的承載力角度來看，可以認為螺栓對于高軸壓作用下管片接頭的抗彎性能貢獻不大。

2.3 管片接頭抗彎剛度

本文管片接頭抗彎剛度kθ計算表達式[21]如式(2)所示，其中M為對應(yīng)彎矩，θ為張開角。

2)

如圖7和圖8所示，8.8級和10.9級螺栓條件下，不同軸壓下管片接頭抗彎剛度隨著彎矩的增大而逐漸減小至穩(wěn)定。

圖7 抗彎剛度隨彎矩變化情況(8.8級螺栓)

圖8 抗彎剛度隨彎矩變化情況(10.9級螺栓)

總體上軸力越大，抗彎剛度數(shù)值越大。從承載過程來看，結(jié)構(gòu)受彎矩較小時，管片接頭未張開，此時張開角接近于0，導(dǎo)致接頭抗彎剛度趨近于無窮大。伴隨著彎矩的增大，到達一定數(shù)量級，接頭張開，張開角增大，接頭抗彎剛度減小，并逐漸伴隨著結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)趨于0。

此外，8.8級和10.9級螺栓條件下抗彎剛度隨彎矩變化的規(guī)律和數(shù)值相當(dāng)接近，可見兩種螺栓等級對于接頭抗彎剛度的影響較小。

分別繪制10.9級螺栓、8.8級螺栓和無螺栓條件下軸力為3 000 kN和12 000 kN工況接頭抗彎剛度隨彎矩的變化曲線，如圖9與圖10所示。

圖9 軸力3 000 kN下有無螺栓工況抗彎剛度隨彎矩變化情況

圖10 軸力12 000 kN下有無螺栓工況抗彎剛度隨彎矩變化情況

隨著彎矩的增加，接頭抗彎剛度在有無螺栓條件下的相對數(shù)值差異顯著減小，尤其是在高軸壓(12 000 kN)作用下盾構(gòu)隧道管片接頭抗彎剛度幾乎不受到螺栓的影響，這也進一步驗證了隨著軸壓的提升，螺栓對于管片接頭的變形控制以及抗彎性能的提升有限。

3 結(jié)論

采用大型有限元軟件ABAQUS，建立了大直徑水下盾構(gòu)隧道管片接頭三維非連續(xù)接觸精細化模型，著重討論分析了高軸壓工況下螺栓對于管片接頭的變形特點和抗彎性能的影響。主要結(jié)論如下。

(1)大直徑水下盾構(gòu)隧道復(fù)雜接縫面接頭結(jié)構(gòu)體系隨著軸力的增大，有螺栓和無螺栓之間的結(jié)構(gòu)極限承載彎矩差值逐漸減小。不同軸力同一彎矩作用下結(jié)構(gòu)失穩(wěn)前有無螺栓工況張開量的差值，隨著軸壓的減小而逐漸增大。

(2)以管片接頭接縫面混凝土達到極限壓應(yīng)變?yōu)榛炷疗茐牡呐袛嘁罁?jù)，高軸壓作用管片接頭上部混凝土破壞時螺栓并未進入屈服階段，可見螺栓對于高軸壓作用下盾構(gòu)隧道管片接頭的抗彎承載性能提升貢獻較小。

(3)對于大直徑水下盾構(gòu)隧道常見的管片接頭復(fù)雜接縫面結(jié)構(gòu)形式，在高軸壓作用下，本文計算的10.9級和8.8級螺栓對于管片接頭抗彎剛度的影響較小。對于高軸壓盾構(gòu)管片接頭的變形性能、抗彎性能的影響而言，兩種螺栓的區(qū)別較小。隨著軸力的增加，有無螺栓對接頭抗彎剛度產(chǎn)生的相對數(shù)值差異顯著減小。

(4)由于研究點的側(cè)重，本文一方面在混凝土材料選擇上僅僅采用了彈塑性本構(gòu)，未考慮單元損傷等影響，另一方面主要考慮了管片接頭正彎工況，限于篇幅，關(guān)于以上因素的分析筆者另行撰文討論。