矩形鋼頂管F形承插口接頭局部抗彎承載性能試驗

吉茂杰 張一鳴 吳東鵬 黃小平 黃愛軍 袁 勇,4

1. 上海申通地鐵集團有限公司 上海 201103；2. 同濟大學地下建筑與工程系 上海 200092；3. 上海城市建設設計研究總院（集團）有限公司 上海 200125；4. 同濟大學土木工程防災國家重點實驗室 上海 200092

頂管隧道預制管環裝配時，一般采用承插式接口，形成接縫處不連續接觸，各管節獨立承載且接口有一定自由轉動能力的隧道襯砌。工程實踐表明，具有F形承插口構造的接頭在頂進過程中接口張角較小、防水密封性能優異[1]，為頂管接頭構造的主要形式之一。對于頂管F形承插口接頭的相關研究多集中在考慮接頭效應的管環整體力學性能[2-3]、構造設計[4-5]和防水密封性能[6-7]等方面，而承插口斷面局部削弱導致的承載性能變化則有待深入研究。

本文以上海市軌道交通14號線靜安寺站工程為背景，選取頂管隧道的管環間F形承插式接口結構的局部管片接頭，利用數值模擬和正彎矩試驗，研究接頭連接螺栓、套筒板等局部結構的受力情況，分析該接頭的彎矩和剛度變化規律，以期為后續的管片接頭設計參數和極限承載力的確定提供參考。

1 試驗設計

1.1 試件制作

上海市軌道交通14號線靜安寺站位于華山路與延安中路交叉路口的華山路下方，沿華山路南北向布置，為地下3層島式站臺車站，與已建成通車的軌道交通2號線、7號線靜安寺站形成三線換乘樞紐。受建設條件控制，沿站臺縱向設計采用鋼頂管連接2個常規明挖部分，頂管斷面如圖1所示，頂管每節管環長度2 m，管環為肋板空腔箱形結構。為了研究管環承插口的局部抗彎承載性能，沿管環方向截取寬度1 m作為局部管片接頭試件，如圖2所示。

圖1 頂管斷面示意

圖2 局部管片接頭試件截取位置

1.2 局部管片接頭試件構造

局部管片接頭試件的寬度為1 000 mm，高度為400 mm，縱向的長度為2 000 mm，接口部位長度為225 mm，如圖3所示，試件接口部分由帶套筒板的A塊端部和不帶套筒板的B塊端部組合而成，接口端部的端頭板設有螺栓孔，用于安放8.8級M30高強螺栓。

圖3 局部管片接頭試件

1.3 加載方式

試驗采用對稱荷載的加載方式（圖4），利用2個同一油路的千斤頂在關于接縫對稱的點位上施加等值荷載，在接口部位形成純彎段。采取分級加載的方式，初始每級荷載為5 kN；當試件出現明顯屈服段時，將加載級減少為2.5 kN；當結構出現明顯變形或在給定荷載下接頭位移不斷增長時，停止試驗。

圖4 試驗加載布置

1.4 測點布設

本次試驗中的測點分為兩類（圖5）：一類是應變測量，測量儀器為電阻式應變片（量程5 000 με），選擇在構件可能出現較大應變的位置布置測點，如端頭板（C1—C4、D1—D4）、螺栓（B1—B2）、套筒板（A1—A3，E1—E2）、端頭板螺栓孔（S1—S3）；另一類是位移測量（K1—K2），采用LVDT位移計（量程100 mm）測量接縫張開角度。端頭板兩側的應變測點用于分析加載過程受壓區高度變化，配合螺栓應變判定接頭屈服的起始點，套筒板的應變測點用于判斷其局部承載的起始條件，接縫張開角度用于換算接縫轉角的變化。

圖5 接縫位置測點布置

2 試驗結果與分析

2.1 接縫處的彎矩-轉角曲線

根據加載方式，接頭所受彎矩按式（1）計算：

根據分級加載的數據可以繪出試件接縫的彎矩-轉角曲線，如圖6（a）所示。該曲線可分為3個階段：

1）彈性階段（OA段），曲線的斜率保持不變，接縫轉角隨彎矩線性變化，可以認為A點為彈性極限彎矩Me＝32.5 kN·m，對應轉角θe＝7.06×10－3rad。

2）屈服階段（AB段），斜率隨彎矩的增長而逐漸減小，反映出試件轉角剛度隨彎矩增大而減小，呈現出屈服狀態，B點對應的屈服極限彎矩為My＝42.5 kN·m，對應轉角θy＝28.12×10－3rad。

3）破壞階段（BC段），接頭的轉角剛度穩定在較低水平，轉角發展速度較快，C點對應的承載力極限彎矩Mu=52.5 kN·m，此時接頭結構處于即將破壞的狀態，在下一個加載級內螺栓拉剪斷裂導致結構破壞。

接頭的轉角剛度按式（3）計算：

式中：M——接縫處彎矩；

θ——接縫的轉角。

接頭結構轉角剛度和彎矩的關系如圖6（b）所示，試件在整個加載過程中的轉角剛度呈現出3階段的特點：彈性階段（DE段）維持較高的水平，屈服階段（EF段）迅速降低，破壞階段（FG段）穩定在較低水平，在G點后急劇下降，可以認為結構達到G點對應的彎矩Mu時，試件達到臨界狀態，將轉角剛度即將下降之前的彎矩Mu定義為試件的承載力極限彎矩。

圖6 試件接縫的彎矩-轉角、彎矩-轉角剛度變化

2.2 各部件受力變化

2.2.1 端頭板

布置在接縫兩側端頭板的應變片C1—C4、D1—D4測得的應變基本相同，圖7（a）繪出D1—D4測點應變隨彎矩的變化。其中D3、D4沒有測到應變響應，表明接縫處下側張開，僅D1、D2受壓。彈性階段〔圖7（a）中HI段〕，應變-彎矩近似線性；當M＞Me后接頭進入屈服狀態〔圖7（a）中IJ段〕，D1和D2的彎矩-應變曲線出現轉折，應變隨彎矩加速增長；當M＞My后，D2點的壓應變逐漸減小〔圖7（a）中JK段〕，表明接縫受壓區高度逐漸減小，直至最終D2應變為0，處于接頭張開狀態。表明接縫截面的受壓區高度逐漸降低，中性軸向上偏移。根據測定的應變數值，結合平截面假定，推測接縫截面受壓區高度值x和應變分布情況〔圖7（b）〕。但僅有的應變測點不足以給出受壓區高度的準確數值，后面通過數值模擬詳細分析。

圖7 端頭板B的測點應變

2.2.2 螺栓

加載過程沿螺栓軸線方向上下側（B1—B2）測到的應變，繪出彎矩-應力應變曲線〔圖8（a）〕。在試件加載初期，螺栓應變與拉應力隨彎矩線性增長；當試件屈服階段時〔圖8（a）中L點〕，螺栓應變隨彎矩增幅顯著提升，此時螺栓應變達3 150 με，根據鋼材彈性模量估算出L點對應的螺栓拉應力στ＝660 MPa，達到8.8級高強螺栓的非比例延伸強度（即條件屈服強度Rp,0.2），即螺栓受拉屈服；在加載后期，螺栓應變超過應變片的量程（5 000 με）。結構破壞時，螺栓呈現出拉剪破壞形態〔圖8（b）〕。

圖8 螺栓桿變形情況

2.2.3 螺栓孔

端頭板螺栓孔的環向應變〔圖9（a）〕體現了螺栓孔受到的擠壓效應。在試件加載初期，螺栓孔周S1和S3的應變一致，S2略大，M＜Me時應變量小于300 με；當試件進入屈服階段后〔圖9（a）中M點〕，S2的應變隨彎矩快速增加，表明除螺帽的擠壓之外螺桿與孔壁的擠壓逐漸占主導作用；當試件進入破壞階段后〔圖9（a）中N點〕，S2與S1和S3的應變值差顯著；試件破壞時，S1和S3的應變為672 με，小于Q345鋼材的屈服應變（1 683 με），而S2的應變（3 168 με）則大于屈服應變。

在試驗結束取出螺栓，觀察螺栓孔的變形情況如圖9（b）所示，黃色虛線圓環為試驗前螺栓孔形狀，紅色實線對應于試驗結束后的螺栓孔邊界，可以到螺栓孔下緣出現豎直徑向對稱的V形切口。

圖9 螺栓孔的變形情況

2.2.4 套筒板

套筒板頂面應變測點（A1—A3）和底面應變測點（E1、E2）對應的彎矩-應變關系如圖10所示。當M＜My時，各測點應變為零，說明套筒板與接頭B塊頂板未發生接觸；當M＞My后，各測點的應變隨彎矩開始增長，說明此時套筒板與B塊發生擠壓，在套筒板對應接縫位置產生頂面受壓（應變為負）底面受拉的局部承載狀態，直至接頭破壞。

圖10 套筒板測點的彎矩-應變曲線

3 數值模擬與分析討論

3.1 數值模型驗證

采用有限元數值方法模擬試驗，構件的數值模型網格如圖11所示。鋼板和螺栓均采用理想彈塑性“雙折線”材料模型，鋼材彈性模量設置為206 GPa，鋼板的屈服強度為345 MPa、抗拉強度為500 MPa，螺栓的屈服強度為660 MPa、抗拉強度為1 000 MPa。數值模型得到接縫的轉角-彎矩曲線如圖12所示，可見數值模擬與試驗結果接近。

圖11 試件的數值模型網格

圖12 數值模型的接縫轉角-彎矩曲線

3.2 接頭受壓區高度

接頭B塊端頭板端面壓應變區的下緣到端頭板頂面的距離，即為受壓區高度，其隨彎矩的變化如圖13（a）所示。在彈性階段（RS段），受壓區高度基本保持不變；在屈服階段（ST段），受壓區高度近似線性降低，接縫截面中性軸向上偏移；在破壞階段（TU段），接頭受壓區高度降低的幅度加大。圖13（b）為接頭在特征彎矩時刻B塊端頭板端面的壓應變分布，表明壓應變沿高度近似線性分布，即端頭板的端面在受力變形時始終保持為平面。

圖13 接頭受壓區高度的變化

數值模型與試驗特征點彎矩下接頭受壓區高度的對比如表1所示，可見數值模擬與試驗結果接近，說明上述分析與實際情況較為符合。

表1 數值模擬和試驗接頭受壓區高度對比

4 結語

1）接頭試件的抗彎性能可以分為彈性、屈服、破壞等3個階段，彈性階段接頭的轉角剛度基本恒定，試件屈服后轉角剛度線性下降為彈性段的約1/3。

2）接頭結構處于屈服階段時，實質為連接螺栓進入受拉屈服狀態。

3）接頭結構進入破壞階段時，A塊承插接口套筒板與B塊接頭頂面發生擠壓接觸，連接螺栓由受拉轉為承受拉剪作用，導致端頭板上的螺孔下邊緣受擠壓。

可見，連接螺栓對接頭的抗彎性能起控制作用，在管片施工過程中應避免連接螺栓的意外受損。