隧道預制裝配式套拱接頭力學性能研究*

鄧啟華，林 志，范國宇

(1.中鐵二十二局集團第五工程有限公司，重慶 400700；2.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074)

0 引言

我國交通隧道建設已有近100年歷史，截至2019年底，我國公路隧道數量為19 067座，同比增長7.5%，隧道總長度達到1 896.66萬m，同比增長10%。可以說，中國已成為名副其實的隧道及地下工程大國。然而，隧道及地下結構作為一個復雜的體系，公路隧道建成后隨著使用時間的增長以及外部環(huán)境的改變，隧道的結構性能不斷惡化，不同程度的隧道病害在運營過程中逐漸顯露，如襯砌開裂、剝落掉塊、滲漏水、結構整體大變形等。這些病害惡化了隧道服役性能，降低了隧道結構的安全可靠度和穩(wěn)定性，威脅行車安全。近年來，對已建隧道的病害及相應整治措施的研究已引起國內外研究人員的普遍重視。

對于以上隧道病害，研究人員先后提出了噴混凝土[1-3]、粘貼鋼板[4-7]等方法。噴混凝土作為隧道及地下工程建筑支護結構中的主要材料，存在脆性大、抗彎拉強度低等缺陷，因此在地質條件較差的地段，為改善噴混凝土的性能，使其取得良好的支護效果，不得不借助設置鋼筋網等手段。然而鋼筋網的施工工藝復雜，施作時間較長，往往不能及時形成支護。同時，對施工期間的通行車輛造成了影響。再者，通過粘鋼加固后襯砌結構破壞的直接原因是鋼板與既有襯砌之間環(huán)氧樹脂失效，呈現明顯的脆性特征，對隧道運營期間的安全性能造成很大影響。同時，粘鋼加固大大提高了隧道服役期間的維修成本。隧道裂損嚴重時，常采用套拱加固，使用鋼拱架和噴射混凝土結合的工程比較常見。但它們的剛度差異較大，結構受力不合理，施工工期較長。因此本文提出采用隧道預制裝配式套拱，快速對隧道襯砌進行加固，降低對交通的影響。

國內外研究人員對裝配式接頭已有許多研究。賈永剛[8]對鐵路隧道裝配式襯砌接頭力學模型和受力特性進行研究，建立4種力學模型對裝配式襯砌接頭進行研究。嚴佳梁[9]對盾構隧道接頭在不同力組合作用下的變形過程進行了研究，得到了接頭剛度隨荷載變化的規(guī)律。張勝龍[10]通過模型試驗和數值模擬對鐵路隧道裝配式襯砌的平接頭和榫槽式接頭進行了研究，分析了兩種接頭在不同情況下的受力性能。日本的奈良縣、群馬縣等地采用預制裝配式構件進行隧道修筑，采用數值模擬和模型試驗等方法驗證了預制構件結構的合理性和力學的安全可靠性[11-13]。

研究人員對裝配式襯砌接頭有一定的研究，在此基礎上，本文采用數值模擬和模型試驗兩種方法，研究在不同偏心距和不同螺栓預緊力工況下，平接頭的張開量、撓度、接觸面應力和螺栓拉力等變化規(guī)律，驗證了接頭的可靠性，也為隧道加固提供了一種新思路。

1 裝配式套拱結構及接頭形式

1.1 裝配式套拱結構

套拱根據是否設置防水板可以分為疊合式套拱和復合式套拱兩類。其中，復合式套拱有兩大特點：①能提高結構的承載能力；②能改善隧道的防排水系統(tǒng)。病害隧道需要考慮防排水問題，本文的預制裝配式套拱為復合式套拱結構，綜合考慮結構安全性和成本、機械運輸、拼裝能力，裝配式套拱結構包括預制襯砌塊和混凝土臺座。預制襯砌塊為圓弧形片體，可拼裝成橫截面為半圓形的拱形結構。混凝土臺座設置于拱形結構的下端，和設于拱形結構兩端的預制襯砌塊環(huán)向端部插接固定。裝配式套拱幅寬2m，厚度取0.2m。兩車道采用2分塊+2個混凝土臺座方案，三車道采用3分塊+2個混凝土臺座方案，如圖1，2所示。

圖1 2分塊+2個混凝土臺座方案

圖2 3分塊+2個混凝土臺座方案

1.2 裝配式套拱接頭形式

接頭部分是整個結構中的薄弱部位，接頭形式很大程度上決定了襯砌結構的承載能力及變形特性。接頭形式主要有全面對接式、部分表面對接式、榫式、臺階式和凹凸式等。本文中裝配式套拱采用的接頭形式有平接頭和搭接式接頭，如圖3，4所示。接頭連接件采用螺栓，如表1所示。

表1 裝配式套拱接頭組合及其連接方式

圖3 平接頭示意

圖4 搭接式接頭

2 裝配式套拱接頭力學性能研究

2.1 有限元模擬計算

2.1.1模型假設

1)接頭部位的變形是由螺栓和混凝土形變所引起的，忽略接頭止水條、密封墊等對接頭的作用。由于此類密封材料一般只承受較小的壓力，對接頭剛度的影響可忽略，接頭剛度主要由混凝土與螺栓共同作用來確定。

2)將管片混凝土材料視為均質單一材料，忽略內部鋼筋結構。

3)通過設置接觸面來考慮螺栓與螺栓孔間的相互作用。

4)實際工程中為了防水需要，設置有彈性密封墊，本文不考慮接頭處密封墊的影響[14]。

2.1.2模型建立

裝配式套拱接頭模型管片外弧面半徑為5.55m，內弧面半徑為5.35m,寬度為2m，管片之間由2根彎螺栓連接。實際工程中，為避免接頭處漏水及防止管片接頭端面直接壓碎，在接縫中設置橡膠襯墊。本文中不考慮襯墊對接頭的作用，裝配式套拱接頭構造如圖5所示，加載如圖6所示。

圖5 套拱接頭構造

圖6 加載示意

本計算模型中包含有管片和螺栓等部件，以上部件均采用八節(jié)點減縮積分形式的實體單元(C3D8R)。根據文獻研究[15]，混凝土單元尺寸宜為粗骨料尺寸的3～5倍，因此計算模型中管片的網格布尺寸設為60mm，螺栓的網格布種尺寸設為10mm。預制套拱選用0.2m×2m截面尺寸，螺栓型號為M24，螺栓螺母裝配如圖7，8所示。材料的力學參數及強度參數如表2，3所示。

圖7 拼裝示意

圖8 螺栓示意

表2 材料的主要物理力學參數

表3 材料強度參數

2.1.3材料本構關系

1)混凝土本構關系

本文數值模型凝土本構參考GB50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》定義混凝土單軸拉壓應力-應變關系(見圖9，10)。

2)螺栓本構關系

接頭連接使用的是高強螺栓，被認為是一種理想的彈塑性材料，其沒有明顯的屈服平臺。為了簡化計算，將螺栓的本構關系采用彈性強化的雙折線模型(見圖11)。

圖11 8級螺栓的應力-應變曲線

2.1.4接觸關系模擬

1)混凝土之間的接觸面，在荷載作用下裝配式套拱接頭會張開，重點分析其張開變形。設置為標準接觸，接觸面法向行為設置為硬接觸。假設兩個面的受壓剛度為無窮大，有效阻止兩個面受壓嵌入，并在受拉時可以分開。接觸面的切向行為設置罰函數法，摩擦系數取0.5。

2)混凝土與螺栓的接觸面設置為標準接觸。接觸面法向行為設置為硬接觸。接觸面的切向行為用罰函數法模擬，摩擦系數取0.3。

3)螺栓與螺母接觸，接觸面采用綁定約束，其作用是使用主-從公式定義基于表面的約束，防止接觸面相對滑移或分離。

2.1.5模擬計算工況

本節(jié)為了研究接頭的張開量、接觸面應力和螺栓應力等的變化，采用等偏心距加載方式進行模擬。根據文獻[16-18]，偏心距選取0.1，0.2，0.3m，螺栓預緊力為20kN，模擬加載工況如表4所示。加載過程：水平荷載N每級增加50kN，與此同時施加豎向荷載，當水平荷載加載至700kN時，加載結束。通過在相同偏心距下，施加螺栓預緊力分析其對接頭的影響。以偏心距為0.2m為例，施加預緊力分別為20，40kN和60kN 3個等級。

表4 模擬加載工況

2.2 計算結果分析

2.2.1接頭張開量

接頭張開量與接頭轉角是接頭部位力學性能優(yōu)劣的宏觀體現，反映接頭抵抗彎矩的能力。接縫相對位移是指接縫兩側管片之間的相對張開或閉合。

不同偏心距工況下，接頭張開量與水平軸力之間的關系如圖12所示。由圖12可知，正偏心距與負偏心距對接頭的影響趨勢相似，偏心距為0.3m，張開量最大為3.6mm，偏心距為-0.3m時，張開量最大為1.5mm。當水平軸力相同時，接頭張開量隨偏心距的增大而增大，其變化速率也增大。隨著偏心距增加，接頭張開到一定程度，截面受壓狀態(tài)改變，張開角和張開量將隨偏心距增加而迅速增加。當偏心距相同，水平軸力較小時，接頭張開量呈非線性變化，隨著水平軸力增大，接頭張開量呈線性變化。由于螺栓處于彈性狀態(tài)，其變形為線性變化，接頭張開量主要由螺栓伸長產生，從而使得接頭張開量與水平軸力基本上呈線性關系。

圖12 張開量與水平軸力的關系曲線

2.2.2接頭撓度

正偏心距工況下，接頭撓度與水平軸力之間的關系如圖13所示。當水平軸力相同時，接頭撓度隨偏心距的增大而增大，其變化速率也增大。當偏心距相同、水平軸力較小時，接頭撓度呈非線性變化，隨著水平軸力增大，接頭撓度呈線性變化。偏心距為0.3m時，接頭撓度最大為26.6mm。偏心距為0.1m時，接頭撓度最大為22.9mm。

圖13 接頭撓度與水平軸力關系曲線

2.2.3接頭接觸面應力

接頭在偏心距為+0.2m時，接頭接觸面應力分布情況如圖14，15所示。可以看出，接頭外側應力最大，內側應力最小。在正偏心距作用下，接頭內側接觸面張開而接頭外側的局部受壓，存在應力集中現象。應力在螺栓孔處有明顯波動，這是由于螺栓孔對接頭受力有影響，但其影響相對較小。螺栓孔處存在應力集中現象，會首先產生破壞。螺栓孔處應選擇高強度材料，增強螺栓孔處的強度，從而提高接頭的抗彎性能。

圖14 偏心距+0.2m作用下接頭接觸面應力

圖15 偏心距+0.2m作用下接頭應力分布關系

2.2.4螺栓應力

圖16為正負偏心距作用下，螺栓拉力隨水平軸力變化曲線，從圖中可以看出，正偏心距作用下，當偏心距相同時，隨著水平軸力的增大，螺栓拉力呈線性增長。當水平軸力相同時，偏心距越大，螺栓拉力就越大，螺栓拉力增長越快。負偏心距作用下，偏心距為-0.1m時螺栓應力變化與正偏心距作用下一致，而偏心距為-0.2m和-0.3m時，螺栓應力幾乎沒變化。接頭模擬過程中，螺栓拉力最大值為266.6kN，未達到螺栓屈服拉力289.5kN，接頭螺栓處于彈性工作狀態(tài)，但是接近屈服。因此，設計中應考慮對接頭螺栓進行優(yōu)化設計。

圖16 螺栓拉力隨水平軸力變化曲線

2.2.5螺栓預緊應力對接頭的影響

在偏心距+0.2m作用下，模擬研究在接頭施加螺栓預緊力20，40kN和60kN情況下，接頭張開量和撓度的變化如圖17，18所示。從圖可知接頭張開量和撓度隨螺栓預緊力的變化規(guī)律。在相同條件下，接頭張開量和撓度隨螺栓預緊力增大而減小，這說明螺栓預緊力對接頭的轉動有一定的影響。

圖18 螺栓預緊力對撓度的影響

3 裝配式套拱接頭模型試驗

3.1 相似理論

3.2 試件設計及加載設備

隧道套拱接頭荷載試驗，管片外弧面半徑為5.55m,內弧面半徑為5.35m，寬度為2m。由于全尺寸試驗規(guī)模過于龐大、費用昂貴，結合實際條件，本試驗構件按照1∶4縮尺制作，通過特制的加載裝置對裝配式套拱接頭施加荷載，受力如圖19所示。試驗加載設備由反力架、2個1 000kN千斤頂、分配梁、支座(試件左端支座為固定鉸支座，試件右端支座為可動鉸支座)等組成。

圖19 接頭受力示意

3.3 試驗加載方案

本試驗采用等偏心距加載方式，偏心距e=M/N,偏心距選取0.1，0.15，0.2m。正式加載前先施加5kN水平荷載使試件與兩端的支座完全接觸，加載等級如表5所示。

表5 接頭試驗套加載等級

3.4 試驗結果分析

按照相似條件，將模型試驗中采集的數據推演出原型的相關物理量，并與模擬結果進行對比，分析在加載過程中，接頭處混凝土表面應變、接縫張開量(角)和接頭撓度的變化情況。

3.4.1接縫張開量(角)變化

接頭張開量與水平軸力的關系曲線如圖20所示，由圖可以看出接頭張開量與水平軸力大致呈線性關系，接頭張開量隨水平軸力的增大而增大。試驗最大張開量為2.7mm，模擬最大張開量為3.2mm，誤差為15.6%。

圖20 接頭張開量與水平軸力的關系曲線

3.4.2接頭撓度

接頭撓度與水平軸力的關系曲線如圖21所示，由圖可以看出接頭撓度與水平軸力大致呈線性關系，接頭張開量隨水平軸力的增加增大。試驗最大撓度為23.4mm，模擬最大撓度為23.5mm，誤差為0.4%，接頭撓度的實驗值與模擬值基本相符。

圖21 接頭撓度與水平軸力的關系曲線

4 結語

1)不同偏心距工況下，當水平軸力相同時，接頭張開量和撓度隨偏心距的增大而增大，其變化速率也增大。當偏心距相同時，水平軸力較小時，接頭張開量和撓度呈非線性變化，隨著水平軸力增大，接頭張開量和撓度呈線性變化。

2)在偏心距+0.2m作用下，接頭處接觸面應力，接頭外側應力最大，內側應力最小。應力在螺栓孔處有明顯波動，存在應力集中現象，容易產生破壞。

3)在偏心距+0.2m作用下，接頭張開量和撓度隨螺栓預緊力增大而減小，預緊力會提高接頭的抗彎性能。

4)對比模擬結果和試驗結果，接頭張開量和撓度與水平軸力變化大致呈線性關系，模擬結果比試驗結果偏大，整體趨勢相符。

5)針對裝配式接頭做了縮尺模型試驗對數值模擬結果驗證。由于試驗本身因試件制作、加載、數據采集和數據處理等原因導致試驗數據存在誤差，再由模型試驗推演到足尺模型，會使試驗結果與實際情況有很大差異，因此還需要做足尺試驗進一步驗證。