盾構(gòu)法施工隧道加固所用復(fù)合腔體接頭構(gòu)件的抗彎性能試驗(yàn)

殷瑞忠 曹偉飚 柳 獻(xiàn) 喬小雷 沈張勇 張 磊 劉旭陽

(1. 南京地鐵運(yùn)營有限責(zé)任公司， 210008， 南京; 2. 上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院， 200235， 上海;3. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系， 200092， 上海∥第一作者， 高級(jí)工程師)

目前，盾構(gòu)法施工地鐵隧道(以下簡為“盾構(gòu)隧道”)結(jié)構(gòu)常見病害中，管片徑向收斂變形可能會(huì)嚴(yán)重影響地鐵的運(yùn)營安全[1]。對此，目前主要采用鋼板加固方法[2-4]、復(fù)合腔體加固方法[5-6]和鋼板混凝土加固方法[7-8]來提升隧道結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力，減少徑向變形的出現(xiàn)。

復(fù)合腔體構(gòu)件自重較輕，其采用節(jié)段式拼裝的施工方式，不需要機(jī)械臂的輔助，可在搶險(xiǎn)工作中大范圍同時(shí)開展，施工效率較高。在實(shí)際施工中，復(fù)合腔體為分段加固，頂部復(fù)合腔體與腰部復(fù)合腔體在圓心角50°和310°附近位置采用內(nèi)插式接頭進(jìn)行連接。復(fù)合腔體內(nèi)承插接頭見圖1。

圖1 復(fù)合腔體內(nèi)承插接頭Fig.1 FWP joint

已有足尺試驗(yàn)研究[6]發(fā)現(xiàn)，加固盾構(gòu)隧道在加載至極限狀態(tài)時(shí)，作為加固材料的復(fù)合腔體會(huì)發(fā)生接頭突然彈出的破壞現(xiàn)象(見圖2)，入侵結(jié)構(gòu)限界，且其為脆性破壞。此破壞將嚴(yán)重影響地鐵的修復(fù)和運(yùn)行。針對復(fù)合腔體接頭彈出的問題，本文將設(shè)計(jì)新型的復(fù)合腔體接頭并以實(shí)際加固工況為背景，對新型復(fù)合腔體接頭構(gòu)件進(jìn)行抗彎性能試驗(yàn)，并對其破壞模式和抗彎性能進(jìn)行分析。

圖2 復(fù)合腔體接頭處彈出Fig.2 Disengagement of FWP joints

1 試驗(yàn)方案

如圖3所示，新型復(fù)合腔體接頭由接頭連接復(fù)合鋼管和16 mm厚Q345接頭蓋板組成。首先，在左側(cè)復(fù)合腔體一端安裝4根接頭連接鋼管；隨后插入右側(cè)復(fù)合腔體腔內(nèi)頂緊；并將鋼接頭蓋板安裝在2根復(fù)合腔體接頭中央；最后，用φ16 mm高強(qiáng)螺栓旋入預(yù)留的螺栓孔內(nèi)進(jìn)行定位和固定。

圖3 復(fù)合腔體接頭細(xì)部構(gòu)造Fig.3 Structure details of FWP joint

復(fù)合腔體構(gòu)件抗彎性能試驗(yàn)采用千斤頂分配梁系統(tǒng)，以靜力加載對試件進(jìn)行四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)，并采用力傳感器量測千斤頂?shù)募虞d值P。試驗(yàn)使用的簡支梁一端為鉸接支承，另一端為滾動(dòng)支承。試驗(yàn)加載設(shè)置如圖4所示：在正彎矩工況下，接頭蓋板側(cè)受拉；在負(fù)彎矩工況下，復(fù)合腔體拼接處受拉。

試驗(yàn)通過位移計(jì)和應(yīng)變片分別采集試件的位移及應(yīng)變。應(yīng)變片布置于試件上下表面及試件單側(cè)的側(cè)邊(如圖5所示)，位移計(jì)布置于支座兩端以及跨中。

a) 正彎矩工況(接頭蓋板受拉)

b) 負(fù)彎矩工況(接頭蓋板受壓)圖4 靜力加載試驗(yàn)設(shè)置示意圖Fig.4 Diagram of static loading test setting

a) 側(cè)邊

b) 構(gòu)件底部

c) 構(gòu)件頂部圖5 應(yīng)變片和位移計(jì)布置Fig.5 Arrangement of strain gauges and displacement meter

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 正彎矩工況

正彎矩工況彈性階段，接頭蓋板通過連接螺栓與復(fù)合腔體共同承擔(dān)外部荷載；構(gòu)件跨中的撓度隨著荷載的增加而增加；此時(shí)接頭蓋板受拉，復(fù)合腔體接縫受壓。

當(dāng)荷載達(dá)到190 kN左右時(shí)，接頭蓋板與復(fù)合腔體側(cè)邊的膠水失效，構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)。此時(shí)接頭蓋板與復(fù)合腔體共同作用的效果減弱，復(fù)合腔體本體側(cè)邊應(yīng)變發(fā)生突變。典型應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 復(fù)合腔體試件側(cè)邊應(yīng)變Fig.6 Test specimen side strains of FWPs

當(dāng)荷載達(dá)到215.67 kN左右時(shí)，接頭蓋板與復(fù)合腔體側(cè)邊和頂面的膠水失效，構(gòu)件抗彎剛度迅速下降，位移不斷增大，復(fù)合腔體與接頭蓋板通過螺栓的連接保持共同作用。當(dāng)荷載達(dá)到250 kN左右時(shí)，連接螺栓脫開，復(fù)合腔體與接頭蓋板連接失效，接頭構(gòu)造失效。構(gòu)件荷載位移曲線如圖7所示，破壞構(gòu)件如圖8所示。

圖7 正彎矩工況下構(gòu)件的荷載-撓度曲線

圖8 正彎矩工況構(gòu)件最終破壞形態(tài)

2.2 負(fù)彎矩工況

負(fù)彎矩工況彈性階段，接頭蓋板通過連接螺栓和膠水同復(fù)合腔體連接，共同承擔(dān)外部荷載；構(gòu)件跨中撓度隨著荷載的增加而增加，接頭蓋板受壓，復(fù)合腔體接縫處受拉。

當(dāng)荷載達(dá)到50 kN左右時(shí)，復(fù)合腔體接縫受拉導(dǎo)致封縫膠水失效，插入復(fù)合腔體內(nèi)的復(fù)合鋼管脫開，鋼板應(yīng)變發(fā)生波動(dòng)(見圖9)；此后，復(fù)合腔體依靠側(cè)邊和頂部的膠水同接頭蓋板粘結(jié)為整體共同承載，其位移隨著荷載的增大而增加；當(dāng)荷載增至150 kN之后，接頭蓋板與復(fù)合腔體的側(cè)邊膠水逐漸失效，構(gòu)件抗彎剛度下降，復(fù)合腔體與接頭蓋板通過頂部膠水和螺栓連接，共同承擔(dān)外部荷載；當(dāng)荷載達(dá)到200 kN左右時(shí)，接頭蓋板與復(fù)合腔體頂部的膠水失效，接頭蓋板受壓屈服，接頭構(gòu)造失效。負(fù)彎矩工況下試驗(yàn)構(gòu)件的荷載位移曲線如圖10所示。負(fù)彎矩工況下的復(fù)合腔體最終破壞形態(tài)見圖11。

圖9 接頭蓋板應(yīng)變Fig.9 Strains of joint steel plate

圖10 負(fù)彎矩工況下荷載-位移曲線Fig.10 Load-displacement curve under negative bendingmoment working condition

2.3 不同工況的試驗(yàn)結(jié)果對比

2.3.1 接頭破壞形式對比

在正負(fù)彎矩作用下，復(fù)合腔體接頭構(gòu)件的破壞形式不同，對比如表1所示。

由表1可知，在正負(fù)彎矩工況下，復(fù)合腔體接頭構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)的標(biāo)志為復(fù)合腔體與接頭蓋板側(cè)邊膠水失效。

2.3.2 正負(fù)彎矩工況下的構(gòu)件抗彎性能對比

在正彎矩工況下，接頭蓋板與復(fù)合腔體側(cè)邊膠水失效，結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段，此時(shí)荷載為190 kN。

圖11 負(fù)彎矩工況構(gòu)件最終破壞形態(tài)

表1 正負(fù)彎矩工況下的破壞形式對比

當(dāng)構(gòu)件與螺栓脫開時(shí)，構(gòu)件失效，塑性極限荷載為257.67 kN。在負(fù)彎矩工況下，接頭蓋板與復(fù)合腔體側(cè)邊膠水撕裂，結(jié)構(gòu)達(dá)到彈性極限狀態(tài)，進(jìn)入塑性狀態(tài)，此時(shí)荷載為150 kN，彈性極限荷載為正彎矩工況下的79.12%。當(dāng)構(gòu)件與接頭蓋板頂部膠水失效時(shí)，結(jié)構(gòu)達(dá)到塑性極限狀態(tài)，構(gòu)件失效，此時(shí)荷載為194 kN，塑性極限荷載為正彎矩工況下的75.29%。 不同工況下試驗(yàn)構(gòu)件的彈性抗彎剛度見表2。由表2可知，正彎矩作用下構(gòu)件的平均彈性抗彎剛度為23 kN/mm，負(fù)彎矩作用下構(gòu)件的平均彈性抗彎剛度為11.97 kN/mm，正彎矩工況下構(gòu)件彈性抗彎剛度是負(fù)彎矩工況下構(gòu)件的1.97倍。

表2 彈性階段抗彎剛度

根據(jù)接頭構(gòu)造抗彎性能特點(diǎn)，將復(fù)合腔體接頭布置在盾構(gòu)隧道的正彎矩區(qū)更有利于發(fā)揮其抗彎性能。故與復(fù)合腔體本體性能對比中以正彎矩工況為主。

2.4 復(fù)合腔體本體與接頭抗彎性能對比

復(fù)合腔體與接頭抗彎試驗(yàn)荷載位移曲線對比見圖12。由圖12可知，與復(fù)合腔體本體相比，復(fù)合腔體接頭的彈性階段抗彎剛度較低、延性更好，抗彎承載力較低。詳細(xì)性能參數(shù)對比見表3。接頭性能參數(shù)系數(shù)見表4。

由于接頭的極限承載力及剛度均弱于復(fù)合腔體本體，故實(shí)際施工中應(yīng)將接頭布置在隧道結(jié)構(gòu)反彎點(diǎn)處，使其承擔(dān)較小的彎矩。

表3 復(fù)合腔體本體與接頭的性能參數(shù)

表4 復(fù)合腔體接頭性能參數(shù)系數(shù)

圖12 本體與正彎矩接頭荷載位移曲線Fig.12 Load-deflection curve of FWP and joint

3 整環(huán)試驗(yàn)中的接頭構(gòu)件應(yīng)用

在整環(huán)試驗(yàn)中，將新型接頭構(gòu)件布置于整環(huán)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)肩部反彎點(diǎn)區(qū)，如圖13所示。當(dāng)整環(huán)加固結(jié)構(gòu)加載至塑性極限狀態(tài)后，復(fù)合腔體與管片頂部的界面粘結(jié)失效，結(jié)構(gòu)位移不斷增大。此過程中，接頭無彈出破壞，說明優(yōu)化后的復(fù)合腔體接頭構(gòu)件設(shè)計(jì)合理有效。

圖13 整環(huán)試驗(yàn)中復(fù)合腔體接頭布置位置示意

4 結(jié)語

本文對盾構(gòu)隧道加固所用新型復(fù)合腔體接頭進(jìn)行抗彎性能試驗(yàn)，主要得到以下結(jié)論：

1) 在正彎矩工況下，構(gòu)件失效的標(biāo)志為復(fù)合腔體與接頭蓋板間連接螺栓脫開；在負(fù)彎矩工況下，構(gòu)件失效的標(biāo)志是鋼板與復(fù)合腔體頂部的膠水失效。正負(fù)彎矩工況下進(jìn)入塑性階段的關(guān)鍵點(diǎn)為復(fù)合腔體與接頭蓋板側(cè)邊膠水失效。

2) 負(fù)彎矩工況下塑性極限荷載為正彎矩工況下塑性極限荷載的75.29%。正彎矩工況下構(gòu)件彈性抗彎剛度是負(fù)彎矩工況下構(gòu)件彈性抗彎剛度的1.97倍，因此接頭構(gòu)件應(yīng)避免布置于負(fù)彎矩區(qū)。

3) 正彎矩工況下復(fù)合腔體接頭構(gòu)件的抗彎彈性極限荷載為本體抗彎彈性極限荷載的57.66%，塑性極限荷載為本體塑性極限荷載的78%，彈性抗彎剛度為本體彈性抗彎剛度的58.17%；接頭構(gòu)件相對復(fù)合腔體本體抗彎承載力較低，剛度較小。

4) 接頭構(gòu)件的極限承載力和抗彎剛度均弱于復(fù)合腔體本體，建議將接頭構(gòu)件布置在隧道結(jié)構(gòu)反彎點(diǎn)處，使其位于彎矩小、軸力大的截面，由二次加固的復(fù)合腔體與管片共同作用承擔(dān)小彎矩、大軸力的截面內(nèi)力。

采用新型接頭的復(fù)合腔體已成功應(yīng)用于南京地鐵2號(hào)線盾構(gòu)隧道加固試驗(yàn)。在該試驗(yàn)中，加載至塑性極限狀態(tài)后，無接頭處復(fù)合腔體彈出現(xiàn)象發(fā)生。試驗(yàn)證明，新型復(fù)合腔體接頭能有效連接復(fù)合腔體，可保證節(jié)段式拼裝質(zhì)量，且極限狀態(tài)下無接頭彈出破壞。