拼裝式矩形隧道環向接頭抗彎性能試驗

李兵, 白海文, 黃震*, 李紅洲, 馬少坤

(1.中鐵四院集團南寧勘察設計院有限公司, 南寧 530003; 2.廣西大學土木建筑工程學院, 南寧 530004)

拼裝式矩形隧道作為一種地下空間利用率高和施工效率高的新型結構,在市政工程建設中備受青睞,如拼裝式地鐵車站和拼裝式市政隧道。這類拼裝式隧道結構通過接頭拼裝而成,其結構屬于一個非連續體,使得隧道的受力機理較為復雜。而接頭是拼裝式隧道建設和運營階段最為薄弱的部位,其設計不合理和力學性能不佳均影響整個隧道的結構安全[1-3]。因此,拼裝式隧道接頭的設計和力學性能研究顯然是一項極為必要的工作。

針對隧道接頭力學性能研究工作,眾多學者開展了系列研究,也取得了豐碩的成果。在室內試驗方面,Li等[4]對盾構隧道分段襯砌的縱向接頭進行了抗彎破壞試驗;Liu等[5-6]研究了盾構隧道分段襯砌的縱向節點極限承載力,明確提出了隧道環向接縫的設計需確保結構整體性,探究了接頭的破壞過程;黃大維等[7]通過縮尺試驗總結了盾構隧道管片縱縫接頭的設計方法;Zuo等[8]利用足尺試驗確定了軸力對接頭變形的影響。數值方法在解決隧道結構非線性力學問題上具有很好的優勢,因此也有許多學者采用此方法對隧道接頭力學性能展開研究。例如,Zhang等[9]通過數值分析方法研究了在不同軸力-彎矩組合荷載作用下隧道接頭的力學性能特征;Feng等[10]通過隧道接頭的數值分析,得出了壓彎作用下接頭達到承載能力極限狀態的標志,即接頭壓縮區混凝土被壓碎;Huang等[11]用數值方法研究了三種新型矩形隧道接頭的力學性能和損傷特性;Li等[12]還采用三維有限元法研究了倫敦地下鑄鐵隧道管片的受力特性。但數值模擬受運行機理限制,使得受力狀態理想化,如材料本構模型、邊界條件、接觸關系等比實際情況理想,導致運行結果難以反映真實受力情況。室內試驗方法雖然成本昂貴、周期長,但可以直接和真實地反映隧道接頭力學性能,因此進行了接頭大尺寸模型試驗。

此外,目前關于拼裝式矩形隧道接頭研究還較為缺乏,研究對象主要以盾構隧道的接頭為主[13-14],且所研究的拼裝式矩形隧道接頭結構一般為直縫形式,錯縫接頭較少。基于此,現設計一種拼裝式隧道的新型錯縫榫式接頭,并通過抗彎性能試驗研究接頭在靜壓荷載作用下的構件變形規律和破壞模式。研究結果對拼裝式矩形隧道接頭的設計和應用提供新的思路。

1 拼裝式隧道接頭設計

鑒于現有的接頭形式,結合淺埋拼裝式矩形隧道的施工特性,對一種用于拼裝式矩形隧道的新型卯榫式接頭進行大尺寸實驗,實驗接頭可分為L(左部)和R(右部)兩個構件,呈反對稱形式,單個構件長寬高尺寸為:1 m×1 m×0.4 m。每個構件的下端都有兩個螺桿孔,分別位于構件側邊0.25 m處,具體尺寸如圖1所示。這類接頭構造形式主要針對以明挖法開挖的拼裝式矩形隧道,可憑借起重設備使隧道襯砌在自重作用下實現榫接,利用接觸面的兩道防水縫,滿足隧道的防水需求。從結構形式來看,這種錯縫榫接式接頭能更好地限制結構水平位移,具有一定抗剪切能力,還可提高隧道安裝精度;與現澆接頭和鋼箱接頭相比,該種結構形式現場拼裝更便捷,工作量低,且對周邊環境影響小。

圖1 接頭示意圖Fig.1 Diagram of joint

2 試驗方案

2.1 試件配筋

隧道試件包括螺桿、螺桿孔、螺桿套筒、填縫槽和凹凸面等構造。單個構件的鋼筋量約220 kg/m3,配筋率為1.26%。鋼筋與螺桿詳細尺寸如圖2所示。

圖2 接頭鋼筋與螺桿細部尺寸Fig.2 Detail dimensions of joint reinforcement and screw

2.2 構件制作

為了提高試件制作質量,保證結果準確性,嚴格按照以下步驟制作試件,主要分為模板制作與搭設、鋼筋籠的綁扎、鋼筋應變片布置與粘貼、混凝土澆筑及養護、試件的運輸與拼裝5步,拼裝完后的加載組裝流程如圖3所示。

圖3 試件加載組裝流程圖Fig.3 Flow chart of specimen loading and assembly

2.3 材料力學性能

試件所用鋼筋均采用HRB400熱軋帶肋鋼筋(Ⅲ級鋼),鋼筋密度7 800 kg/m3,直徑分別為14、12、10 mm,泊松比為0.2,彈性模量為2.01×105MPa。將3種規格的鋼筋用萬能試驗機進行鋼筋材料性能試驗,最終測得鋼筋的力學性能如表1所示。

表1 鋼筋力學性能

根據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)[14]中的要求,用試驗同批次的混凝土,制作150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊和150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試塊,然后利用RMT-301巖石與混凝土力學試驗系統進行混凝土抗壓強度試驗,最終取3次試驗的平均值作為混凝土力學性能代表值,如表2所示。

表2 混凝土力學性能

2.4 加載方式與測點布置

本次試驗采用三點加載,構件兩端簡支,一端采用固定鉸支座,一端采用滑動鉸支座。試驗開始時采用控制作用力加載,按10 kN/min的速率加載,每加載5 kN觀察一次是否開裂,如圖4所示。開裂后以20 kN/min的速率加載,每加載10 kN記錄一次裂紋發展情況。為方便觀察破壞階段接頭的破壞模式,試件屈服后改用控制位移加載,速率為1 mm/min,每加載1 mm記錄一次裂紋發展情況。數據采樣頻率為1 Hz。觀察到接頭出現裂紋、剝落等現象時,記錄結構失穩性態。本試驗中試件破壞后停止加載的準則為:混凝土被壓碎或變形過大,施加的荷載迅速降低。

試驗過程中主要監測隧道接頭的承載力、位移、開裂、混凝土和鋼筋應變變化規律。不同于簡支梁,錯縫導致位移變化不連續,所以沿接縫豎向和橫向粘貼應變片和位移計,測量接頭側面變形及接縫處的張開量,每個接頭的表面一共布設36個應變片和11個位移傳感器,如圖5(a)所示,其中1-1-1等為編號,以此來區分和描述不同位置的傳感器。接縫底部安裝了3個位移傳感器,用來測量接頭的豎向撓度,如圖5(b)所示。接頭的另一側面劃分方形網格,以便觀察裂紋擴展過程。為了測量內部應力變化,在接頭處的鋼筋表面布置了大量應變片,如圖5(c)所示。

F為施加的荷載;G為施加自重;H為試件厚度;P=F+G;ω1、ω2、ω3為接頭在試件接縫左、中、右處的撓度圖4 加載方式Fig.4 Loading method

圖5 測點布置Fig.5 Layout of measuring points

接縫旋轉角反映了隧道受荷后的彎曲變形特征,是描述接頭變形的一個重要量化指標。本文研究參考Ding 等[16]的旋轉角計算方程,建立適合本接頭的虛鉸轉角方程,虛鉸O是接縫張開后,接縫延長線的交點(圖6)。為方便計算旋轉角,假設角平分線與接縫張開中心線的連線重合,可建立方程為

(1)

化簡得

(2)

式中:h1為虛鉸到接頭某處的距離;h2為底面到某處的距離;Δ1為接頭某處的張開量;Δ2為底面接縫張開量;θ為接頭的旋轉角度。

l1和l2分別為對應位置處的位移值圖6 接頭轉角Fig.6 Rotation of joint

3 結構變形

3.1 接頭撓度

接頭撓度是反映結構變形程度的一個重要指標,由于本文研究中接頭結構形式的特殊性,因此在接頭底部布置豎向測點1、2、3,分別測量左接縫、中心與右接縫撓度。由圖7可知各點撓度均隨著荷載增大而增大,開始時中心撓度大于左右接縫,說明此時接頭如同簡支梁一樣受力變形。之后左右接縫的撓度逐漸超過中心,說明此時底部接縫已張開,導致接頭變形模式發生改變,使得接縫處的變形過大。

圖7 接頭撓度隨荷載的變化規律Fig.7 Law of joint deflection’s variation with load

圖8 接頭轉角的變化規律Fig.8 Law of joint rotation’s variation

3.2 接頭轉角

襯砌接頭轉角問題是運營階段的關鍵問題之一,直接影響隧道的運營安全。因此,為討論接頭側面的接縫轉角變形規律,繪制了接頭轉角變化圖,如圖8所示。由圖8可知,接頭轉角與荷載呈非線性關系,每增長單位荷載,轉角增速和增長量都隨之增加,轉角在荷載達到峰值前陡增,最終轉角達到1°。從整體上看,接頭旋轉角的變化較穩定,變形小。

3.3 接縫張開量

因為卯榫接頭的連接處為錯縫構造,因此將位移傳感器沿側面豎縫和橫縫布置,通過測量接縫各處的張開量,來研究接頭受荷后的變形規律,并將接縫各處的變化情況如圖9所示。從圖9(a)中可知,接頭呈現出上部受壓(2-8-1、2-7-1),下部受拉的受力狀態。接頭從2-7-1左右往上開始受壓,往下受拉,且張開量隨之增加。從圖9(b)橫縫位移可知,2-4-1位于跨中右側,此處受拉張開,2-5-1位于跨中左側,此處受壓壓縮。從整體上來看,接縫位移在總體上有顯著的規律性,隨時間的變化趨勢一定,可劃分為三個階段。26.26 kN前為階段Ⅰ,張開量增長極小。之后進入階段Ⅱ,張開量呈線性增長。當荷載達到200.25 kN后,進入階段Ⅲ,張開量陡增,最終張開量達到1.84 mm,受拉處張開量是受壓處壓縮量的8倍左右。

圖9 接頭側面混凝土豎縫位移Fig.9 Displacement of vertical concrete seam on the side of joint

4 損傷模式

4.1 混凝土應變

圖10為接頭上表面接縫處混凝土應變-荷載變化曲線。26.26 kN前,圖10(a)和圖10(b)中兩側混凝土應變變化并不明顯。但隨著荷載持續增加,L和R構件應變發展產生差異,L構件混凝土應變增長不明顯,R構件混凝土壓應變隨著荷載增大而增大,1～5處最大混凝土應變達到761.33 με,6～10處最大混凝土應變達到527.28 με。從整體上看,L構件混凝土應變在整體上顯著小于R構件混凝土應變。

圖10 接頭上表面混凝土應變Fig.10 Concrete strain on upper surface of joint

圖11為接頭側面接縫處混凝土應變-荷載變化曲線。從圖11(a)中可知,側面豎向應變中L構件壓應變顯著大于R構件,接縫1-10-1、1-10-2、1-9-1處呈現受壓狀態,而1-9-2、1-8-1、1-8-2處呈現受拉狀態。從圖11(b)中可知,L構件壓應變顯著小于R構件,除5-1受到微小拉應力,其他位置都受到壓應力,且1-6-2處的壓應變最大,接近450 με。綜上可知卯榫接頭的榫頭(如1-10-2)應變小于榫頭抵接位置(如1-10-1),主要原因是榫頭的變形只要在中部(1-6-2)。

圖11 接頭側面混凝土應變Fig.11 Joint side concrete strain

4.2 鋼筋應變

接頭內部受力情況比較難觀測,由于結構主要靠鋼筋承擔荷載,因此接頭內部鋼筋的受力情況是一個重要的研究方向。承受荷載的主要部位是加載區域,因此選取了加載區的鋼筋應變數據為代表,以受拉為正,具體位置如圖12(a)所示。由于液壓作動器持壓不穩、鋼筋綁扎和混凝土振搗等原因,導致各鋼筋應變的變化比較復雜,與低碳鋼的應力-應變曲線存在一定差異,但鋼筋應變在整體上仍呈現一定規律。從圖12(a)可知,直接與荷載接觸的上排上側鋼筋以受壓為主。R構件上排鋼筋產生的應變是L構件的4倍左右,所以R構件上層混凝土易發生受壓破壞。從圖12(b)整體上看,上排下側鋼筋主要受拉,不僅與上側鋼筋受力相反,而且數值大50倍左右,明顯高于上側。L構件的應變僅為R構件的一半左右。此處鋼筋對應位置為混凝土2-6-1與2-7-1位移測點之間(圖10),混凝土側面8-2與9-2應變測點之間(圖11),兩圖顯示接頭在此高度的混凝土受到較大壓力,易引起此處破壞。

圖12 接頭上排鋼筋應變Fig.12 Strain of upper row reinforcement of joint

圖13為接縫下排鋼筋應變-荷載變化規律圖。由圖可知,下排鋼筋因為螺桿存在,使受力情況比較復雜,R構件應變片因為大量損毀,所以不具有代表性。L構件除鋼筋3、5處受壓,其他鋼筋主要受拉。圖13(b)表明鋼筋應變隨荷載增加先受壓后受拉,此處鋼筋對應位置為混凝土2-2-1與2-3-1位移測點之間(圖10),混凝土側面1-2-2和1-3-2應變測點(圖11),此處混凝土在開始時受壓壓縮,后期拉伸,主要原因是3和5處鋼筋中間夾有螺桿,影響其兩側鋼筋受力,螺桿將L和R接頭連接起來,在開始時限制了接頭下側擴張,后期隨承受的荷載不斷增加,漸漸大于螺桿套筒與混凝土的黏結力而產生滑移,使接縫開始張開,混凝土逐漸受拉變形。由圖12和圖13可知,上排鋼筋的最大鋼筋應變是下排鋼筋的數倍,上榫頭接縫處更容易發生破壞。

圖13 接頭下排鋼筋應變Fig.13 Strain of lower row reinforcement of joint

4.3 結構破壞模式

卯榫接頭在不同階段的破壞情況如圖14所示。加載初期,構件跨中撓度與接頭轉角較小,接頭處于閉合階段。此階段持續到26.26 kN,接頭未發生明顯變形,其混凝土與鋼筋應變極小,跨中撓度僅為0.24 mm。

圖14 接頭不同階段破壞圖Fig.14 Failure diagrams of joint at different stage

隨后接頭進入承壓階段,接頭逐漸產生變形,撓度隨荷載增大而增大,接頭的頂部和底部分別開始被壓縮和擴張。在加載過程中,接頭的撓度、轉角和張開量隨荷載呈線性增長,接頭混凝土應變也顯著增加,而鋼筋應變增量較小,混凝土和鋼筋均未達到屈服。

荷載達到200.25 kN時,接頭進入裂隙階段,混凝土側面出現第一條裂紋。隨荷載持續增大,接頭側面裂紋逐漸增多,并在接頭附近形成混凝土受壓區,頂面混凝土被壓碎。當荷載達到393.20 kN時,底面螺桿處混凝土發生較大破壞,試件達到承載力極限,接頭的最大撓度為3.21 mm,最大張開量為1.84 mm。

圖15為接頭在不同位置的破壞情況。從正面破壞情況可知,頂面受壓導致接頭上側形成受壓區,豎縫附近混凝土被破壞,形成兩條較寬的斜裂紋。將接頭正面與頂面結合起來看,卯榫接頭在上榫頭有斜裂紋,主要由豎縫及橫縫夾角處向頂面發展,此外在接頭中間還出現有一條豎向裂紋,由橫縫向頂面發展。接頭在受荷后上部壓縮,下部張開,發生明顯的彎曲破壞。從底面破壞情況可知,螺桿將拉力傳到手孔,引起底面手孔及其橫向接縫混凝土破壞,當螺桿處混凝土破壞時,接頭承載力急劇下降,說明螺桿的存在抑制了接頭彎曲變形,并與接頭一同彎曲。將側面與底面結合起來看,螺桿聯合底面混凝土協同受力,使底面混凝土發生受拉破壞。綜上可知卯榫接頭表現出彎曲破壞模式,其主要特征是前期接縫閉合,螺桿受力拉緊;中期接縫承壓,上側混凝土被壓縮,下側接縫擴張,螺桿將拉力傳遞到混凝土;后期接頭開始產生裂紋,并隨荷載增加而發生極限破壞。

圖15 接頭不同位置破壞圖Fig.15 Failure diagrams of joint at different position

5 結論

介紹了新型拼裝式矩形隧道中卯榫接頭的制作過程,試驗采用垂直作動器進行加載,首先通過接頭撓度、接頭轉角和接縫張開量,分析了接頭的結構變形,然后根據混凝土應變、鋼筋應變和接頭破壞情況,討論了接頭損傷模式,得出如下結論。

(1)螺桿的錨固和止裂機制使接頭的極限撓度、轉角與張開量較小,分別僅有1.84 mm、1.03°和1.85 mm。接頭在正彎矩作用下的力學行為可劃分為三個階段,分別為接縫閉合階段、承壓受力階段和極限破壞階段。

(2)卯榫接頭在極限破壞時的混凝土表面應變和鋼筋應變均低于混凝土的極限壓縮應變、極限拉伸應變和鋼筋屈服應變。R構件上排鋼筋產生的應變是L構件的4倍左右,L構件上排下側鋼筋的應變僅為R構件的0.5倍左右,使R構件上層混凝土和2-6-1與2-7-1、1-8-2與1-9-2測點之間混凝土發生破壞。上排最大鋼筋應變是下排鋼筋的數倍,上榫頭接縫處更容易發生破壞。

(3)螺桿的存在能限制接縫擴張,協同混凝土承受荷載。鋼筋受力情況因螺桿存在而產生復雜變化,L構件除鋼筋3、5處受壓,其他鋼筋主要受拉,此處混凝土在開始時受壓壓縮,后期拉伸。

(4)卯榫接頭表現出彎曲破壞模式,其主要特征是前期接縫閉合,螺桿受力拉緊,中期接縫承壓,上側混凝土被壓縮,下側接縫擴張,螺桿將拉力傳遞到混凝土。后期接頭開始產生裂紋,并隨荷載增加而發生極限破壞。卯榫接頭受力變形穩定、承載能力高、控制裂隙能力強,適合作為拼裝式矩形隧道的接頭方案。

(5)隧道襯砌還受周圍巖土作用,因此接頭應增加軸力來模擬圍巖壓力,研究巖土作用對隧道性能的影響。卯榫接頭的裂隙可以采用添加特種纖維的形式來控制,形成錨桿-纖維-混凝土協同作用模式,進一步提高隧道整體力學性能。