第卷第年期月结构工程师超大隧道衬砌管片接头力学性能试验研究兰学平’鲁亮刘利惠同济大学结构工程与防灾研究所上海摘要。国内超大隧道衬砌管片试验已进行过整环试验文中介绍的超大隧道衬砌管片接头足尺试验在,国内尚属首次。与以往隧道衬砌管片接头试验不同的是在错缝夹片试验基础上首次增加了环缝接头剪、切试验、文章简要介绍了超大隧道衬砌管片接头力学性能的试验方法包括管片直接头试验和管片错缝、。夹片试验的加载装置测试内容试验工况等、通过试验数据分析得到隧道衬砌纵缝杭弯刚度在不同弯矩轴力组合下的变化规律以及环缝的径向切向剪切性能试验结果可用于指导同类衬砌管片参数设计关键词超大隧道。衬砌管片错缝夹片足尺试验’幻一一,一一,,一’,一’,即,一,,一方法但它所需要的接头刚度等计算参数则主要前言通过接头试验取得验研究、’」。目前对管片接头的研究手段主要包括足尺试盾构法隧道衬砌结构一般是由若干块弧形的管片拼装而成的管片环、模型试验研究,‘〕和有限元分析,一〕。管片与管片之间的接。等。其中足尺试验最能反映接头的真实情况但,头环与环之间的接头通过螺栓或其他方式连接其费用昂贵国内外这方面的试验较少,。相关工程试验及计算结果的对比研究〔口表明接头的连接构造和力学性能强烈影响着衬砌环的内力分布和变形在日本盾构技术发展迅速技术水平处世界前列。东京湾公路横贯东京湾的中部连接了千,,。特别对于错缝拼装的衬砌环尽,,叶县木更津市和神奈川县川崎市全长其中航运繁忙的川崎侧。管修正的惯用法已经考虑了管片接头处剪力的传递但它仍只是一种等效的计算方法梁型「〕一范围内为用盾构。弹簧模法建造的海底隧道是一种更精确的考虑管片接头效应的计算收稿日期联系作者一层为装配式平板型钢筋混凝土管片—日本东京湾公路隧道。外管片外径一试验研究,内径,厚。环宽。隧道结构的试验针对管片承载力、接头变形特征、橡胶止水条的极限承载力以及隧道推进过程中的千斤顶偏心受力等进行了管片接头的局部结构性能试验图二。油压千斤顶一任向加软毅丝里七盯亨毯丽力盒油压千斤顶韭噩参区夔爵几怀飞导灌署环向接头试验纵向接头试验图日本东京湾隧道管片加载试验〔叮“穿黄”隧道是我国南水北调中线穿越黄河的水工隧洞隧道外径。该接头试验采用两块单块扇形夹角为“的足尺预制管片拼装进行加载试验图。、试件翌竺巡、型迹卜卜泛』丝一图“穿黄”隧道衬砌接头试验〔’〕国内超大隧道衬砌管片试验已进行过整环试验「‘。川,超大隧道管片接头试验在国内尚属首次。超大隧道衬砌管片接头试验的目的和内容试验目的本试验所用隧道衬砌管片采用通用楔形衬砌结构错缝拼装,为超大直径隧道。为了更准确掌握超大直径隧道衬砌管片接头的力学性能和计算参数同时对以后的类似工程的计算提供可以应用的参考,有必要进行相应的管片直接头和接头结构工程师第卷第期部位夹片试验。试验目的包括研究纵缝张角随弯矩、轴力的变化规律分析纵缝接头一关系曲线的不同研究环缝径向、切向剪切刚度性能。隧道衬砌管片接头试件超大隧道衬砌管片接头试验包括直接头试验和错缝夹片试验,具体试件数量和尺寸见表和图、图所示。表试件数量试验名称试件外形尺寸数量直接头试验竺里组错缝夹片试验组李巨二习李图直接头试件一脚州之匕一崖七少卢〕旧犯泪啊曰时曰一下弯曲试验径向剪切试验州崖上匕之立一尸〕业氢切向剪切试验图错缝夹片试件罗一试验工况及荷载设计拟以超大隧道圆形衬砌管片为原形按尺寸进行直接头试验和错缝夹片试验,共个工况具体数值见表。表各工况所施加的最大荷载舰一,一,尸矛理〕产备注注每米承受负弯矩每米承受负弯矩每米承受正弯矩每米承受正弯矩控制径向错动量为控制径向错动量为控制切向错动量为控制切向错动量为每米纵缝承受负弯矩每米纵缝承受负弯矩每米纵缝承受负弯矩每米纵缝承受正弯矩每米纵缝承受正弯矩每米纵缝承受正弯矩,。工况工况工况工况工况工况工况工况工况工况工况工况工况工况工况,一施加轴力、至管片横向端头并,,片承受正负弯矩的受力特性即纵缝张角弯矩的,、在以后的加载过程中保持不变逐级增加垂直力测试直接头纵缝承受正负弯矩的受力特性。变化规律转角刚度值及弯矩传递系数面内力来进行控制。、。试验荷载设计以模拟结构实际受荷及关键断试验每级加载的稳压时间为、,即纵缝张角弯矩的变化规律及转角刚度值工况一施加纵向力,至管片纵向端头,数据采集时间为加载后第,第并在以后的加载过程中保持不变逐级增加进行环缝径向剪切刚度试验以径向错动为限值。,每级卸载的稳压时间为为加载后第表所示。。数据采集时间各工况所施加荷载最大值见工况一施加纵向力,至管片纵向端头,并在以后的加载过程中保持不变逐级增加咫进行环缝切向剪切刚度试验以切向错动为限值。,测点布置试验过程中不同工况下所布置的应变片和位移计数量各不相同具体测量物理量和传感器数,,工况施加轴力一施加纵向力,至管片纵向端头量见表。另外在试件内侧绘制矩形网格线用,,至管片横向端头并在以后的加载过测试错缝夹于观察和记录各级荷载下试件表面裂缝的产生和开展情况。程中保持不变逐级增加垂直力表试验所使用传感器数量工况钢筋应变片片工况工况工况工况一一应变片片混凝土应变片片螺栓应变片纵缝张角值值挠度位移计计径向位移切向位移移拟土水压力地层抗力地面超载等荷载在垂直、、,试验加载装置作用在试件的荷载除了模拟土水压力地层,、接头纵缝方向布置若干台千斤顶施加水平荷载以模拟试件轴力在试件纵向方向布置若干预应力拉索提供压力来模拟盾构机的顶推力,。试验荷载抗力地面超载外还要模拟盾构机的顶推力等,、。设计的原则是通过千斤顶施加等效荷载来代替结构所受的实际荷载此时试件中关键部位的内力试验时布置台千斤顶对试件施加垂直荷载以模试验研究与设计荷载作二用下的内力相同。根据上述原则设计,制造了水平向和垂直向的加载装置。水平加载装置依据试验要求水平加载装置分为轴力和纵向力加载装置,使用个千斤顶在试件端头钢板上施加轴向力,加载中心位于接头纵缝接触面中心线上,千斤顶、衬砌管片、水平反力梁、钢拉杆构成自平衡加载系统图。纵向力用预应力拉索来施加在试件中预先留孔见图,共布置孔小、钢绞线,钢绞线预应力值由压力传感器测量图。生圆铰一一‘厉卜之孟二缨竺下丁厂一一绝黔〔卜旱叫卜一—一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一衡一一一一衍图—轴力加载装置示意图图预应力索孔道布置图图预应力拉索张拉图此垂直加载装置垂直加载点共设个距离构件中心线两个千斤顶通过加载分配梁传至试件上形成线荷载用来模拟水土压力、地层抗力、地面超载等荷载反力由龙门架传至地槽提供图。每个垂直荷载分级施加每级为。图中的半圆铰一和半圆铰三的设置使加载过程中的试件可自由转动以保证支座在试验结构工程师第卷第期过程中处于铰接状态。图垂直加载装置图试验结果在试验中,测试了各级荷载下的结构的挠度、管片的钢筋应变和混凝土应变、连接螺栓应变以及接缝处的错动值和张角,并进行了裂缝观测。应变测量采用应变片,位移测量采用位移传感器。在正式试验前对所有加载设备和测量传感器均进行了校验和标定。加载设备的分辨率为误差小于或等于。限于篇幅,此处仅给出管片接头一关系曲线和尸一占关系曲线。管片接头一关系曲线接头转角刚度通过接缝转角与弯矩的关系曲线来确定,接头刚度变化规律可通过接缝转角的变化规律来反映。图所示曲线为管片在不同轴力下的一关系曲线,和均为三组数据的平均值。六托乙又连,｝之艺过｝孚（负弯矩一负弯矩一轴力正一轴力正弯矩轴力弯矩一轴力曰刀刀用图不同轴力下管片接头的一关系曲线夕一脚价由图可以看出,管片接头端面转角随弯矩的增大而增大。曲线上各点的切线斜率即管片接头抗弯刚度。且随的增大而逐渐减小并最终趋于稳定。荷载作用初始阶段管片轴力较大而弯矩相对较小管片接头全端面处于受压状态,张开较为困难,故一关系曲线初始斜率较大。随着弯矩的增加,由弯矩产生的拉应力超过接头端面受拉侧的预压应力,使接头端面受拉侧脱开螺栓开始由受压状态变成受拉状态,管片接头抗弯刚度逐渐变小,最后中性轴不再上移,螺栓受拉,管片接头抗弯刚度趋于稳定。负弯矩作用下,一关系曲线近似为一直线,即接头转角刚度近似为一定值而在正弯矩作用下,一关系曲线为两折线,即接头转角刚度前期较大,后期大幅降低。正弯矩时接头的最大转角约为负弯矩时的倍,表明正弯矩时接头的转动能力大大强于负弯矩。相同作用下轴力越大,管片接头所受压力越大,接头张开越困难接头转角刚度越大。管片接头一各关系曲线环缝端面剪切刚度包括径向剪切刚度和切向剪切刚度尸和各均为三组数据的平均值。从图中可以看出,初始阶段径向剪切刚度和切向剪切刚度均为无穷大,即随着剪切力尸的增加声初始为,当尸继续增加,占开始缓慢增大,这时构件的错动趋势仍然是一小量尸增加到一定值时,管片与管片之间发生相对错动,试件发出“砰砰”声响,构件错动后由于螺栓的抗剪作用,需加更大的力才能使构件再次发生相对错动。预应力为的情况下剪切位移并不是预应力为时的简单线性倍关系。相同至二砌确邵一珊向剪切一纵向力纵向力巡锻向力向力到图剪切刚度尸一占关系曲线一占预应力约束下,径向剪切时发生相对滑动所需尸值更大,原因是径向剪切螺栓的抗剪效应更明显。相对错动发生之后,无论是径向剪切还是切向剪切尸一占曲线基本为直线,即剪切刚度值为常数,且四条曲线的斜率基本相同。参考文献张厚美过迟付德明圆形隧道装配式衬砌接头刚度模型研究〔〕岩土工程学报。一〔」朱合华陶履彬盾构隧道衬砌结构受力分析的梁一弹簧系统模型仁〕岩土力学一厂斗飞」张厚美付德明丹）月、飞过迟盾构隧道管片接头荷载试验研究」现代隧道技术一唐志成何川林刚地铁盾构隧道管片结构力学行为模型试验研究〔岩土工程学报一仁〕钟小春朱伟郭涛等装配式管片接头受力平面有限元分析【现代隧道技术一一厂门匕了飞一黄钟晖盾构法隧道管片衬砌纵缝接头受力模型的研究地下空间乃张厚美张正林王建华盾构隧道装配式管片接头三维有限元分析」上海交通大学学报一‘厂厂『甘八尹旅超朱振宏李玉珍等日本隧道盾构新技术〕武汉华中理工大学出版社张厚美装配整体式双层衬砌接头荷载试验与结构计算理论模型研究〔—南水北调中线穿黄隧洞结构计算〕上海同济大学郭智杰鲁亮刘祖华双圆盾构法隧道衬砌结构试验加载方法研究〕结构工程师一」王彪刘祖华鲁亮上海崇明越江隧道衬砌整环试验加载方法研究」施工技术一
