地鐵管片環(huán)向接頭彎曲剛度試驗(yàn)研究摘 要:對(duì)某城市地鐵管片環(huán)向接頭的彎曲變形特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。加載采用兩套設(shè)備,一套用來(lái)施加環(huán)向荷載,另一套用來(lái)施加彎矩。加載方法是先施加環(huán)向荷載到750ｋＮ,然后維持環(huán)向壓力不變,施加彎矩。分別得到了在正彎矩作用下和負(fù)彎矩作用下管片接頭處的彎矩-相對(duì)轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線。每條曲線大體上分為兩個(gè)部分,分別對(duì)應(yīng)于環(huán)向接觸面在張開(kāi)前的變形過(guò)程和張開(kāi)后的變形過(guò)程。 關(guān)鍵詞:管片 環(huán)向接頭 彎曲剛度1試驗(yàn)?zāi)康呐c工程背景 盾構(gòu)法是國(guó)內(nèi)外較普遍采用的地鐵施工方法[1,2]。采用這種工法施工時(shí),通常用以管片為構(gòu)件組成的永久結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)挖隧道的支護(hù)[3,4]。這類隧道在受力計(jì)算時(shí)需要知道管片的縱向壓縮剛度、環(huán)向壓縮剛度、環(huán)向彎曲剛度和環(huán)向接頭處的彎曲剛度。其中的環(huán)向接頭處的彎曲剛度的測(cè)量最為復(fù)雜,目前國(guó)內(nèi)外普遍采用偏心加載方法。偏心加載方法的優(yōu)點(diǎn)是使用的設(shè)備少,但它忽略了環(huán)向應(yīng)力和彎矩組合在一起的變化過(guò)程對(duì)變形特性的影響。本文的目的是針對(duì)某城市地鐵工程的背景,考慮彎矩、壓力組合后荷載變化過(guò)程的影響,研究工程中使用的管片環(huán)向接頭的變形特性。 該地鐵線路采用盾構(gòu)法施工。隧道的開(kāi)挖斷面是圓形的,其支護(hù)結(jié)構(gòu)的斷面也是圓形的,內(nèi)徑為5400ｍｍ,外徑為6000ｍｍ,由管片組成。直線路段的支護(hù)結(jié)構(gòu)中每環(huán)使用的管片有Ａ型、Ｂ型、Ｃ型三種,下面的研究對(duì)象只限于環(huán)向接觸面與管片子午線平行的Ａ型管片接頭。 管片在環(huán)向接頭處主要受環(huán)向壓力作用,當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的四周土壓力不相等時(shí)也會(huì)受彎矩作用。接頭處的剪力一般很小,可以忽略。 環(huán)向視角看到的管片端部表面上有高臺(tái),當(dāng)管片在隧道中安裝好之后高臺(tái)平面是相鄰管片的接觸面。高臺(tái)平面的幾何形心基本上與管片整個(gè)斷面的幾何形心重合,因此,當(dāng)安裝在隧道中的整環(huán)管片受到均勻的徑向壓力作用時(shí),管片中幾乎沒(méi)有彎矩產(chǎn)生。 管片在隧道內(nèi)安裝完之后首先受到注漿壓力的作用,如果忽略管片的自重,注漿壓力作用下管片以環(huán)向?yàn)榉ň€方向的端面上只有環(huán)向壓力,幾乎沒(méi)有彎矩。 在該地鐵工程中,注漿引起每環(huán)管片的環(huán)向壓力約為900～1080ｋＮ。漿液凝固后,由于周圍土體出現(xiàn)松弛,管片的環(huán)向壓力會(huì)在短期內(nèi)變小。之后,由于豎向土壓力與橫向土壓力通常不等,管片受力還會(huì)進(jìn)一步變化,在這個(gè)過(guò)程中,管片上可能出現(xiàn)彎矩。當(dāng)變形和受力趨于穩(wěn)定后,管片的環(huán)向壓力約在700～800ｋＮ。我們近似地認(rèn)為,管片的受力沿著圖1中的曲線ＯＡ-ＡＢ變化。
2試驗(yàn)方法2.1試件制作 試驗(yàn)選用的Ａ型管分為粗筋和細(xì)筋的兩種,前者的環(huán)向受力鋼筋和子午線方向的主要受力鋼筋均為直徑是20ｍｍ的Ⅱ級(jí)鋼筋,后者的這兩類鋼筋均為直徑是18ｍｍ的Ⅱ級(jí)鋼筋。由于工程中直接使用的管片不適于用來(lái)進(jìn)行接頭彎曲試驗(yàn),需要特殊制作試件。試件的外形尺寸如圖2。它相當(dāng)于把原管片縮短后又附加上了一個(gè)牛腿。試驗(yàn)用的試件由兩個(gè)如圖2所示的小試件組裝而成(見(jiàn)圖3ａ),小試件之間直接采用工程中使用的方法進(jìn)行連接,即在接頭處用兩個(gè)圓弧形螺栓連接。 短管片的配筋與工程中使用的Ａ型管片完全相同,只是沿環(huán)向的長(zhǎng)度為短管片的環(huán)向長(zhǎng)度減去兩個(gè)保護(hù)層厚度。牛腿上也有配筋,并與短管片的配筋連接在一起。牛腿與短管片一次澆筑而成,使用的模具就是五號(hào)線工程中制作管片使用的模具,只是在上面添加了附加模板。澆筑過(guò)程中,圖2中ＢＣ、ＣＤ和ＤＥ表面與原模具接觸,ＥＦ、ＦＧ、ＧＨ、ＨＡ和ＡＢ表面與附加模板接觸。顯然,ＢＣＤＥ部分與工程中用的管片對(duì)應(yīng)部分相同。另外,由于ＤＥ的長(zhǎng)度約為1.7倍的ＣＤ的長(zhǎng)度,因此,附加牛腿對(duì)管片形狀的改變基本上不會(huì)影響管片端部接觸面附近的應(yīng)力場(chǎng)。管片混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為Ｃ50,試驗(yàn)時(shí)齡期為40～70ｄ。2.2加載裝置和受力圖 人們習(xí)慣上約定,引起管片內(nèi)側(cè)拉應(yīng)變?cè)黾印⑼鈧?cè)壓應(yīng)變?cè)黾拥膹澗貫檎龔澗?反之為負(fù)彎矩。為了在接頭處施加正、負(fù)彎矩,試驗(yàn)采用了兩種加載方法。施加負(fù)彎矩的方法見(jiàn)圖3ａ、圖3ｂ,豎向荷載作用線ＭＮ處在接觸面幾何形心Ｂ點(diǎn)的外側(cè),偏心距為ｅ。豎向荷載在接頭處產(chǎn)生的彎矩與水平荷載產(chǎn)生的彎矩方向相反。施加正彎矩的方法見(jiàn)圖3ｃ,豎向荷載作用線處在接觸面幾何形心的內(nèi)側(cè)。同樣,豎向荷載和水平荷載產(chǎn)生的彎矩方向也是相反的。 以施加負(fù)彎矩的試驗(yàn)為例說(shuō)明加載裝置。如圖3ａ,試件下端用兩個(gè)固定在試件上的鉸承擔(dān)豎向荷載,試件上端的荷載是兩個(gè)同步油缸分別通過(guò)兩個(gè)鉸作用到試件上。試件上端左側(cè)面由兩個(gè)鉸共同承擔(dān)水平荷載,試件下端左側(cè)面由一個(gè)鉸來(lái)承擔(dān)水平荷載。試件中部右側(cè)面的兩個(gè)水平荷載在作用到試件之前要分別通過(guò)兩個(gè)鉸,在作用到試件上之后變成分布荷載,水平分部寬度約為75ｃｍ,豎向分部寬度為10ｃｍ。2.3位移測(cè)點(diǎn)布置 豎向相對(duì)位移的測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4,在Ａ1與Ａ2、Ｂ1與Ｂ2、Ｃ1與Ｃ2、Ｄ1與Ｄ2、Ｅ1與Ｅ2、Ｆ1與Ｆ2、Ｇ1與Ｇ2和Ｈ1與Ｈ2之間測(cè)量相對(duì)位移。通過(guò)測(cè)取這些位移可以得到管片接頭處不同位置上的相對(duì)轉(zhuǎn)角,見(jiàn)表1。此外,還對(duì)附加偏心距進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)過(guò)程如下:1)把安裝有鉸的上下試件組裝在一起,對(duì)正后擰緊兩個(gè)連接螺栓。2)把組裝好的一套試件(上下兩個(gè)小試件)吊裝到加載架下,并與上端的兩個(gè)和側(cè)面的兩個(gè)加載壓頭對(duì)正。3)擰緊連接上下試件的兩個(gè)螺栓,使預(yù)緊力達(dá)到72ｋＮ。4)預(yù)壓豎向荷載到80～100ｋＮ,打開(kāi)加載油缸的回油閥,讓豎向荷載基本回零。5)采集系統(tǒng)初始化。6)開(kāi)始正式的加載試驗(yàn)(表2)。加載分為兩步:ａ.用試件上端的兩個(gè)同步油缸施加豎向荷載,到兩個(gè)油缸的合力達(dá)到750ｋＮ時(shí)停止。這一過(guò)程中施加水平荷載的兩個(gè)油缸也在進(jìn)行調(diào)整,以保證施加豎向荷載的過(guò)程中試件在接觸面附近的相對(duì)轉(zhuǎn)角不大于0.001ｒａｄ。ｂ.維持豎向荷載不變,施加水平荷載,直到試件的相對(duì)轉(zhuǎn)角達(dá)到0.008ｒａｄ。3 管片接頭彎曲變形特性試驗(yàn)結(jié)果 圖5、圖6分別為正、負(fù)彎矩作用下環(huán)向壓力為750ｋＮ時(shí)管片接頭處的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線,它們可直接用來(lái)對(duì)地鐵工程中的接頭轉(zhuǎn)角進(jìn)行計(jì)算。由于環(huán)向鋼筋的面積占管片整個(gè)斷面積的比例很小,在混凝土開(kāi)裂前兩種管片的剛度相差很小,試驗(yàn)中區(qū)分不出來(lái)。所以在研究接頭彎曲剛度時(shí)把它們視為同樣的管片。如圖5,當(dāng)水平推力方向向內(nèi)時(shí)(正彎矩),曲線近似地分為ＡＢ和ＢＣ兩段。在彎曲過(guò)程中當(dāng)兩個(gè)管片的接觸面(即高臺(tái)平面)的四周任何一邊都沒(méi)有張開(kāi)時(shí),相應(yīng)的過(guò)程與ＡＢ段對(duì)應(yīng)。當(dāng)接觸面靠管片內(nèi)側(cè)的部分張開(kāi)后,相應(yīng)的過(guò)程與ＢＣ段對(duì)應(yīng)。 如圖6,當(dāng)水平推力方向向外時(shí)(負(fù)彎矩),曲線特點(diǎn)與水平推力向內(nèi)(正彎矩)時(shí)的彎曲過(guò)程相似,彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線也分為ＡＢ和ＢＣ兩段。當(dāng)加載過(guò)程處在ＡＢ段時(shí)兩個(gè)管片的高臺(tái)表面四周相互接觸,當(dāng)處在ＢＣ段時(shí)高臺(tái)表面在靠近管片外側(cè)的部分互相分離。4 結(jié) 論 1)無(wú)論受到作用的彎矩為正還是為負(fù),管片接頭的變形過(guò)程都分為ＡＢ、ＢＣ兩個(gè)階段,當(dāng)管片的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)沒(méi)有使環(huán)向接觸面張開(kāi)時(shí),變形過(guò)程與ＡＢ段對(duì)應(yīng),當(dāng)使接觸面張開(kāi)時(shí)變形過(guò)程與ＢＣ段對(duì)應(yīng)。總體上,正彎矩作用下變形過(guò)程的兩個(gè)階段的區(qū)分比較明顯,負(fù)彎矩作用下兩個(gè)階段的區(qū)分模糊一些。 2)由于模具誤差的影響,不同管片端部的高臺(tái)表面的幾何特征有所不同,因此彼此接觸時(shí)表現(xiàn)出的力學(xué)特征會(huì)有所不同,所以接頭的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線有10%～60%的波動(dòng)。參考文獻(xiàn)1劉建航,侯學(xué)淵.盾構(gòu)法隧道.北京:中國(guó)鐵道出版社,1992上海市建設(shè)委員會(huì)科學(xué)技術(shù)委員會(huì).地鐵一號(hào)線工程.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1999.132～1393黃鐘暉,廖少明,劉國(guó)彬,等.軟土盾構(gòu)法隧道管片接頭位置的優(yōu)化研究.地下空間,2000,20(4):268～2754 鐘長(zhǎng)平.廣州地鐵盾構(gòu)隧道管片開(kāi)裂原因分析.廣東土木與建筑,2000(4):93～95
2試驗(yàn)方法2.1試件制作 試驗(yàn)選用的Ａ型管分為粗筋和細(xì)筋的兩種,前者的環(huán)向受力鋼筋和子午線方向的主要受力鋼筋均為直徑是20ｍｍ的Ⅱ級(jí)鋼筋,后者的這兩類鋼筋均為直徑是18ｍｍ的Ⅱ級(jí)鋼筋。由于工程中直接使用的管片不適于用來(lái)進(jìn)行接頭彎曲試驗(yàn),需要特殊制作試件。試件的外形尺寸如圖2。它相當(dāng)于把原管片縮短后又附加上了一個(gè)牛腿。試驗(yàn)用的試件由兩個(gè)如圖2所示的小試件組裝而成(見(jiàn)圖3ａ),小試件之間直接采用工程中使用的方法進(jìn)行連接,即在接頭處用兩個(gè)圓弧形螺栓連接。 短管片的配筋與工程中使用的Ａ型管片完全相同,只是沿環(huán)向的長(zhǎng)度為短管片的環(huán)向長(zhǎng)度減去兩個(gè)保護(hù)層厚度。牛腿上也有配筋,并與短管片的配筋連接在一起。牛腿與短管片一次澆筑而成,使用的模具就是五號(hào)線工程中制作管片使用的模具,只是在上面添加了附加模板。澆筑過(guò)程中,圖2中ＢＣ、ＣＤ和ＤＥ表面與原模具接觸,ＥＦ、ＦＧ、ＧＨ、ＨＡ和ＡＢ表面與附加模板接觸。顯然,ＢＣＤＥ部分與工程中用的管片對(duì)應(yīng)部分相同。另外,由于ＤＥ的長(zhǎng)度約為1.7倍的ＣＤ的長(zhǎng)度,因此,附加牛腿對(duì)管片形狀的改變基本上不會(huì)影響管片端部接觸面附近的應(yīng)力場(chǎng)。管片混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為Ｃ50,試驗(yàn)時(shí)齡期為40～70ｄ。2.2加載裝置和受力圖 人們習(xí)慣上約定,引起管片內(nèi)側(cè)拉應(yīng)變?cè)黾印⑼鈧?cè)壓應(yīng)變?cè)黾拥膹澗貫檎龔澗?反之為負(fù)彎矩。為了在接頭處施加正、負(fù)彎矩,試驗(yàn)采用了兩種加載方法。施加負(fù)彎矩的方法見(jiàn)圖3ａ、圖3ｂ,豎向荷載作用線ＭＮ處在接觸面幾何形心Ｂ點(diǎn)的外側(cè),偏心距為ｅ。豎向荷載在接頭處產(chǎn)生的彎矩與水平荷載產(chǎn)生的彎矩方向相反。施加正彎矩的方法見(jiàn)圖3ｃ,豎向荷載作用線處在接觸面幾何形心的內(nèi)側(cè)。同樣,豎向荷載和水平荷載產(chǎn)生的彎矩方向也是相反的。 以施加負(fù)彎矩的試驗(yàn)為例說(shuō)明加載裝置。如圖3ａ,試件下端用兩個(gè)固定在試件上的鉸承擔(dān)豎向荷載,試件上端的荷載是兩個(gè)同步油缸分別通過(guò)兩個(gè)鉸作用到試件上。試件上端左側(cè)面由兩個(gè)鉸共同承擔(dān)水平荷載,試件下端左側(cè)面由一個(gè)鉸來(lái)承擔(dān)水平荷載。試件中部右側(cè)面的兩個(gè)水平荷載在作用到試件之前要分別通過(guò)兩個(gè)鉸,在作用到試件上之后變成分布荷載,水平分部寬度約為75ｃｍ,豎向分部寬度為10ｃｍ。2.3位移測(cè)點(diǎn)布置 豎向相對(duì)位移的測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4,在Ａ1與Ａ2、Ｂ1與Ｂ2、Ｃ1與Ｃ2、Ｄ1與Ｄ2、Ｅ1與Ｅ2、Ｆ1與Ｆ2、Ｇ1與Ｇ2和Ｈ1與Ｈ2之間測(cè)量相對(duì)位移。通過(guò)測(cè)取這些位移可以得到管片接頭處不同位置上的相對(duì)轉(zhuǎn)角,見(jiàn)表1。此外,還對(duì)附加偏心距進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)過(guò)程如下:1)把安裝有鉸的上下試件組裝在一起,對(duì)正后擰緊兩個(gè)連接螺栓。2)把組裝好的一套試件(上下兩個(gè)小試件)吊裝到加載架下,并與上端的兩個(gè)和側(cè)面的兩個(gè)加載壓頭對(duì)正。3)擰緊連接上下試件的兩個(gè)螺栓,使預(yù)緊力達(dá)到72ｋＮ。4)預(yù)壓豎向荷載到80～100ｋＮ,打開(kāi)加載油缸的回油閥,讓豎向荷載基本回零。5)采集系統(tǒng)初始化。6)開(kāi)始正式的加載試驗(yàn)(表2)。加載分為兩步:ａ.用試件上端的兩個(gè)同步油缸施加豎向荷載,到兩個(gè)油缸的合力達(dá)到750ｋＮ時(shí)停止。這一過(guò)程中施加水平荷載的兩個(gè)油缸也在進(jìn)行調(diào)整,以保證施加豎向荷載的過(guò)程中試件在接觸面附近的相對(duì)轉(zhuǎn)角不大于0.001ｒａｄ。ｂ.維持豎向荷載不變,施加水平荷載,直到試件的相對(duì)轉(zhuǎn)角達(dá)到0.008ｒａｄ。3 管片接頭彎曲變形特性試驗(yàn)結(jié)果 圖5、圖6分別為正、負(fù)彎矩作用下環(huán)向壓力為750ｋＮ時(shí)管片接頭處的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線,它們可直接用來(lái)對(duì)地鐵工程中的接頭轉(zhuǎn)角進(jìn)行計(jì)算。由于環(huán)向鋼筋的面積占管片整個(gè)斷面積的比例很小,在混凝土開(kāi)裂前兩種管片的剛度相差很小,試驗(yàn)中區(qū)分不出來(lái)。所以在研究接頭彎曲剛度時(shí)把它們視為同樣的管片。如圖5,當(dāng)水平推力方向向內(nèi)時(shí)(正彎矩),曲線近似地分為ＡＢ和ＢＣ兩段。在彎曲過(guò)程中當(dāng)兩個(gè)管片的接觸面(即高臺(tái)平面)的四周任何一邊都沒(méi)有張開(kāi)時(shí),相應(yīng)的過(guò)程與ＡＢ段對(duì)應(yīng)。當(dāng)接觸面靠管片內(nèi)側(cè)的部分張開(kāi)后,相應(yīng)的過(guò)程與ＢＣ段對(duì)應(yīng)。 如圖6,當(dāng)水平推力方向向外時(shí)(負(fù)彎矩),曲線特點(diǎn)與水平推力向內(nèi)(正彎矩)時(shí)的彎曲過(guò)程相似,彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線也分為ＡＢ和ＢＣ兩段。當(dāng)加載過(guò)程處在ＡＢ段時(shí)兩個(gè)管片的高臺(tái)表面四周相互接觸,當(dāng)處在ＢＣ段時(shí)高臺(tái)表面在靠近管片外側(cè)的部分互相分離。4 結(jié) 論 1)無(wú)論受到作用的彎矩為正還是為負(fù),管片接頭的變形過(guò)程都分為ＡＢ、ＢＣ兩個(gè)階段,當(dāng)管片的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)沒(méi)有使環(huán)向接觸面張開(kāi)時(shí),變形過(guò)程與ＡＢ段對(duì)應(yīng),當(dāng)使接觸面張開(kāi)時(shí)變形過(guò)程與ＢＣ段對(duì)應(yīng)。總體上,正彎矩作用下變形過(guò)程的兩個(gè)階段的區(qū)分比較明顯,負(fù)彎矩作用下兩個(gè)階段的區(qū)分模糊一些。 2)由于模具誤差的影響,不同管片端部的高臺(tái)表面的幾何特征有所不同,因此彼此接觸時(shí)表現(xiàn)出的力學(xué)特征會(huì)有所不同,所以接頭的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線有10%～60%的波動(dòng)。參考文獻(xiàn)1劉建航,侯學(xué)淵.盾構(gòu)法隧道.北京:中國(guó)鐵道出版社,1992上海市建設(shè)委員會(huì)科學(xué)技術(shù)委員會(huì).地鐵一號(hào)線工程.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1999.132～1393黃鐘暉,廖少明,劉國(guó)彬,等.軟土盾構(gòu)法隧道管片接頭位置的優(yōu)化研究.地下空間,2000,20(4):268～2754 鐘長(zhǎng)平.廣州地鐵盾構(gòu)隧道管片開(kāi)裂原因分析.廣東土木與建筑,2000(4):93～95
