地鐵管片環(huán)向接頭彎曲剛度試驗研究摘 要:對某城市地鐵管片環(huán)向接頭的彎曲變形特性進(jìn)行了試驗研究。加載采用兩套設(shè)備,一套用來施加環(huán)向荷載,另一套用來施加彎矩。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-相對轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線。每條曲線大體上分為兩個部分,分別對應(yīng)于環(huán)向接觸面在張開前的變形過程和張開后的變形過程。 關(guān)鍵詞:管片 環(huán)向接頭 彎曲剛度1試驗?zāi)康呐c工程背景 盾構(gòu)法是國內(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,通常用以管片為構(gòu)件組成的永久結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對開挖隧道的支護(hù)[3,4]。這類隧道在受力計算時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量最為復(fù)雜,目前國內(nèi)外普遍采用偏心加載方法。偏心加載方法的優(yōu)點是使用的設(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程對變形特性的影響。本文的目的是針對某城市地鐵工程的背景,考慮彎矩、壓力組合后荷載變化過程的影響,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也會受彎矩作用。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,當(dāng)管片在隧道中安裝好之后高臺平面是相鄰管片的接觸面。高臺平面的幾何形心基本上與管片整個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,管片中幾乎沒有彎矩產(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)向為法線方向的端面上只有環(huán)向壓力,幾乎沒有彎矩。 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,管片受力還會進(jìn)一步變化,在這個過程中,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試驗方法2.1試件制作 試驗選用的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級鋼筋,后者的這兩類鋼筋均為直徑是18ｍｍ的Ⅱ級鋼筋。由于工程中直接使用的管片不適于用來進(jìn)行接頭彎曲試驗,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牛腿。試驗用的試件由兩個如圖2所示的小試件組裝而成(見圖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)向的長度為短管片的環(huán)向長度減去兩個保護(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應(yīng)部分相同。另外,由于ＤＥ的長度約為1.7倍的ＣＤ的長度,因此,附加牛腿對管片形狀的改變基本上不會影響管片端部接觸面附近的應(yīng)力場。管片混凝土的設(shè)計強(qiáng)度等級為Ｃ50,試驗時齡期為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)變增加、外側(cè)壓應(yīng)變增加的彎矩為正彎矩,反之為負(fù)彎矩。為了在接頭處施加正、負(fù)彎矩,試驗采用了兩種加載方法。施加負(fù)彎矩的方法見圖3ａ、圖3ｂ,豎向荷載作用線ＭＮ處在接觸面幾何形心Ｂ點的外側(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)彎矩的試驗為例說明加載裝置。如圖3ａ,試件下端用兩個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同步油缸分別通過兩個鉸作用到試件上。試件上端左側(cè)面由兩個鉸共同承擔(dān)水平荷載,試件下端左側(cè)面由一個鉸來承擔(dān)水平荷載。試件中部右側(cè)面的兩個水平荷載在作用到試件之前要分別通過兩個鉸,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位移測點布置 豎向相對位移的測點布置見圖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之間測量相對位移。通過測取這些位移可以得到管片接頭處不同位置上的相對轉(zhuǎn)角,見表1。此外,還對附加偏心距進(jìn)行測量。試驗過程如下:1)把安裝有鉸的上下試件組裝在一起,對正后擰緊兩個連接螺栓。2)把組裝好的一套試件(上下兩個小試件)吊裝到加載架下,并與上端的兩個和側(cè)面的兩個加載壓頭對正。3)擰緊連接上下試件的兩個螺栓,使預(yù)緊力達(dá)到72ｋＮ。4)預(yù)壓豎向荷載到80～100ｋＮ,打開加載油缸的回油閥,讓豎向荷載基本回零。5)采集系統(tǒng)初始化。6)開始正式的加載試驗(表2)。加載分為兩步:ａ.用試件上端的兩個同步油缸施加豎向荷載,到兩個油缸的合力達(dá)到750ｋＮ時停止。這一過程中施加水平荷載的兩個油缸也在進(jìn)行調(diào)整,以保證施加豎向荷載的過程中試件在接觸面附近的相對轉(zhuǎn)角不大于0.001ｒａｄ。ｂ.維持豎向荷載不變,施加水平荷載,直到試件的相對轉(zhuǎn)角達(dá)到0.008ｒａｄ。3 管片接頭彎曲變形特性試驗結(jié)果 圖5、圖6分別為正、負(fù)彎矩作用下環(huán)向壓力為750ｋＮ時管片接頭處的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線,它們可直接用來對地鐵工程中的接頭轉(zhuǎn)角進(jìn)行計算。由于環(huán)向鋼筋的面積占管片整個斷面積的比例很小,在混凝土開裂前兩種管片的剛度相差很小,試驗中區(qū)分不出來。所以在研究接頭彎曲剛度時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(正彎矩),曲線近似地分為ＡＢ和ＢＣ兩段。在彎曲過程中當(dāng)兩個管片的接觸面(即高臺平面)的四周任何一邊都沒有張開時,相應(yīng)的過程與ＡＢ段對應(yīng)。當(dāng)接觸面靠管片內(nèi)側(cè)的部分張開后,相應(yīng)的過程與ＢＣ段對應(yīng)。 如圖6,當(dāng)水平推力方向向外時(負(fù)彎矩),曲線特點與水平推力向內(nèi)(正彎矩)時的彎曲過程相似,彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線也分為ＡＢ和ＢＣ兩段。當(dāng)加載過程處在ＡＢ段時兩個管片的高臺表面四周相互接觸,當(dāng)處在ＢＣ段時高臺表面在靠近管片外側(cè)的部分互相分離。4 結(jié) 論 1)無論受到作用的彎矩為正還是為負(fù),管片接頭的變形過程都分為ＡＢ、ＢＣ兩個階段,當(dāng)管片的相對轉(zhuǎn)動沒有使環(huán)向接觸面張開時,變形過程與ＡＢ段對應(yīng),當(dāng)使接觸面張開時變形過程與ＢＣ段對應(yīng)。總體上,正彎矩作用下變形過程的兩個階段的區(qū)分比較明顯,負(fù)彎矩作用下兩個階段的區(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表面的幾何特征有所不同,因此彼此接觸時表現(xiàn)出的力學(xué)特征會有所不同,所以接頭的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線有10%～60%的波動。參考文獻(xiàn)1劉建航,侯學(xué)淵.盾構(gòu)法隧道.北京:中國鐵道出版社,1992上海市建設(shè)委員會科學(xué)技術(shù)委員會.地鐵一號線工程.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 鐘長平.廣州地鐵盾構(gòu)隧道管片開裂原因分析.廣東土木與建筑,2000(4):93～95
2試驗方法2.1試件制作 試驗選用的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級鋼筋,后者的這兩類鋼筋均為直徑是18ｍｍ的Ⅱ級鋼筋。由于工程中直接使用的管片不適于用來進(jìn)行接頭彎曲試驗,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牛腿。試驗用的試件由兩個如圖2所示的小試件組裝而成(見圖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)向的長度為短管片的環(huán)向長度減去兩個保護(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應(yīng)部分相同。另外,由于ＤＥ的長度約為1.7倍的ＣＤ的長度,因此,附加牛腿對管片形狀的改變基本上不會影響管片端部接觸面附近的應(yīng)力場。管片混凝土的設(shè)計強(qiáng)度等級為Ｃ50,試驗時齡期為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)變增加、外側(cè)壓應(yīng)變增加的彎矩為正彎矩,反之為負(fù)彎矩。為了在接頭處施加正、負(fù)彎矩,試驗采用了兩種加載方法。施加負(fù)彎矩的方法見圖3ａ、圖3ｂ,豎向荷載作用線ＭＮ處在接觸面幾何形心Ｂ點的外側(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)彎矩的試驗為例說明加載裝置。如圖3ａ,試件下端用兩個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同步油缸分別通過兩個鉸作用到試件上。試件上端左側(cè)面由兩個鉸共同承擔(dān)水平荷載,試件下端左側(cè)面由一個鉸來承擔(dān)水平荷載。試件中部右側(cè)面的兩個水平荷載在作用到試件之前要分別通過兩個鉸,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位移測點布置 豎向相對位移的測點布置見圖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之間測量相對位移。通過測取這些位移可以得到管片接頭處不同位置上的相對轉(zhuǎn)角,見表1。此外,還對附加偏心距進(jìn)行測量。試驗過程如下:1)把安裝有鉸的上下試件組裝在一起,對正后擰緊兩個連接螺栓。2)把組裝好的一套試件(上下兩個小試件)吊裝到加載架下,并與上端的兩個和側(cè)面的兩個加載壓頭對正。3)擰緊連接上下試件的兩個螺栓,使預(yù)緊力達(dá)到72ｋＮ。4)預(yù)壓豎向荷載到80～100ｋＮ,打開加載油缸的回油閥,讓豎向荷載基本回零。5)采集系統(tǒng)初始化。6)開始正式的加載試驗(表2)。加載分為兩步:ａ.用試件上端的兩個同步油缸施加豎向荷載,到兩個油缸的合力達(dá)到750ｋＮ時停止。這一過程中施加水平荷載的兩個油缸也在進(jìn)行調(diào)整,以保證施加豎向荷載的過程中試件在接觸面附近的相對轉(zhuǎn)角不大于0.001ｒａｄ。ｂ.維持豎向荷載不變,施加水平荷載,直到試件的相對轉(zhuǎn)角達(dá)到0.008ｒａｄ。3 管片接頭彎曲變形特性試驗結(jié)果 圖5、圖6分別為正、負(fù)彎矩作用下環(huán)向壓力為750ｋＮ時管片接頭處的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線,它們可直接用來對地鐵工程中的接頭轉(zhuǎn)角進(jìn)行計算。由于環(huán)向鋼筋的面積占管片整個斷面積的比例很小,在混凝土開裂前兩種管片的剛度相差很小,試驗中區(qū)分不出來。所以在研究接頭彎曲剛度時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(正彎矩),曲線近似地分為ＡＢ和ＢＣ兩段。在彎曲過程中當(dāng)兩個管片的接觸面(即高臺平面)的四周任何一邊都沒有張開時,相應(yīng)的過程與ＡＢ段對應(yīng)。當(dāng)接觸面靠管片內(nèi)側(cè)的部分張開后,相應(yīng)的過程與ＢＣ段對應(yīng)。 如圖6,當(dāng)水平推力方向向外時(負(fù)彎矩),曲線特點與水平推力向內(nèi)(正彎矩)時的彎曲過程相似,彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線也分為ＡＢ和ＢＣ兩段。當(dāng)加載過程處在ＡＢ段時兩個管片的高臺表面四周相互接觸,當(dāng)處在ＢＣ段時高臺表面在靠近管片外側(cè)的部分互相分離。4 結(jié) 論 1)無論受到作用的彎矩為正還是為負(fù),管片接頭的變形過程都分為ＡＢ、ＢＣ兩個階段,當(dāng)管片的相對轉(zhuǎn)動沒有使環(huán)向接觸面張開時,變形過程與ＡＢ段對應(yīng),當(dāng)使接觸面張開時變形過程與ＢＣ段對應(yīng)。總體上,正彎矩作用下變形過程的兩個階段的區(qū)分比較明顯,負(fù)彎矩作用下兩個階段的區(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表面的幾何特征有所不同,因此彼此接觸時表現(xiàn)出的力學(xué)特征會有所不同,所以接頭的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線有10%～60%的波動。參考文獻(xiàn)1劉建航,侯學(xué)淵.盾構(gòu)法隧道.北京:中國鐵道出版社,1992上海市建設(shè)委員會科學(xué)技術(shù)委員會.地鐵一號線工程.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 鐘長平.廣州地鐵盾構(gòu)隧道管片開裂原因分析.廣東土木與建筑,2000(4):93～95
