蔣首超 劉仁勇 柳 獻(xiàn) 孫 巍 官林星

1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院 上海 200092；2. 上海市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200092

1 接頭抗剪試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容

本試驗(yàn)的研究?jī)?nèi)容包括：接縫變形隨剪力的變化規(guī)律；螺栓的受力狀態(tài)；接縫的破壞過(guò)程；接縫的抗剪承載力。

1.2 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)的接頭模型采用3 塊管片組裝而成。接頭采用原尺寸，長(zhǎng)度方向上僅取管片的一段，兩側(cè)試塊長(zhǎng)550 mm，中間塊長(zhǎng)800 mm，環(huán)寬和厚度與管片原尺寸相同，分別為1 000 mm和550 mm。管片間用8 根M39的高強(qiáng)度鋼螺栓連接。試驗(yàn)用管片尺寸如圖1所示。

圖1 試件尺寸

2 加荷設(shè)計(jì)[1]

2.1 接頭荷載

接頭實(shí)際所受內(nèi)力的彎矩設(shè)計(jì)值為92 kN·m，軸力設(shè)計(jì)值為297 kN，剪力設(shè)計(jì)值為624 kN。試驗(yàn)過(guò)程中接頭受到軸力和剪力的共同作用，管片的加載如圖2所示。

圖2 加載示意

2.2 加載設(shè)備與方法

試驗(yàn)架由2 個(gè)自平衡的垂直龍門(mén)架和1 根反力梁組成，加載方法如圖3所示。

圖3 接頭抗剪試驗(yàn)安裝示意

試驗(yàn)時(shí)，將試件支撐在反力架上的鉸支座上。試件兩端連接對(duì)拉梁，水平荷載N采用2 臺(tái)1 000 kN的張拉千斤頂施加到對(duì)拉梁上；豎向荷載P采用2 臺(tái)2 000 kN的油壓千斤頂施加荷載；千斤頂?shù)募虞d值采用力的傳感器量測(cè)。

2.3 荷載工況

本試驗(yàn)共有3 種工況，分別為凹凸榫和螺栓復(fù)合抗剪工況，考慮安裝誤差工況，凹凸榫單獨(dú)抗剪工況。每種工況有2 組試件。具體的試驗(yàn)工況如表1所示。

其中在考慮安裝誤差抗剪工況中，拿掉了2 個(gè)螺栓，同時(shí)使接頭的一側(cè)有1 條初始張縫，來(lái)模擬實(shí)際施工中由于拼裝誤差等原因而可能造成的初始缺陷；在凹凸榫單獨(dú)抗剪工況中，把所有螺栓去掉，僅靠凹凸榫承受剪力。

表1 接頭抗剪試驗(yàn)工況

2.4 測(cè)量?jī)?nèi)容及測(cè)量點(diǎn)布置

試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容包括接頭錯(cuò)動(dòng)測(cè)點(diǎn)8 點(diǎn)、螺栓應(yīng)變16 點(diǎn)。具體的測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 接頭抗剪測(cè)點(diǎn)布置平面示意

螺栓應(yīng)力測(cè)量傳感器擬采用箔式應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)粘貼、密封后用導(dǎo)線(xiàn)在環(huán)向螺栓上銑出的凹槽中引出，并逐一加以編號(hào)。每根螺栓均布置2 個(gè)對(duì)稱(chēng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。螺栓編號(hào)如圖5所示。

圖5 螺栓編號(hào)

接頭錯(cuò)動(dòng)量測(cè)量選用電子位移傳感器。用SW、SE、NW、NE分別代表西南、東南、西北、東北接縫測(cè)點(diǎn)的錯(cuò)動(dòng)量，以中間塊向下為正。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析[2]

3.1 試件錯(cuò)動(dòng)量

3.1.1 復(fù)合抗剪工況

以2 組抗剪接頭NW處接縫為例，繪制錯(cuò)動(dòng)量隨荷載變化的曲線(xiàn)如圖6所示。

隨著荷載的增大，接頭錯(cuò)動(dòng)量呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。從圖中可以看出1-1發(fā)生了2 次滑移，而1-2只發(fā)生了1 次滑移。

圖6 NW處錯(cuò)動(dòng)量變化曲線(xiàn)

對(duì)于試件1-1，在豎向荷載施加到設(shè)計(jì)荷載之前，錯(cuò)動(dòng)量很小，設(shè)計(jì)荷載時(shí)，錯(cuò)動(dòng)量為0.36 mm；繼續(xù)施加豎向荷載，在P=795 kN時(shí)，試件突然滑動(dòng)，滑動(dòng)后接頭錯(cuò)動(dòng)量達(dá)到3.07 mm；之后施加豎向荷載，錯(cuò)動(dòng)量變化不大，到P=1 011 kN時(shí)，接頭再次產(chǎn)生突然的相對(duì)滑移，滑動(dòng)后接頭錯(cuò)動(dòng)量達(dá)到4.05 mm；在P=1 272 kN時(shí)，錯(cuò)動(dòng)量達(dá)到4.26 mm。

對(duì)于試件1-2，錯(cuò)動(dòng)量隨荷載增加不斷增大，設(shè)計(jì)荷載時(shí)，錯(cuò)動(dòng)量為0.58 mm；在P=816 kN時(shí)，試件突然滑動(dòng)，滑動(dòng)后接頭錯(cuò)動(dòng)量達(dá)到1.37 mm；繼續(xù)施加豎向荷載，錯(cuò)動(dòng)量變化不大，到P=1 160 kN時(shí)，錯(cuò)動(dòng)量達(dá)到最大，為1.95 mm。

3.1.2 考慮安裝誤差工況

為制造安裝誤差，2 組試件均拿掉了螺栓L4與L5，同時(shí)試件2-1接頭下側(cè)有6 mm的初始張縫；試件2-2令接頭西側(cè)有6 mm的初始張縫。

以2 組抗剪接頭NW處接縫為例，繪制錯(cuò)動(dòng)量隨荷載變化的曲線(xiàn)如圖7所示。

隨著荷載的增大，接頭錯(cuò)動(dòng)量呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。從圖中可以看出2 組試件均沒(méi)有發(fā)生滑移。

對(duì)于試件2-1，在P=200 kN之前，錯(cuò)動(dòng)量很小，在P=200 kN時(shí)出現(xiàn)一拐點(diǎn)，之后曲線(xiàn)斜率逐漸減小，在P=450 kN時(shí)，又出現(xiàn)一拐點(diǎn)，曲線(xiàn)斜率逐漸增大；在P=658 kN時(shí)，錯(cuò)動(dòng)量達(dá)到最大值，為2.8 mm。

圖7 NW處錯(cuò)動(dòng)量變化曲線(xiàn)

對(duì)于試件2-2，在P=395 kN時(shí)，錯(cuò)動(dòng)量達(dá)到最大值，為1.07 mm。之后錯(cuò)動(dòng)量變化不大，在P=636 kN時(shí)，錯(cuò)動(dòng)量為0.89 mm。表2列出了在設(shè)計(jì)荷載時(shí)，接頭4 個(gè)測(cè)點(diǎn)處的錯(cuò)動(dòng)量大小。

表2 考慮安裝誤差工況接頭錯(cuò)動(dòng)量

從表2可以看出，試件2-1的西側(cè)測(cè)點(diǎn)（SW與NW）錯(cuò)動(dòng)量較大，而試件2-2 的東側(cè)測(cè)點(diǎn)（SE與NE）錯(cuò)動(dòng)量較大。說(shuō)明有安裝誤差存在時(shí)，接頭錯(cuò)動(dòng)時(shí)以轉(zhuǎn)動(dòng)為主。

3.1.3 凹凸榫抗剪工況

本工況中去掉了所有螺栓，僅靠凹凸榫單獨(dú)抗剪。

以2 組抗剪接頭NW處接縫為例，繪制錯(cuò)動(dòng)量隨荷載變化的曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 NW處錯(cuò)動(dòng)量變化曲線(xiàn)

隨著荷載的增大，接頭錯(cuò)動(dòng)量呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。從圖中可以看出2 組試件均沒(méi)有發(fā)生滑移。

對(duì)于試件3-1，接頭在最大承載力1 254 kN時(shí)的錯(cuò)動(dòng)量為4.86 mm，之后承載力降低，但錯(cuò)動(dòng)量繼續(xù)增大，直至接頭破壞。

對(duì)于試件3-2，接頭在最大承載力1 231 kN時(shí)的錯(cuò)動(dòng)量為6.09 mm，之后承載力降低，但錯(cuò)動(dòng)量繼續(xù)增大，直至接頭破壞。

試驗(yàn)表明，試件的破壞是由于加載過(guò)程中產(chǎn)生了附加彎矩，令接頭出現(xiàn)一定張角，導(dǎo)致凹凸榫脫出造成的。且2 組試件破壞荷載相差不大，接近2 倍的設(shè)計(jì)荷載1 250 kN。

3.2 螺栓應(yīng)變分析

以2 組抗剪接頭螺栓L5的應(yīng)變?yōu)槔?，繪制錯(cuò)動(dòng)量隨荷載變化的曲線(xiàn)如圖9所示。

圖9 NW處錯(cuò)動(dòng)量變化曲線(xiàn)

對(duì)于試驗(yàn)1-1，設(shè)計(jì)荷載時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?yōu)?07 μ ε；施加軸力后，應(yīng)變有所減少，達(dá)到295 μ ε；繼續(xù)施加豎向荷載，在P=795 kN時(shí)，試件發(fā)生第一次滑動(dòng)，應(yīng)變突然減小，變?yōu)?09 μ ε；在P=1 011 kN時(shí)，試件發(fā)生第2次滑動(dòng)，應(yīng)變突然增大，變?yōu)?72 μ ε；在P=1 272 kN時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)變達(dá)到最大值，為1 011 μ ε。

對(duì)于試驗(yàn)1-2，設(shè)計(jì)荷載時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?yōu)?36 μ ε；施加軸力后，應(yīng)變有所減少，達(dá)到642 μ ε；繼續(xù)施加豎向荷載，在P=816 kN時(shí)，試件產(chǎn)生滑動(dòng)，應(yīng)變突然增大，變?yōu)?74 μ ε；在P=1 272 kN時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)變達(dá)到最大值，為1 847 μ ε。

試驗(yàn)表明，對(duì)于復(fù)合受剪工況，在設(shè)計(jì)荷載（624 kN）時(shí)，上排螺栓受到壓應(yīng)變，應(yīng)變值較小，下排螺栓受到拉應(yīng)變，且外側(cè)螺栓L5、L8應(yīng)變值較大，內(nèi)側(cè)螺栓L6、L7應(yīng)變值較小；在2 倍設(shè)計(jì)荷載（1 250 kN）時(shí)，上排螺栓也有拉應(yīng)變產(chǎn)生。對(duì)于考慮安裝誤差工況，上排螺栓受到壓應(yīng)變，下排螺栓受到拉應(yīng)變。

4 理論分析[3]

4.1 接觸面摩擦抗剪

管片所受軸向力N=297 kN。

接頭處所有螺栓預(yù)緊力的合力為N'，假定每個(gè)螺栓扭矩相同，均為2 500 N·m，則：

摩擦因數(shù)μ取0.3，則Pu=μ（N+N'）=788 kN，與復(fù)合抗剪工況中，試件發(fā)生滑動(dòng)時(shí)的荷載接近。

4.2 凹凸榫單獨(dú)抗剪

取抗剪試驗(yàn)右接頭如圖10所示。

分析假定：抗剪承載力僅由凹凸榫承擔(dān)，螺栓不分擔(dān)接頭的抗剪承載力。取圖中圓圈部分（即凹凸榫的下部）進(jìn)行分析，將其簡(jiǎn)化成如圖11（a）所示的2 個(gè)滑塊。對(duì)滑塊A進(jìn)行受力分析，其受力示意圖如圖11（b）所示。

圖10 右接頭示意

圖11 凹凸榫簡(jiǎn)化模型

其中P為管片所受的豎向力，f為滑塊B對(duì)滑塊A的摩擦力，F(xiàn)彈為滑塊B對(duì)滑塊A的彈力。

經(jīng)計(jì)算得出：

當(dāng)μ取0.3，θ為18.5°時(shí)，k=-1.33，即試件若保持角度不變，則試塊不會(huì)滑出。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了矩形盾構(gòu)接頭在復(fù)合抗剪、考慮安裝誤差、凹凸榫單獨(dú)抗剪3 種工況下的性能。最后得出了以下結(jié)論：

1）在復(fù)合抗剪工況中，試件的第1次滑移均發(fā)生在800 kN左右時(shí)，與接觸面摩擦抗剪承載力的理論值788 kN相差不大。接頭變形以試件相對(duì)滑動(dòng)為主。

2）考慮安裝誤差工況中，接頭的變形以試件的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)為主。

3）凹凸榫單獨(dú)受剪工況中，接頭的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)量變化曲線(xiàn)均比較平滑，沒(méi)有發(fā)生突然的相對(duì)滑移。試件的破壞是由于加載過(guò)程中產(chǎn)生了附加彎矩，令接頭出現(xiàn)一定張角，導(dǎo)致凹凸榫脫出造成的。其中3-1的抗剪承載力為1 254 kN， 3-2為1 331 kN，接近2 倍的設(shè)計(jì)荷載1 250 kN。說(shuō)明在沒(méi)有螺栓的情況下，接頭在剪力作用下仍舊比較安全。

4）由于附加彎矩的存在，螺栓基本上為上排受壓應(yīng)變，下排受拉應(yīng)變；螺栓受力不均勻，每組試件的8 個(gè)螺栓中有2～3 個(gè)受力較大。