林鳴，劉曉東，林巍

（1.中國交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100088；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088）

鋼混三明治沉管結(jié)構(gòu)發(fā)展歷史及設(shè)計方法適用邊際研究

林鳴1，劉曉東2，林巍2

（1.中國交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100088；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088）

文中論述了鋼混三明治結(jié)構(gòu)沉管隧道的設(shè)計適用邊際。結(jié)合歷史及文獻(xiàn)，從科學(xué)認(rèn)知、設(shè)計目標(biāo)及工程應(yīng)用三方面證明了尺寸效應(yīng)對結(jié)構(gòu)安全的直接影響，以及對超出實踐范圍尺度的結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行實驗驗證的必要性，歸納總結(jié)了已有實驗報告鋼混三明治梁、板的尺寸，以及已有典型工程尺寸。討論了該類型結(jié)構(gòu)應(yīng)用于沉管隧道時的抗疲勞與抗沖擊的設(shè)計驗證問題。

沉管隧道；鋼混三明治結(jié)構(gòu)；尺寸效應(yīng)；抗剪連接件；疲勞失效；沖擊效應(yīng)

1 歷史發(fā)展

鋼混三明治沉管工程概念的首次提出是為建設(shè)威爾士Conwy河通道[1-2]，如圖1。其出發(fā)點(diǎn)是[2]：

1）模板作為永久結(jié)構(gòu)，取消脫模工作。

2）鋼板和剪切連接件較容易現(xiàn)場制造，避免了昂貴的鋼筋細(xì)節(jié)處理、加工與安裝。

3）模板作為防水層，并且對外荷載有雙向作用。

為此需要發(fā)展鋼混三明治結(jié)構(gòu)的梁及柱的設(shè)計方法，英國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會及一些研究者對此進(jìn)行了大量的1∶1梁、柱實驗來觀察結(jié)構(gòu)失效行為，以及3個階段的設(shè)計驗證[2-3]（圖2），并編制了施工及設(shè)計指南[4]。

盡管如此，承包人考慮到無先例及施工困難，在最后一刻放棄了該方案[5]。而此后仍可以見到一些對三明治結(jié)構(gòu)機(jī)理的研究（表1）。

圖1 首個鋼混三明治沉管概念設(shè)計方案Fig.1 The earliest concept of SCS composite sandwich tunnel

圖2 Conwy沉管隧道第3階段整體試驗Fig.2 The integral test on the stage 3 for Conwy Tunnel

表1 鋼混三明治結(jié)構(gòu)整體靜力實驗及試件尺寸Table 1 Static test of SCS composite sandwich structure and the specimen size

日本1990年以后建設(shè)了4座局部三明治結(jié)構(gòu)的沉管隧道，以及2座全三明治結(jié)構(gòu)沉管隧道[6]，參考表2及圖3。

表2 鋼混三明治沉管隧道案例[5]Table 2 Case study of SCS composite sandwich immersed tunnel

日本以外的地區(qū)尚未發(fā)現(xiàn)工程案例。

圖4是世界上不同類型的沉管隧道建設(shè)數(shù)量累積曲線[5]。

當(dāng)今沉管隧道結(jié)構(gòu)尺度呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢[5]，對于未經(jīng)實驗證明的鋼混三明治結(jié)構(gòu)尺度或形式，設(shè)計時不應(yīng)忽視結(jié)構(gòu)理論的尺度局限性，例如彈性理論有效性[7]，以及局部剪切連接失效引起的整體結(jié)構(gòu)失效等問題。因此，有必要討論鋼混三明治沉管結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的適用邊際問題。

本文第2節(jié)論述鋼混三明治結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論與尺寸效應(yīng)直接相關(guān)，超出已有尺寸的結(jié)構(gòu)方案必須通過實驗驗證。第3節(jié)歸納總結(jié)了國內(nèi)外三明治結(jié)構(gòu)已有試驗和工程。第4節(jié)提出鋼混三明治沉管特有的設(shè)計問題。

對鋼混三明治沉管工法的總體論述可參考作者已發(fā)表的另一篇文章[8]。

圖3 那霸隧道典型管節(jié)橫截面圖Fig.3 Typical cross-section of Naha Tunnel

圖4 不同類型沉管隧道數(shù)量累積曲線Fig.4 Accumulation numbers of different types of immersed tube tunnels

2 尺寸效應(yīng)

忽視結(jié)構(gòu)的尺寸會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，而工程師們常常忽視該效應(yīng)[18-19]。甚至，被稱為現(xiàn)代工程力學(xué)之父的鐵摩辛柯（Timoshenko）[20]在其1953年的里程碑著作《材料強(qiáng)度史》中對尺寸效應(yīng)都只字未提[9-10]。

2.1 歷史

15世紀(jì)達(dá)芬奇宣稱粗細(xì)相同的繩索中，越長的越不結(jié)實，并做出了“繩索越短，就越結(jié)實”的結(jié)論。

伽利略在1638年否定了這個結(jié)論，他認(rèn)為剪短繩索并不會使余下的部分變結(jié)實，只有不同大小動物的骨頭才會顯示尺寸效應(yīng)。

半個世紀(jì)以后，Marriotte基于“物質(zhì)的非均勻性”創(chuàng)建了尺寸效應(yīng)的統(tǒng)計理論，當(dāng)時概率論剛剛誕生。之后在1807年Thomas Young（彈性模量以他命名）否定了該理論，認(rèn)為強(qiáng)度和尺寸無關(guān)，“這是科學(xué)的倒退”[18]。因為Thomas Young沒有考慮材料強(qiáng)度的隨機(jī)性。

之后，1921年Griffith的論文不但創(chuàng)建了斷裂力學(xué)，而且將斷裂力學(xué)引入到尺寸效應(yīng)的研究中，在試驗中他發(fā)現(xiàn)了通過改變玻璃纖維的直徑，其強(qiáng)度能夠從291 MPa變化到3 383 MPa，就此得出了“固體材料的薄弱性，是由于自身的不連續(xù)或瑕疵引起的” 結(jié)論?？上У氖?，除了Griffith，其他的材料力學(xué)理論學(xué)者很少考慮尺寸效應(yīng)問題，并還普遍認(rèn)為該問題如果存在，一定具有統(tǒng)計性，是屬于統(tǒng)計學(xué)家或?qū)嶒灩ぷ髡叩墓ぷ?，該偏見直到大約1980年才得以糾正。

與此同時在概率分析及實驗研究方面，Von Mises等學(xué)者取得了一定進(jìn)展。最終，Weibull于1939年在瑞典提出用冪函數(shù)來描述材料強(qiáng)度的極值分布的理論。后續(xù)1974—1990年的諸多科學(xué)研究主要是證實、應(yīng)用和完善Weibull的理論。由于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力隨其尺寸變化不便于工程分析，Weibull理論之后就有學(xué)者倡導(dǎo)通過使用Weibull理論將應(yīng)力與結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)聯(lián)性解除[18]。于是似乎可以認(rèn)為，只要能觀察到的尺寸效應(yīng)，就一定能夠歸入Weibull理論范疇，而現(xiàn)在已知該觀點(diǎn)與實際不相符[18-19]。

由歷史可見，在固體力學(xué)及材料科學(xué)領(lǐng)域，尺寸效應(yīng)僅在早期以及現(xiàn)代才得到重視[18]。而當(dāng)前結(jié)構(gòu)工程師所熟悉的理論，其創(chuàng)始人大多來自忽略尺寸效應(yīng)的那個年代，比如15世紀(jì)的牛頓、Robert Hooke（虎克定律以他命名）、17世紀(jì)的Thomas Young（楊氏模量以他命名）、20世紀(jì)的Timoshenko（發(fā)表彈性力學(xué)等多本著作）、Von Mises（提出可用于鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力屈服準(zhǔn)則）以及Weibull。也許可以說，Weibull的理論簡化了工程師的工作，但掩蓋了材料強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)尺寸的相關(guān)性。上述原因?qū)е挛覀內(nèi)菀缀鲆暢叽缧?yīng)，參考圖5[21]。

圖5 尺寸效應(yīng)示意圖Fig.5 Illustrative sketch of size effect

2.2 影響

下面論述尺寸效應(yīng)對結(jié)構(gòu)安全的直接影響。

尺寸效應(yīng)，是其它條件均不變，空間尺度縮小或放大后，反應(yīng)（response）的改變[18]。“如果尺寸效應(yīng)不被理解，就不存在任何有效的理論”[18]。因此，對于超出認(rèn)知范圍的尺寸（及形狀特征）的結(jié)構(gòu)應(yīng)首先用實驗來確認(rèn)設(shè)計方法的有效性。下文具體從科學(xué)、設(shè)計、應(yīng)用三方面來論述該觀點(diǎn)。

2.2.1 科學(xué)方面

鋼混三明治沉管中的混凝土是承力結(jié)構(gòu)，而混凝土是準(zhǔn)脆性材料，已經(jīng)證實Weibull理論并不適用于準(zhǔn)脆性材料。Weibull理論已受到多方面的質(zhì)疑[18-19]。

對材料破壞機(jī)理的理解仍處于科學(xué)發(fā)展階段，該問題的難度不亞于對紊流的分析[19]（圖6）。因此，想要理解鋼混三明治結(jié)構(gòu)受到外部作用時的反應(yīng)，唯一有效的手段仍是通過實驗觀察。而準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)失效行為是設(shè)計方法成立的前提。

圖6 人類知識的擴(kuò)張F(tuán)ig.6 The expansion of human knowledge

上述觀點(diǎn)也可從已有的鋼混三明治結(jié)構(gòu)分析模型來解釋。鋼混三明治沉管結(jié)構(gòu)對于抗剪的計算通常采用類比桁架模型或拉壓桿模型[22-23]。這兩種計算模型認(rèn)為混凝土和鋼板只在剪切連接部位相接，并將抗彎和抗剪合為一體來考慮。但是上述模型將混凝土傳力簡化為壓桿，未考慮混凝土自身骨料間的嚙合等作用，也未考慮剪切連接結(jié)構(gòu)周圍的混凝土由于剪切連接結(jié)構(gòu)的存在而受到的額外作用。

國內(nèi)學(xué)者2015年對300~400 mm梁高、6~ 8.6 mm面板厚的鋼混三明治結(jié)構(gòu)的梁進(jìn)行了一系列靜力加載實驗，并將結(jié)果刊登于科學(xué)論文，論文的結(jié)尾是：對于更大尺寸的鋼混三明治結(jié)構(gòu)的力學(xué)反應(yīng)需進(jìn)一步實驗確定，來討論其尺寸效應(yīng)是否與混凝土結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)具有可比性[15]。

2.2.2 設(shè)計方面

結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)是避免非延性破壞[3，11，22]。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)其失效理論分為超筋破壞、少筋破壞、以及設(shè)計期望的延性破壞，這些破壞模式已經(jīng)過大量實驗和工程案例驗證，設(shè)計理論也被不斷修正和完善。比較而言，鋼混三明治結(jié)構(gòu)是上世紀(jì)末提出的新結(jié)構(gòu)形式（之前也曾有過用膠粘混凝土和鋼板的三明治路面結(jié)構(gòu)的記載），已有的實驗表明鋼混三明治結(jié)構(gòu)相比混凝土結(jié)構(gòu)存在更多的失效模式[2，10-11，16，24]：

1）受壓側(cè)鋼板屈曲（圖7中A）；

2）受壓側(cè)鋼板屈服；

3）受拉側(cè)鋼板屈服；

4）混凝土剪切破壞（圖7中B）；

5）剪切連接結(jié)構(gòu)拉拔破壞（圖7中C）；

6）剪切連接結(jié)構(gòu)破壞（圖7中D）。

圖7 實驗發(fā)現(xiàn)的部分破壞模式Fig.7 Failure mode revealed by the test

鋼混三明治結(jié)構(gòu)的設(shè)計目標(biāo)應(yīng)是希望受拉側(cè)鋼板首先達(dá)到屈服（即圖8右下角鋼板先屈服[3]的失效模式）。但是，英國2006年的研究表明，對于鋼混三明治結(jié)構(gòu)，理論預(yù)測的失效模式與實驗結(jié)果經(jīng)常出現(xiàn)差異[11，22]。

圖8 各種失效模式示意Fig.8 Illustrative sketch of various failure modes

此外，實驗還發(fā)現(xiàn)隨著板厚增加，剪切連接結(jié)構(gòu)設(shè)置較薄弱時失效模式呈脆性[22，25]，局部剪切連接結(jié)構(gòu)的失效也會引起結(jié)構(gòu)的整體失效[13]；結(jié)構(gòu)的變形大小也會受到混凝土和外側(cè)鋼板之間相對滑動的影響[9]。

由于鋼混三明治結(jié)構(gòu)歷史短，且實驗觀察到的失效模式復(fù)雜，考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)用的安全與功能，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計尚有很大的研究及發(fā)展空間。

2.2.3 應(yīng)用方面

當(dāng)前各國規(guī)范對于超出常規(guī)尺寸的結(jié)構(gòu)實際應(yīng)用前要求進(jìn)行實驗驗證。

美國規(guī)范ACI318-05及歐洲規(guī)范Eurocode2要求其應(yīng)用于較大尺寸的結(jié)構(gòu)時應(yīng)考慮尺寸效應(yīng)及其它效應(yīng)的影響[15]。美國混凝土協(xié)會445號報告表明ACI318規(guī)范基于半經(jīng)驗公式，沒有清晰及透明的物理模型，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸不應(yīng)外推至超出該規(guī)范范圍的程度[22]。美國結(jié)構(gòu)混凝土規(guī)范ACI 318-11[7]在對殼體、折板類結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計中規(guī)定：“對于根據(jù)經(jīng)驗、試驗和分析已經(jīng)證明能夠承受住合理的超載而不出現(xiàn)脆性失效的那些殼體結(jié)構(gòu)類型，彈性分析是一種可以接受的方法。在這種情況下，設(shè)計者可以假定鋼筋混凝土是理想、勻質(zhì)和各向同性的，即沿所有的方向具有相同的特征。對殼體的分析應(yīng)在考慮使用荷載的情況下完成。而對于尺寸、形狀或復(fù)雜程度不尋常的殼體則應(yīng)考慮從彈性到開裂，再到非彈性階段的性能。”

日本《三明治沉管隧道設(shè)計方法及高流動混凝土設(shè)計指南》的概述中，首先申明該專題研究尺寸已超出了日本已有鋼混三明治結(jié)構(gòu)設(shè)計指南的實驗尺寸，因此用實驗證明了指南提出的設(shè)計方法的有效性[25]。

2.2.4 小結(jié)

綜上所述，有效的設(shè)計方法（例如彈性、線形設(shè)計法）應(yīng)與結(jié)構(gòu)實際破壞行為相符合，結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理的科學(xué)研究仍在繼續(xù)（圖6）。所以，目前檢驗結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的唯一途徑是實驗觀察與經(jīng)驗觀察。結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)是避免非延性破壞，而實驗表明已有設(shè)計方法仍不能準(zhǔn)確地預(yù)計鋼混三明治結(jié)構(gòu)的失效方式，有些實驗已發(fā)現(xiàn)剪切連接結(jié)構(gòu)失效引起結(jié)構(gòu)整體破壞。不同于經(jīng)過各種尺寸及形狀試件實驗和工程經(jīng)驗的混凝土結(jié)構(gòu)，已有鋼混三明治結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法仍處于初級發(fā)展階段，有廣泛的科研空間。該觀點(diǎn)在美、英、日本等國的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求中均有體現(xiàn)。國內(nèi)外學(xué)者在研究報告中也表達(dá)了同樣觀點(diǎn)。

3 尺寸調(diào)研

對近年國內(nèi)外已發(fā)表的鋼混三明治結(jié)構(gòu)整體靜力實驗尺寸匯總見表1。實驗內(nèi)外側(cè)板厚通常在4~12 mm，梁高通常在100~400 mm。對于深梁結(jié)構(gòu)（或圣維南原理的擾動區(qū)）也已經(jīng)有一些試驗研究[16]。

表2列出了全部的已建成的鋼混三明治沉管隧道。其中，截面尺寸最寬的是那霸臨港道路隧道。經(jīng)對該項目第4號沉管管節(jié)（標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)）設(shè)計調(diào)研，內(nèi)、外側(cè)的鋼板厚度分別是8 mm、9~10 mm，板厚1.1~1.2 m，跨徑13.8 m，分5個隔艙，參考圖3。

當(dāng)工程方案在表1及表2的結(jié)構(gòu)尺度以內(nèi)時，可參考相關(guān)規(guī)范進(jìn)行初步的設(shè)計。當(dāng)超出已有尺寸時，應(yīng)認(rèn)識到第2節(jié)討論的尺寸效應(yīng)的影響，首先應(yīng)對結(jié)構(gòu)設(shè)計方法（即結(jié)構(gòu)失效機(jī)理）的有效性進(jìn)行試驗驗證。

4 其它問題

4.1 剪切連接結(jié)構(gòu)

鋼混三明治結(jié)構(gòu)的剪切連接結(jié)構(gòu)受力變化復(fù)雜（圖9）[12]，所以對不同形狀的連接結(jié)構(gòu)及不同厚度的面板進(jìn)行了很多疲勞荷載試驗來指導(dǎo)設(shè)計[22]，以避免結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命期間剪切連接結(jié)構(gòu)因疲勞失效而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效（圖10）[24]。

此外，對于錨釘式的剪切連接結(jié)構(gòu)，實驗發(fā)現(xiàn)錨釘頭部容易引起混凝土開裂。所以也能見到關(guān)于剪切連接結(jié)構(gòu)承載能力折減設(shè)計的研究及規(guī)定[14]。

圖9 錨釘局部隔離體受力示意Fig.9 Free body stress diagram of shear connector part

圖10 疲勞破壞失效的鋼混三明治梁Fig.10 Failure of SCS composite steel beam caused by fatigue

4.2 沖擊破壞

沉管隧道設(shè)計時一般會考慮一些沖擊荷載工況[26]。三明治結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能必要時需通過實驗來研究與確認(rèn)，如圖11[27]。

圖11 沖擊失效的鋼混三明治結(jié)構(gòu)Fig.11 Failure of SCS sandwich structure caused by impact

5 結(jié)語

本文討論了鋼混三明治結(jié)構(gòu)應(yīng)用于沉管隧道工程時的設(shè)計適用范圍問題。主要結(jié)論：

1）從科學(xué)、設(shè)計、應(yīng)用三個方面論述了：鋼混三明治沉管隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計時不應(yīng)忽略尺寸效應(yīng)；尺寸及幾何形狀超出試驗或經(jīng)驗范圍時應(yīng)通過足夠的實驗來驗證設(shè)計方法，或?qū)畦旒芑蚶瓑簵U設(shè)計方法進(jìn)行驗證。

2）已有的鋼混三明治結(jié)構(gòu)實驗的鋼板厚通常在6~12 mm。

3）實驗發(fā)現(xiàn)剪切連接結(jié)構(gòu)的失效會引起結(jié)構(gòu)整體失效。

4）在已有文獻(xiàn)中也能見到對剪切連接結(jié)構(gòu)疲勞問題、承載力折減以及對鋼混三明治結(jié)構(gòu)抗沖擊問題的研究。

鋼混三明治結(jié)構(gòu)不同于我們熟知的混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計方法仍有廣泛的發(fā)展空間，已有試驗報告和沉管工程經(jīng)驗相對少。而現(xiàn)代沉管隧道的尺寸越來越大，通常超出了已有鋼混三明治結(jié)構(gòu)的實驗及經(jīng)驗，從材料破壞機(jī)理角度解釋結(jié)構(gòu)整體行為的科學(xué)仍處于理論研究階段。所以，超出實踐經(jīng)驗時，鋼混三明治沉管隧道設(shè)計方法應(yīng)通過實驗驗證，并進(jìn)行必要的改進(jìn)與完善，才能確保該類型沉管隧道不會由于設(shè)計理論與實際不符而失效，失效包括結(jié)構(gòu)失效及剪切連接失效引起的結(jié)構(gòu)整體失效。

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Application margin of design method of steel-concrete-steel sandwich immersed tunnel with the history of its development

LIN Ming1,LIU Xiao-dong2,LIN Wei2
（1.China Communications and Construction Co.,Ltd.,Beijing 100088,China; 2.CCCC Highway Consultancy Co.,Ltd.,Beijing 100088,China）

The paper discussed the application margin of the design of steel-concrete-steel sandwich immersed tunnel. Combining with the history and literature,we proved the direct influence of the size effect to the structure safety,and the necessity of test for the validation of the structure whose size is larger than that of the existed sandwich structure from three aspects as scientific cognitive,design targets,and the engineering application.We summarized the size of the experimented or experienced sandwich beam,slab and typical structure,and discussed the design validation issues of fatigue resistance and impact resistance of sandwich structure when it applied in immersed tunnel.

immersed tunnel;steel-concrete-steel sandwich structure;size effect;shear connector;fatigue failure;impact effect

U655.53；U455.46

A

2095-7874（2016）12-0001-07

10.7640/zggwjs201612001

2016-11-17

林鳴（1957— ），男，江蘇南京人，總工程師，教授級高級工程師，從事水工及路橋施工技術(shù)管理。E-mail：linming1004@sohu.com