付兵先，鄭 青,鄒文浩，馬偉斌,李 堯，薛 暉

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100089;3.中國(guó)鐵路總公司 建設(shè)管理部，北京 100844)

隨著我國(guó)鐵路隧道的大規(guī)模修建，運(yùn)營(yíng)鐵路隧道病害也逐漸步入高發(fā)期[1]。隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂損病害已經(jīng)嚴(yán)重威脅到列車(chē)的運(yùn)行安全?，F(xiàn)有的鋼筋混凝土套襯需要占用隧道較大空間，在一些隧道里由于限界限制而無(wú)法使用。因此，一種侵占隧道空間小、滿(mǎn)足鐵路限界要求的波紋板套襯技術(shù)逐步被應(yīng)用到隧道加固中。由于波紋板結(jié)構(gòu)為拼裝式鋼結(jié)構(gòu)，板片之間采用螺栓連接，因此，掌握螺栓的受力情況極為重要。目前，波紋板采用高強(qiáng)螺栓連接時(shí)，連接部位驗(yàn)算理論上可參考相關(guān)規(guī)范[2]。但由于現(xiàn)有的規(guī)范僅給出了平面鋼板螺栓連接的承載力計(jì)算公式，而波紋板連接部位的局部受力性能、破壞機(jī)理與平面鋼板連接有所不同。事實(shí)上，波紋板連接件處的受力和破壞機(jī)理十分復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)波紋板螺栓連接的相關(guān)研究尚不多見(jiàn)，相關(guān)文獻(xiàn)也比較少，因此，按平面鋼板連接計(jì)算的承載力還應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。因此，隨著波紋板結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用，有必要開(kāi)展波紋鋼板連接部位強(qiáng)度試驗(yàn)，給出常用波紋板連接部位強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，并納入相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，以方便設(shè)計(jì)。

Fan等[3]對(duì)薄板搭接的連接試驗(yàn)與理論分析表明，有限元分析模型能夠反映連接的受剪承載力、變形、螺栓傾斜狀況以及應(yīng)力分布情況。尹凌峰等[4]對(duì)波紋板螺栓連接的受力性能試驗(yàn)及有限元分析表明，波紋板連接件的承載力較相應(yīng)平板連接件下降較為明顯，螺母與板件接觸面上的貼合程度是二者差異的主要因素; 波紋板的板厚對(duì)連接性能影響較大，而波高影響較小。張永浩[5]根據(jù)金屬波紋板螺栓連接受力性能分析與試驗(yàn)結(jié)果得出，波紋板連接件的承載力均小于相應(yīng)平板連接件，極限位移均大于相應(yīng)平板連接件，因此，波紋板連接件的連接剛度小于同樣條件下的平板連接件。孫巍巍等[6]根據(jù)交錯(cuò)孔洞平板螺栓連接參數(shù)分析結(jié)果，總結(jié)了應(yīng)力折減系數(shù)的變化規(guī)律并提出了應(yīng)力折減系數(shù)極值的擬合公式。施剛等[7]開(kāi)展的端板連接強(qiáng)度螺栓受力特性試驗(yàn)表明，受拉區(qū)螺栓同時(shí)承受拉力和彎矩，螺栓與端板的相對(duì)強(qiáng)弱決定了螺栓承受彎矩的大小，不同的節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型則適用于不同的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)外伸式端板連接節(jié)點(diǎn)提出了設(shè)計(jì)建議。徐忠根等[8]對(duì)不同端距下的螺栓連接板承載性能分析表明，當(dāng)端距取值為1.2d0(d0為螺栓孔徑)時(shí),單列和雙列螺栓連接板件的極限承載力分別達(dá)到2d0時(shí)的74.36%和97.02%;建議螺栓連接構(gòu)件的端距可以放寬到1.2d0,但其承載力應(yīng)適當(dāng)降低。

現(xiàn)有規(guī)范尚未給出有關(guān)波紋板螺栓連接承載力的計(jì)算方法，目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)波紋板螺栓連接的相關(guān)研究尚不多見(jiàn)，為此本文針對(duì)隧道套襯波紋板結(jié)構(gòu)中采用的波紋板螺栓連接件開(kāi)展了承載力試驗(yàn)研究。

1 連接件室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

圖1 不同階段連接件荷載變形曲線

當(dāng)板材較薄或者較厚時(shí)，容易使得螺栓孔的承壓面發(fā)生擠壓破壞或者出現(xiàn)螺桿剪斷的情況，破壞形式如圖2所示。

圖2 連接件破壞形式

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)不同波紋參數(shù)[10]、板厚和螺栓布置分別進(jìn)行分組試驗(yàn)，每個(gè)樣本應(yīng)至少包含1個(gè)完整波形且互相拼接的波紋鋼板波數(shù)應(yīng)相同。波紋板連接件試件設(shè)計(jì)如圖3所示。試驗(yàn)樣品見(jiàn)圖4。

1-承壓板；2-焊縫；3-螺母；4-防松動(dòng)墊圈；5-凸型墊圈；6-凹形墊圈；7-防松墊圈；8-螺栓；9-波紋板。圖3 試件設(shè)計(jì)示意(單位：mm)

圖4 試驗(yàn)樣品

1.3 試驗(yàn)工況

考慮不同等級(jí)線路限界要求，選用常用200 mm×55 mm,230 mm×64 mm,300 mm×110 m波形的波紋板(板厚5，6，8 mm)進(jìn)行連接件強(qiáng)度試驗(yàn)，主要進(jìn)行連接件抗壓試驗(yàn)，分析連接件承載力以及破壞形態(tài)。

加載系統(tǒng)由壓力機(jī)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，試驗(yàn)儀器可以勻速加載，且裝備有不小于樣本尺寸的墊板，試驗(yàn)過(guò)程中樣本不允許發(fā)生水平滑移。另外，試驗(yàn)設(shè)備安裝有防護(hù)措施。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

圖5 不同波形及板厚時(shí)連接件荷載位移曲線

不同波形及板厚波紋板連接件不同階段荷載最大值見(jiàn)圖6?？芍S著加載持續(xù)進(jìn)行，波紋板連接件荷載逐步增加。3種波形從摩擦傳力彈性階段到滑移階段荷載增加比較平緩，其中，相比于300 mm×110 mm 波形，230 mm×64 mm與200 mm×55 mm 2種波形從摩擦傳力的彈性階段到滑移階段荷載增加更為平緩，越過(guò)滑移階段后，3種波形荷載增加速率較為顯著。這主要與3種波形波紋板連接件的施工扭矩有較大關(guān)系。另外，300 mm×110 mm波形波紋板連接件各變形階段的承載力最高，其次為230 mm×64 mm波形，最后為200 mm×55 mm 波形。

圖6 不同波形及板厚波紋板連接件各變形階段荷載最大值

2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

圖7 不同波形波紋板連接件栓桿傳力彈性階段最大荷載值與板厚的關(guān)系曲線

不同波形波紋板連接件栓桿傳力彈性階段最大荷載值與板厚的關(guān)系曲線見(jiàn)圖7?？芍?，二者呈線性關(guān)系。隨著波紋板板厚的增大總體承載能力逐漸增加，且理論承載力值較試驗(yàn)值大。這主要是因?yàn)椴y板結(jié)構(gòu)換算到平板狀態(tài)下連接件承載力有所降低。其中，200 mm×55 mm波形厚度5，6，8 mm換算到平板狀態(tài)下的理論承載力為612.2，735.2，981.8 kN。以栓桿傳力的彈性階段為控制點(diǎn)，3種厚度波紋板分別相當(dāng)于平板承載的81.2%，91.6%，91.6%，平均值為88.3%；230 mm×64 mm波形厚度5，6，8 mm下分別相當(dāng)于平板承載的81.7%，86.6%，87.1%，平均值為85.1%；300 mm×110 mm波形厚度5，6，8 mm下分別相當(dāng)于平板承載的84.0%，77.3%，82.7%，平均值為81.2%。因此，波紋板縱向接縫強(qiáng)度可按照平板狀態(tài)下承壓面承載力進(jìn)行折減。

不同波形波紋板連接件破壞形式見(jiàn)表1。可知，波紋板連接件的破壞形式主要為孔壁承壓破壞、鋼板屈曲及螺栓剪斷。每種波形與厚度下都不是單一的破壞模式，往往是兩種破壞模式的疊加?？傮w而言，板厚達(dá)到8 mm時(shí)，連接件破壞形式主要以孔壁局部承壓破壞與螺栓剪斷為主;板厚低于8 mm時(shí)，連接件破壞形式主要為孔壁承壓破壞與鋼板屈曲。

表1 不同波形波紋板連接件破壞特征

3 結(jié)論

1)不同板厚波紋板連接件在受力過(guò)程中經(jīng)歷了摩擦傳力的彈性階段、滑移階段、栓桿傳力的彈性階段、栓桿或孔壁屈服階段以及連接件破壞階段5個(gè)階段。其中，300 mm×110 mm波形波紋板連接件的承載力最高，其次為230 mm×64 mm波形，最后為200 mm×55 mm 波形。

2)200 mm×55 mm波形、230 mm×64 mm波形、300 mm×110 mm波形在5，6，8 mm 3種厚度下波紋板的平均承載力相當(dāng)于平板承載的88.3%，85.1%，81.2%。因此，波紋板連接件強(qiáng)度可按照平板狀態(tài)下承壓面承載力進(jìn)行折減。

3)波紋板連接件的破壞形式主要為孔壁承壓破壞、鋼板屈曲及螺栓剪斷。每種波形與厚度下都不是單一的破壞模式，而是兩種破壞模式的疊加。