吉茂杰 張一鳴 吳東鵬 黃小平 黃愛軍 袁 勇,4

1. 上海申通地鐵集團有限公司 上海 201103；2. 同濟大學地下建筑與工程系 上海 200092；3. 上海城市建設設計研究總院（集團）有限公司 上海 200125；4. 同濟大學土木工程防災國家重點實驗室 上海 200092

頂管隧道預制管環(huán)裝配時，一般采用承插式接口，形成接縫處不連續(xù)接觸，各管節(jié)獨立承載且接口有一定自由轉動能力的隧道襯砌。工程實踐表明，具有F形承插口構造的接頭在頂進過程中接口張角較小、防水密封性能優(yōu)異[1]，為頂管接頭構造的主要形式之一。對于頂管F形承插口接頭的相關研究多集中在考慮接頭效應的管環(huán)整體力學性能[2-3]、構造設計[4-5]和防水密封性能[6-7]等方面，而承插口斷面局部削弱導致的承載性能變化則有待深入研究。

本文以上海市軌道交通14號線靜安寺站工程為背景，選取頂管隧道的管環(huán)間F形承插式接口結構的局部管片接頭，利用數(shù)值模擬和正彎矩試驗，研究接頭連接螺栓、套筒板等局部結構的受力情況，分析該接頭的彎矩和剛度變化規(guī)律，以期為后續(xù)的管片接頭設計參數(shù)和極限承載力的確定提供參考。

1 試驗設計

1.1 試件制作

上海市軌道交通14號線靜安寺站位于華山路與延安中路交叉路口的華山路下方，沿華山路南北向布置，為地下3層島式站臺車站，與已建成通車的軌道交通2號線、7號線靜安寺站形成三線換乘樞紐。受建設條件控制，沿站臺縱向設計采用鋼頂管連接2個常規(guī)明挖部分，頂管斷面如圖1所示，頂管每節(jié)管環(huán)長度2 m，管環(huán)為肋板空腔箱形結構。為了研究管環(huán)承插口的局部抗彎承載性能，沿管環(huán)方向截取寬度1 m作為局部管片接頭試件，如圖2所示。

圖1 頂管斷面示意

圖2 局部管片接頭試件截取位置

1.2 局部管片接頭試件構造

局部管片接頭試件的寬度為1 000 mm，高度為400 mm，縱向的長度為2 000 mm，接口部位長度為225 mm，如圖3所示，試件接口部分由帶套筒板的A塊端部和不帶套筒板的B塊端部組合而成，接口端部的端頭板設有螺栓孔，用于安放8.8級M30高強螺栓。

圖3 局部管片接頭試件

1.3 加載方式

試驗采用對稱荷載的加載方式（圖4），利用2個同一油路的千斤頂在關于接縫對稱的點位上施加等值荷載，在接口部位形成純彎段。采取分級加載的方式，初始每級荷載為5 kN；當試件出現(xiàn)明顯屈服段時，將加載級減少為2.5 kN；當結構出現(xiàn)明顯變形或在給定荷載下接頭位移不斷增長時，停止試驗。

圖4 試驗加載布置

1.4 測點布設

本次試驗中的測點分為兩類（圖5）：一類是應變測量，測量儀器為電阻式應變片（量程5 000 με），選擇在構件可能出現(xiàn)較大應變的位置布置測點，如端頭板（C1—C4、D1—D4）、螺栓（B1—B2）、套筒板（A1—A3，E1—E2）、端頭板螺栓孔（S1—S3）；另一類是位移測量（K1—K2），采用LVDT位移計（量程100 mm）測量接縫張開角度。端頭板兩側的應變測點用于分析加載過程受壓區(qū)高度變化，配合螺栓應變判定接頭屈服的起始點，套筒板的應變測點用于判斷其局部承載的起始條件，接縫張開角度用于換算接縫轉角的變化。

圖5 接縫位置測點布置

2 試驗結果與分析

2.1 接縫處的彎矩-轉角曲線

根據(jù)加載方式，接頭所受彎矩按式（1）計算：

根據(jù)分級加載的數(shù)據(jù)可以繪出試件接縫的彎矩-轉角曲線，如圖6（a）所示。該曲線可分為3個階段：

1）彈性階段（OA段），曲線的斜率保持不變，接縫轉角隨彎矩線性變化，可以認為A點為彈性極限彎矩Me＝32.5 kN·m，對應轉角θe＝7.06×10－3rad。

2）屈服階段（AB段），斜率隨彎矩的增長而逐漸減小，反映出試件轉角剛度隨彎矩增大而減小，呈現(xiàn)出屈服狀態(tài)，B點對應的屈服極限彎矩為My＝42.5 kN·m，對應轉角θy＝28.12×10－3rad。

3）破壞階段（BC段），接頭的轉角剛度穩(wěn)定在較低水平，轉角發(fā)展速度較快，C點對應的承載力極限彎矩Mu=52.5 kN·m，此時接頭結構處于即將破壞的狀態(tài)，在下一個加載級內螺栓拉剪斷裂導致結構破壞。

接頭的轉角剛度按式（3）計算：

式中：M——接縫處彎矩；

θ——接縫的轉角。

接頭結構轉角剛度和彎矩的關系如圖6（b）所示，試件在整個加載過程中的轉角剛度呈現(xiàn)出3階段的特點：彈性階段（DE段）維持較高的水平，屈服階段（EF段）迅速降低，破壞階段（FG段）穩(wěn)定在較低水平，在G點后急劇下降，可以認為結構達到G點對應的彎矩Mu時，試件達到臨界狀態(tài)，將轉角剛度即將下降之前的彎矩Mu定義為試件的承載力極限彎矩。

圖6 試件接縫的彎矩-轉角、彎矩-轉角剛度變化

2.2 各部件受力變化

2.2.1 端頭板

布置在接縫兩側端頭板的應變片C1—C4、D1—D4測得的應變基本相同，圖7（a）繪出D1—D4測點應變隨彎矩的變化。其中D3、D4沒有測到應變響應，表明接縫處下側張開，僅D1、D2受壓。彈性階段〔圖7（a）中HI段〕，應變-彎矩近似線性；當M＞Me后接頭進入屈服狀態(tài)〔圖7（a）中IJ段〕，D1和D2的彎矩-應變曲線出現(xiàn)轉折，應變隨彎矩加速增長；當M＞My后，D2點的壓應變逐漸減小〔圖7（a）中JK段〕，表明接縫受壓區(qū)高度逐漸減小，直至最終D2應變?yōu)?，處于接頭張開狀態(tài)。表明接縫截面的受壓區(qū)高度逐漸降低，中性軸向上偏移。根據(jù)測定的應變數(shù)值，結合平截面假定，推測接縫截面受壓區(qū)高度值x和應變分布情況〔圖7（b）〕。但僅有的應變測點不足以給出受壓區(qū)高度的準確數(shù)值，后面通過數(shù)值模擬詳細分析。

圖7 端頭板B的測點應變

2.2.2 螺栓

加載過程沿螺栓軸線方向上下側（B1—B2）測到的應變，繪出彎矩-應力應變曲線〔圖8（a）〕。在試件加載初期，螺栓應變與拉應力隨彎矩線性增長；當試件屈服階段時〔圖8（a）中L點〕，螺栓應變隨彎矩增幅顯著提升，此時螺栓應變達3 150 με，根據(jù)鋼材彈性模量估算出L點對應的螺栓拉應力στ＝660 MPa，達到8.8級高強螺栓的非比例延伸強度（即條件屈服強度Rp,0.2），即螺栓受拉屈服；在加載后期，螺栓應變超過應變片的量程（5 000 με）。結構破壞時，螺栓呈現(xiàn)出拉剪破壞形態(tài)〔圖8（b）〕。

圖8 螺栓桿變形情況

2.2.3 螺栓孔

端頭板螺栓孔的環(huán)向應變〔圖9（a）〕體現(xiàn)了螺栓孔受到的擠壓效應。在試件加載初期，螺栓孔周S1和S3的應變一致，S2略大，M＜Me時應變量小于300 με；當試件進入屈服階段后〔圖9（a）中M點〕，S2的應變隨彎矩快速增加，表明除螺帽的擠壓之外螺桿與孔壁的擠壓逐漸占主導作用；當試件進入破壞階段后〔圖9（a）中N點〕，S2與S1和S3的應變值差顯著；試件破壞時，S1和S3的應變?yōu)?72 με，小于Q345鋼材的屈服應變（1 683 με），而S2的應變（3 168 με）則大于屈服應變。

在試驗結束取出螺栓，觀察螺栓孔的變形情況如圖9（b）所示，黃色虛線圓環(huán)為試驗前螺栓孔形狀，紅色實線對應于試驗結束后的螺栓孔邊界，可以到螺栓孔下緣出現(xiàn)豎直徑向對稱的V形切口。

圖9 螺栓孔的變形情況

2.2.4 套筒板

套筒板頂面應變測點（A1—A3）和底面應變測點（E1、E2）對應的彎矩-應變關系如圖10所示。當M＜My時，各測點應變?yōu)榱?，說明套筒板與接頭B塊頂板未發(fā)生接觸；當M＞My后，各測點的應變隨彎矩開始增長，說明此時套筒板與B塊發(fā)生擠壓，在套筒板對應接縫位置產生頂面受壓（應變?yōu)樨摚┑酌媸芾木植砍休d狀態(tài)，直至接頭破壞。

圖10 套筒板測點的彎矩-應變曲線

3 數(shù)值模擬與分析討論

3.1 數(shù)值模型驗證

采用有限元數(shù)值方法模擬試驗，構件的數(shù)值模型網格如圖11所示。鋼板和螺栓均采用理想彈塑性“雙折線”材料模型，鋼材彈性模量設置為206 GPa，鋼板的屈服強度為345 MPa、抗拉強度為500 MPa，螺栓的屈服強度為660 MPa、抗拉強度為1 000 MPa。數(shù)值模型得到接縫的轉角-彎矩曲線如圖12所示，可見數(shù)值模擬與試驗結果接近。

圖11 試件的數(shù)值模型網格

圖12 數(shù)值模型的接縫轉角-彎矩曲線

3.2 接頭受壓區(qū)高度

接頭B塊端頭板端面壓應變區(qū)的下緣到端頭板頂面的距離，即為受壓區(qū)高度，其隨彎矩的變化如圖13（a）所示。在彈性階段（RS段），受壓區(qū)高度基本保持不變；在屈服階段（ST段），受壓區(qū)高度近似線性降低，接縫截面中性軸向上偏移；在破壞階段（TU段），接頭受壓區(qū)高度降低的幅度加大。圖13（b）為接頭在特征彎矩時刻B塊端頭板端面的壓應變分布，表明壓應變沿高度近似線性分布，即端頭板的端面在受力變形時始終保持為平面。

圖13 接頭受壓區(qū)高度的變化

數(shù)值模型與試驗特征點彎矩下接頭受壓區(qū)高度的對比如表1所示，可見數(shù)值模擬與試驗結果接近，說明上述分析與實際情況較為符合。

表1 數(shù)值模擬和試驗接頭受壓區(qū)高度對比

4 結語

1）接頭試件的抗彎性能可以分為彈性、屈服、破壞等3個階段，彈性階段接頭的轉角剛度基本恒定，試件屈服后轉角剛度線性下降為彈性段的約1/3。

2）接頭結構處于屈服階段時，實質為連接螺栓進入受拉屈服狀態(tài)。

3）接頭結構進入破壞階段時，A塊承插接口套筒板與B塊接頭頂面發(fā)生擠壓接觸，連接螺栓由受拉轉為承受拉剪作用，導致端頭板上的螺孔下邊緣受擠壓。

可見，連接螺栓對接頭的抗彎性能起控制作用，在管片施工過程中應避免連接螺栓的意外受損。