劉天正,李春昊,孫 楊,劉保東,李鐵生,左 曉

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068;2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,北京 100044;3.北京市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100068；4.北京市軌道交通工程技術(shù)研究中心，北京 100068)

傳統(tǒng)的地下結(jié)構(gòu)以混凝土結(jié)構(gòu)為主，其在使用過程中，先期的質(zhì)量缺陷在外界環(huán)境的惡化、管養(yǎng)不充分的情況下將產(chǎn)生起層剝落等病害[1]，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性能和使用壽命，易導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，解決這類問題刻不容緩.

波紋鋼結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度與較強(qiáng)的變形能力，同時(shí)是一種裝配式結(jié)構(gòu)，便于快速搶修施工，在改擴(kuò)建工程、結(jié)構(gòu)加固等領(lǐng)域已凸顯出其優(yōu)越性.同時(shí)其與土體產(chǎn)生相互作用共同抵抗荷載的優(yōu)勢較為突出，在公路工程中同樣得到了廣泛的應(yīng)用[2].目前波紋鋼結(jié)構(gòu)的研究多應(yīng)用于覆土結(jié)構(gòu).文獻(xiàn)[3]對覆土波紋鋼結(jié)構(gòu)長期性能進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[4]對大跨徑波紋鋼涵洞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究.采用裝配式波紋鋼襯砌是一種合理的解決傳統(tǒng)混凝土襯砌起層剝落的方法，通過將隧道襯砌主體結(jié)構(gòu)更換成整體性較好的波紋鋼結(jié)構(gòu)，以防止襯砌結(jié)構(gòu)的局部破壞.文獻(xiàn)[1]采用有限元法計(jì)算了內(nèi)襯波紋鋼在襯砌剝落荷載作用下的變形與應(yīng)力,驗(yàn)證了其用于隧道加固的合理性.

在波紋鋼連接方式方面，文獻(xiàn)[5]采用數(shù)值模擬的手段，對法蘭連接波紋鋼板件的抗彎承載能力進(jìn)行了計(jì)算，并通過改變幾何尺寸和螺栓預(yù)緊力等參數(shù)研究其對彎曲承載力的影響.文獻(xiàn)[6]通過模型抗彎試驗(yàn)的方式，對粘貼波紋鋼板片這一隧道加固方式進(jìn)行了研究，認(rèn)為裝配式波紋鋼結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的連接方式以螺栓搭接為主.對于此種連接方式的受力性能研究已較為充分,文獻(xiàn)[7]通過試驗(yàn)和理論推導(dǎo)，改變波形大小對使用高強(qiáng)螺栓連接的波紋鋼板的連接強(qiáng)度進(jìn)行研究，并與現(xiàn)行規(guī)范做出了比較.文獻(xiàn)[8]采用室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬對帶有不同數(shù)目螺栓的鋼波紋板進(jìn)行分析，并對波紋板連接節(jié)點(diǎn)的破壞模式進(jìn)行深入探究.文獻(xiàn)[9]對螺栓搭接波紋鋼板進(jìn)行抗壓與抗彎試驗(yàn)，認(rèn)為波紋鋼板整體的抗壓強(qiáng)度隨著板厚的增加而增加，但在厚度達(dá)到7 mm以上后增加不明顯，并與規(guī)范公式相對比，驗(yàn)證了規(guī)范公式的有效性.文獻(xiàn)[10]考慮螺栓接縫，建立了波紋鋼涵洞精細(xì)化有限元模型，對接縫強(qiáng)度進(jìn)行分析，并與先前試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，得到了與試驗(yàn)結(jié)果相同的結(jié)論，接縫強(qiáng)度近似與板厚成正相關(guān).文獻(xiàn)[11-12]對采用高強(qiáng)螺栓搭接連接方式的波紋鋼板連接節(jié)點(diǎn)的受力性能進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬，得到了螺栓搭接波紋板與平鋼板在承載能力上的差別，并通過有限元模型加以驗(yàn)證.文獻(xiàn)[13]針對波紋鋼結(jié)構(gòu)在施工過程中可能出現(xiàn)的循環(huán)應(yīng)力，對螺栓搭接節(jié)點(diǎn)的疲勞性能進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究.

本文所研究的連接節(jié)點(diǎn)與建筑結(jié)構(gòu)中的鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的破壞模式有相似之處.文獻(xiàn)[14]對H型鋼梁與矩形鋼管柱單向螺栓連接節(jié)點(diǎn)的承載能力進(jìn)行試驗(yàn)與理論分析，推導(dǎo)了端板強(qiáng)度控制的該節(jié)點(diǎn)抗彎承載力計(jì)算公式.文獻(xiàn)[15]對不同屈服線形式進(jìn)行綜述，并對不同模式下螺栓端板連接方鋼管柱承載能力計(jì)算模型進(jìn)行推導(dǎo)與驗(yàn)證.文獻(xiàn)[16]對方鋼管柱法蘭連接節(jié)點(diǎn)彎曲承載能力進(jìn)行了試驗(yàn)與有限元分析，并擬定屈服線模式對其在彎曲狀態(tài)下的承載能力進(jìn)行評估，該評估方式得到了與試驗(yàn)相近的結(jié)果.文獻(xiàn)[17]采用有限元模擬的方式對法蘭連接梁-柱節(jié)點(diǎn)的承載能力進(jìn)行分析，提出了多參數(shù)試驗(yàn)法對該節(jié)點(diǎn)的剛度與承載能力進(jìn)行評估.對于此類節(jié)點(diǎn)的研究方式一般基于有限元法與屈服線法，這是當(dāng)前較為可靠的螺栓-法蘭連接節(jié)點(diǎn)的承載能力評估方式.

在現(xiàn)有的研究當(dāng)中，對于波紋鋼襯砌以此類型連接節(jié)點(diǎn)的承載能力相關(guān)研究內(nèi)容仍然較少，尤其是鮮有實(shí)測數(shù)據(jù).同時(shí)考慮到可能出現(xiàn)的強(qiáng)度減弱，為保證其強(qiáng)度與安全性，其合理加強(qiáng)方式同樣是研究的重點(diǎn).為解決此類問題，本文作者通過法蘭連接波紋鋼襯砌板片抗彎試驗(yàn)，對板片整體的抗彎性能進(jìn)行研究，同時(shí)提出了一種帶有環(huán)梁加強(qiáng)的裝配式波紋鋼襯砌結(jié)構(gòu)，并通過板片抗彎試驗(yàn)方式對其受力性能進(jìn)行深入研究.

1 波紋鋼初襯結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)概況

為保證襯砌結(jié)構(gòu)在地下的施工可行性，較為普遍的連接方法是在不同襯砌板片之間增加法蘭板，通過螺栓進(jìn)行連接，這樣可以在暗挖施工過程中通過在內(nèi)部拼裝的方式將板片連成一個(gè)整體，共同抵抗外力作用，見圖1.

圖1 法蘭連接波紋鋼板片

采用這種連接方式的波紋鋼管涵，承受彎矩作用時(shí)將導(dǎo)致波紋板片受壓而螺栓受拉，從而使端部的法蘭板產(chǎn)生面外變形.為避免這類極端情況的發(fā)生，應(yīng)采用抗彎能力較強(qiáng)的構(gòu)件作為加強(qiáng)措施來提高抗彎承載力.為此，將螺栓連接方鋼管在波紋板片兩側(cè)，通過方鋼環(huán)梁較大的截面慣矩對截面進(jìn)行加強(qiáng)，見圖2.

圖2 方鋼管加強(qiáng)法蘭連接波紋鋼板片

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)旨在研究帶有法蘭連接的波紋鋼板與無接縫鋼板在純彎曲狀態(tài)下的受力性能之間的差別，以及不同尺寸連接件之間受力性能的差別.改變連接件法蘭板厚度，并與無接縫試件進(jìn)行對比，以研究各個(gè)試件間強(qiáng)度、剛度及破壞形態(tài)上的區(qū)別.試件編號及參數(shù)見表1.

表1 試件編號及參數(shù)

試驗(yàn)所采用的波紋鋼板，鋼材型號為Q345，經(jīng)材性測試得到的板狀試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別為381.32、479.84 MPa；波形為200 mm×55 mm；高強(qiáng)螺栓選用S8.8級M20高強(qiáng)螺栓.法蘭連接的試件，單塊波紋板長度為800 mm，接頭焊接法蘭板，沿短邊方向布置3個(gè)螺栓.根據(jù)裝配要求，栓孔直徑宜比螺栓桿直徑大1.5 mm.采用螺栓的常用預(yù)緊力為125 kN，考慮到現(xiàn)場條件與波紋板表面狀態(tài)通過換算確定螺栓預(yù)緊力矩不小于220 N·m.法蘭板螺栓孔布置見圖3.

圖3 試件栓孔布置(單位：mm)

帶有加強(qiáng)方鋼管的試件，通過螺栓將方鋼管與波紋鋼板相連接，使二者協(xié)同受力，波紋鋼與方鋼管的拼裝示意見圖4.

圖4 試件方鋼管布置(單位：mm)

1.2 測點(diǎn)布置與加載方案

本試驗(yàn)研究旨在研究無接縫鋼板、法蘭連接波紋鋼板以及方鋼管加強(qiáng)法蘭連接波紋鋼板三類板件的抗彎性能.為研究各個(gè)試件在試驗(yàn)工況下的應(yīng)力狀態(tài)與變形情況，需對各個(gè)試件的應(yīng)變與位移進(jìn)行測試.鋼板應(yīng)變測點(diǎn)布置見圖5，測點(diǎn)分別布置在接縫兩側(cè)波峰波谷，V表示波谷，C表示波峰.

圖5 鋼板應(yīng)變測點(diǎn)布置

采用BX-120電阻應(yīng)變片對結(jié)構(gòu)應(yīng)變進(jìn)行測試.試驗(yàn)通過油壓千斤頂對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，考慮到試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的荷載遠(yuǎn)大于加載梁自重，在加載梁與千斤頂之間布置DYZ-011式壓力傳感器，用于千斤頂與加載梁之間接觸力的讀取.通過在試驗(yàn)加載梁下方放置鋼棒實(shí)現(xiàn)集中荷載的施加，荷載的施加位置位于結(jié)構(gòu)的2個(gè)四分點(diǎn)位置處，采用位移控制加載，加載速率為0.4 mm/min.在此加載模式下，不考慮剪切作用即結(jié)構(gòu)2個(gè)四分點(diǎn)之間的區(qū)域?qū)⑻幱诩儚澢鸂顟B(tài)，在跨中區(qū)段產(chǎn)生的彎矩M可以通過壓力傳感器測試值與結(jié)構(gòu)的力學(xué)圖示得到.撓度采用指針式位移計(jì)測定，非線性誤差不大于0.5%.對于法蘭連接試件與方鋼管加強(qiáng)試件，在跨中位置兩側(cè)和兩個(gè)加載位置底面分別布置1個(gè)豎向撓度測點(diǎn)，共4個(gè)；對于無接縫試件分別在跨中和兩個(gè)加載點(diǎn)位置分別設(shè)置1個(gè)撓度位移計(jì)，共3個(gè)，布置見圖6.

圖6 鋼板撓度測點(diǎn)布置

試驗(yàn)壓力、位移與應(yīng)變數(shù)據(jù)通過電信號方式輸出，使用高速靜態(tài)應(yīng)變采集儀對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與處理.在加載過程中，一旦壓力傳感器示數(shù)不再增加或荷載-位移曲線出現(xiàn)下降段即認(rèn)為試件破壞.

2 測試結(jié)果分析

2.1 破壞模式

有無方鋼管加強(qiáng)的法蘭連接板件的破壞形態(tài)明顯存在較大差別.無加強(qiáng)的法蘭連接板件在失去承載能力時(shí)，產(chǎn)生了較大變形，接縫被拉開，結(jié)構(gòu)整體線形出現(xiàn)波折，接縫處出現(xiàn)較大轉(zhuǎn)角，在法蘭板處產(chǎn)生了較大面外變形；帶有方鋼管環(huán)梁的試件失去承載能力仍未產(chǎn)生過大面外變形，板件變形主要體現(xiàn)在板件的整體下?lián)希涌p位置并未拉開，法蘭板上固定的螺栓并未產(chǎn)生可見變形，可見在使用了方鋼管加強(qiáng)后，波紋板的接縫位置內(nèi)力有了明顯降低.

兩試件區(qū)別在于是否在法蘭拼接試件兩側(cè)安裝方鋼管，方鋼管對接縫位置波紋鋼板的約束作用限制了板件的相對位移，使其與無加強(qiáng)試件相比有較好的整體性，整體承載能力較強(qiáng).

2.2 位移測試結(jié)果

記錄試驗(yàn)過程中讀取的不同荷載值相對應(yīng)的位移數(shù)據(jù)，整理成各個(gè)試件的荷載-位移曲線，見圖7.

同時(shí)為比較各個(gè)試件的受力性能，將這些試件跨中位置的荷載-位移曲線置于同一坐標(biāo)系下進(jìn)行對比.由圖7可知，不同連接方式的試件在數(shù)值與圖形特點(diǎn)上均有較大差異：①無接縫試件的荷載-位移曲線為典型形式，試件由最初的彈性狀態(tài)逐漸屈服，最終失去承載能力；②法蘭連接試件的荷載-位移曲線在零點(diǎn)附近的斜率較低，這種現(xiàn)象在裝配式構(gòu)件中較為常見，可能是由此階段下裝配件的各個(gè)組分未能充分相互接觸而導(dǎo)致的.此后的變形行為與無接縫板件一致，不同的是其斜率與承載能力均有所降低；③帶有方鋼管加強(qiáng)的試件在加載初期與法蘭連接波紋鋼板相似，荷載-位移曲線斜率較小，之后隨著板件之間的充分接觸而獲得了較大的整體剛度，此后的變形行為與無接縫板件一致，相較于無接縫板件，兩側(cè)多出了方鋼管環(huán)梁作為加強(qiáng)措施，其承載能力與剛度均稍有提升.

圖7 不同試件荷載-位移曲線

考慮試件測試條件的因素，將多個(gè)試件跨中的荷載-位移曲線進(jìn)行比較，見圖8.

由圖8可知：①采用三類連接的構(gòu)件之間的受力性能存在較大差異，相比之下幾何參數(shù)不同的同種試件的受力性能差異較??；②相對于無接縫試件，方鋼管加強(qiáng)試件具有更大的強(qiáng)度和剛度，其單個(gè)試件的承載能力比無接縫試件增加了22%，同時(shí)由于方鋼管環(huán)梁的存在，在寬度未產(chǎn)生較大變化的情況下對于抗彎強(qiáng)度和剛度有了較大的增加；③相對于無接縫試件，法蘭連接試件具有較低的強(qiáng)度和剛度，法蘭板厚為8 mm的試件抗彎強(qiáng)度僅為無接縫試件的25%，考慮到此時(shí)波紋板應(yīng)力水平較低，試件失去承載能力時(shí)，連接節(jié)點(diǎn)位置的法蘭鋼板發(fā)生了屈服，同時(shí)產(chǎn)生較大變形；④法蘭板厚度對法蘭連接波紋鋼板的連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度影響比較顯著，法蘭板厚為10 mm的試件強(qiáng)度比板厚為8 mm的試件增加了63%，法蘭端板的厚度是影響此構(gòu)件受力性能的重要參數(shù).

圖8 試件荷載-位移曲線比較

2.3 應(yīng)變測試結(jié)果

各個(gè)試件的荷載-應(yīng)變曲線見圖9.

由圖9可知：無接縫試件在對稱集中力加載作用下，板件波峰和波谷處的應(yīng)變在加載初期隨荷載的增加呈線性變化，隨著荷載水平的增加逐漸區(qū)域趨于平緩，在相同的荷載增量下產(chǎn)生了更大的變形；法蘭連接試件加載過程中與無接縫試件相似，區(qū)別在于斜率變化較小，同時(shí)試件加載至失去承載能力時(shí)應(yīng)變?nèi)匀惠^小，鋼板尚未屈服，這意味著構(gòu)件在波紋板主體屈服前已經(jīng)失去承載能力，因而采用類似參數(shù)的構(gòu)件其局部抗彎承載力與波紋板件屈服荷載關(guān)聯(lián)較??；方鋼管加強(qiáng)試件在加載至構(gòu)件屈服的過程中鋼板應(yīng)變更低，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是彎曲剛度較低的波紋鋼板件在與剛度較大的方鋼管協(xié)同變形過程中承擔(dān)了較小的內(nèi)力，因而鋼板上的應(yīng)力水平始終較低，結(jié)構(gòu)的整體抗彎強(qiáng)度主要由方鋼環(huán)梁的狀態(tài)控制.

圖9 試件荷載-應(yīng)變曲線

3 構(gòu)件承載能力分析與受力模型

3.1 波紋板件承載能力分析

由2.2節(jié)的測試結(jié)果可知，試驗(yàn)過程中構(gòu)件失去承載能力是一漸變過程，沒有明顯的屈服點(diǎn).考慮結(jié)構(gòu)在變形狀態(tài)下輸入的能量保持不變及實(shí)測曲線與擬合曲線包絡(luò)面積最小的原則，采用文獻(xiàn)[18]給出的雙直線方法確定各個(gè)試件局部的名義屈服點(diǎn)，見圖10.試件屈服荷載見表2.由圖10和表2可知，相比無接縫試件，采用方鋼管加強(qiáng)的試件有更大的名義屈服強(qiáng)度與更小的變形，而兩方鋼管加強(qiáng)試件的屈服點(diǎn)差別較小；法蘭盤厚度為5 mm的試件屈服位移略大于法蘭盤厚度為8 mm的試件，這反映了二者的名義剛度上的差別，法蘭盤厚較小的試件有較低的剛度，與試驗(yàn)預(yù)期較為符合.

圖10 雙直線法確定名義屈服點(diǎn)

表2 試件屈服荷載

應(yīng)變測試結(jié)果表明，法蘭連接構(gòu)件在結(jié)構(gòu)整體失去承載能力時(shí)，波紋板仍處在彈性階段，因而法蘭端板的屈服是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失去承載能力的直接因素.內(nèi)拼接波紋板件在荷載作用下產(chǎn)生的豎向變形由兩部分組成：①波紋板的彈性撓曲變形；②波紋板剛體轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的位移.對于試驗(yàn)中采用的簡支支承模式，依據(jù)歐拉梁理論，不考慮結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致的非線性影響，則無論板件是否帶有法蘭板，相同波形參數(shù)的波紋板件在同一荷載下將產(chǎn)生相同的內(nèi)力，因而波紋板的彈性撓曲變形可以通過無接縫板件的測試結(jié)果得到.通過無接縫板件確定不同荷載下波紋板件產(chǎn)生的變形量，推導(dǎo)得出連接節(jié)點(diǎn)處的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線，見圖11.采用與3.1節(jié)中相同的分析方法得到的名義屈服點(diǎn)見圖12.

圖11 試件彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

圖12 雙直線法確定法蘭連接試件名義屈服點(diǎn)

3.2 法蘭連接波紋板件受力模型

從連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造可知，法蘭連接板件的端板在加載過程中，螺栓將使法蘭板發(fā)生面外變形，同時(shí)端板上部將相互產(chǎn)生擠壓作用.此節(jié)點(diǎn)受力特性與H型鋼梁-柱連接節(jié)點(diǎn)外排螺栓受力形式較為一致，考慮到法蘭板厚度不同構(gòu)件的承載能力差別，此處參照H型鋼梁螺栓連接節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用屈服線方法對板件局部承載能力進(jìn)行預(yù)測.依據(jù)極限荷載計(jì)算的板件單位長度屈服線產(chǎn)生的彎矩Wp1為[19]

(1)

式中：tw為法蘭板厚度；fy為鋼材的屈服強(qiáng)度.

作為研究板件極限承載能力的一種可行方法，屈服線法計(jì)算的準(zhǔn)確性與計(jì)算過程中所定的屈服線模式與板件的破壞狀態(tài)有很大關(guān)系.文獻(xiàn)[20]對類似屈服線有效長度給出了確定方法，該確定方法所對應(yīng)的屈服線模型見圖13,圖中,a,b,d為幾何參數(shù).

圖13 屈服線模式

基于上述屈服線模式，確定板件屈服時(shí)該位置所受螺栓力，板件變形所耗散的能量Wi與外力輸入能量We分別為

(2)

We=Pδ

(3)

式中：P為螺栓力；δ與θ分別為板件圖示位置處虛位移與轉(zhuǎn)角.

引入幾何條件θ=δ/(r-d/2)，考慮到板件結(jié)構(gòu)存在三處相互分離的螺栓孔，依據(jù)虛功原理，可以得到板件破壞時(shí)螺栓力大小為

(4)

式中：Pu為屈服時(shí)螺栓力；r為板件幾何參數(shù);t為板厚.

帶有法蘭端板在板件結(jié)構(gòu)整體受彎狀態(tài)下通過螺栓保持其與相鄰板件的固定，考慮到波紋板近乎處于純彎曲狀態(tài)，在板件中性軸以上區(qū)域?qū)Ψㄌm端頭均存在壓力作用，取板件對法蘭端頭的分布壓力等效作用點(diǎn)為端頭反力作用點(diǎn)，端板受力簡圖見圖14.

圖14 法蘭端板受力簡圖

結(jié)構(gòu)抗彎承載能力為

Mu=PuH=

(5)

式中:H為抵抗力臂.

依據(jù)式(5)計(jì)算構(gòu)件抗彎承載力，試驗(yàn)抗彎承載力與理論計(jì)算結(jié)果對比見表3.

表3 試驗(yàn)屈服彎矩與理論計(jì)算結(jié)果對比

采用屈服線方法的計(jì)算誤差均小于10%，同時(shí)依據(jù)此方法得到屈服荷載的計(jì)算結(jié)果略大于試驗(yàn)結(jié)果，但遠(yuǎn)小于試驗(yàn)得到的極限荷載.事實(shí)上在試驗(yàn)過程中，板件產(chǎn)生變形導(dǎo)致其對螺栓上下緣接觸力的不均衡，螺栓對板件的荷載作用位置可能高于螺栓中心，這導(dǎo)致對于接縫位置的力偶矩估計(jì)過大，產(chǎn)生誤差.同時(shí)由計(jì)算結(jié)果與構(gòu)件破壞模式可知，板厚對于其承載能力的影響較為顯著.

螺栓的布置位置與布置方式將對構(gòu)件抗彎承載力產(chǎn)生影響，不同的螺栓布置方式將對構(gòu)件抗彎力臂的長度與屈服線模式產(chǎn)生影響，例如螺栓布置位置向下移動，則板件的抗彎力臂將增大而同時(shí)屈服線長度將減小，考慮到式(5)中r的二次項(xiàng)系數(shù)為負(fù)值，顯然在考慮螺栓端距的狀態(tài)下，螺栓中心與受壓區(qū)距離越遠(yuǎn)，則構(gòu)件局部承載能力越強(qiáng).此外，在考慮隧道凈空的情況下，法蘭板高度b越大，法蘭板局部承載能力越高，但這種改變可能導(dǎo)致構(gòu)件破壞模式向板件整體破壞轉(zhuǎn)化.不同螺栓數(shù)目與布置方式的連接需依據(jù)具體的布置方式對其屈服線模式與受力形態(tài)等因素重新考慮.

3.3 方鋼管加強(qiáng)構(gòu)件有限元分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知，采用方鋼管對內(nèi)拼接波紋板片加強(qiáng)后，結(jié)構(gòu)拼縫位置處由于拼縫的存在而對結(jié)構(gòu)整體剛度的折減效應(yīng)幾乎可以忽略不計(jì)，此種加強(qiáng)方式對于暗挖施工的內(nèi)拼接波紋鋼襯砌結(jié)構(gòu)具有較好的加強(qiáng)效果.然而值得注意的是，本試驗(yàn)加載過程中未考慮獲得構(gòu)件的整體變形行為，采用的控制條件為使波紋板與方鋼環(huán)梁上邊緣位移一致，以探究拼縫與方鋼管加強(qiáng)兩個(gè)因素共同作用下結(jié)構(gòu)的受力性能.

由試驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)際上板厚不同的法蘭連接板件在剛度和承載能力方面均表現(xiàn)出較大差異，而方鋼管加強(qiáng)試件并未產(chǎn)生相同的變化趨勢，可見在變形較小的狀態(tài)下，接縫的有無對于方鋼管加強(qiáng)試件的受力性能并未產(chǎn)生顯著影響.由于接頭截面不連續(xù),可能產(chǎn)生剛度上的差別.采用有限元方法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校核與進(jìn)一步分析.

模型由方鋼管加強(qiáng)構(gòu)件與波紋鋼板組成，選用實(shí)體三維8節(jié)點(diǎn)線性非協(xié)調(diào)單元，具有較好的計(jì)算精度與較高的計(jì)算效率，同時(shí)可以對板件之間的接觸作用進(jìn)行模擬；材料均為Q345鋼材，彈性模量、泊松比分別為206 GPa、0.3；鋼材的破壞符合Mises屈服準(zhǔn)則，不考慮靜水壓力對材料塑性發(fā)展的影響，采用直線-水平線本構(gòu)，屈服強(qiáng)度為345 MPa.將方鋼管與波紋板結(jié)構(gòu)側(cè)面綁定連接，不同板片之間采用彈簧進(jìn)行連接，不考慮螺栓孔尺寸，兩個(gè)方向的彈簧剛度分別依據(jù)螺栓的壓縮剛度與剪切剛度取為模量，在方鋼管底部設(shè)置符合試驗(yàn)工況的簡支約束；依據(jù)試驗(yàn)加載模式，在加載位置處通過施加位移邊界以控制荷載的施加.建立的方鋼管有限元模型見圖15.有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比見圖16.

圖15 方鋼管有限元模型

圖16 方鋼管加強(qiáng)構(gòu)件有限元與實(shí)測結(jié)果對比

由圖16可知，方鋼管加強(qiáng)構(gòu)件有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果擬合較好，在彈性區(qū)段二者數(shù)據(jù)近乎一致，在進(jìn)入塑性階段后計(jì)算結(jié)果偏大，但計(jì)算的最大誤差仍然在10%之內(nèi)，具有一定的可靠性，可用于進(jìn)一步分析.工程設(shè)計(jì)人員較為關(guān)心的是結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)的內(nèi)力，但同時(shí)要考慮在加載過程中方鋼管應(yīng)力水平較高而導(dǎo)致的局部剛度退化情況.彈性范圍波紋管與方鋼管的截面內(nèi)力和變形見圖17.

圖17 波紋板與方鋼管的截面內(nèi)力和變形(單位：Pa)

由圖17可知，在彈性狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)純彎區(qū)段內(nèi)波紋板與單肢方鋼管所承擔(dān)的彎矩之比為1∶1.54(圖17藍(lán)色箭頭為彎矩值)，同時(shí)方鋼管的應(yīng)力水平遠(yuǎn)高于波紋鋼，二者下緣最大拉應(yīng)力之比為1∶2.614，而上緣壓應(yīng)力基本一致，與預(yù)期相符.由于方鋼管具有較高的抗彎剛度，與波紋鋼結(jié)構(gòu)組合時(shí)的協(xié)同變形將導(dǎo)致方鋼管相對于波紋鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的內(nèi)力，因而具有較好的荷載分流效果，對于波紋鋼結(jié)構(gòu)與內(nèi)拼接法蘭節(jié)點(diǎn)均有較好加強(qiáng)效果.

4 結(jié)論

1)采用兩波長波紋鋼板件對不同連接方式的波紋鋼抗彎承載能力與剛度進(jìn)行分析，相對于無接縫試件，法蘭板厚度為8 mm的法蘭連接試件抗彎承載能力約為無接縫試件的25.5%.法蘭板厚對強(qiáng)度影響較大，法蘭板厚度為10 mm構(gòu)件的抗彎承載能力是法蘭板厚度為8 mm的1.63倍.

2)相對于無接縫試件，方鋼管加強(qiáng)法蘭連接試件抗彎承載能力約為無接縫試件的1.22倍，具有顯著的加強(qiáng)效果，同時(shí)加強(qiáng)試件的法蘭板厚對強(qiáng)度和剛度幾乎無影響；方鋼管與波紋鋼板片的協(xié)同變形使結(jié)構(gòu)的變形情況產(chǎn)生變化，同時(shí)使得法蘭連接節(jié)點(diǎn)影響減弱，具有較好的整體性.

3)屈服線方法適合用于評估法蘭連接波紋鋼板連接節(jié)點(diǎn)承載能力，采用此方法的驗(yàn)算結(jié)果誤差均在10%以內(nèi)，板厚與節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)均將對其承載能力產(chǎn)生影響.

4)采用有限元方法對于結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)加載工況下的內(nèi)力分配進(jìn)行研究，得到在純彎曲狀態(tài)下單肢方鋼管與波紋鋼板所分配的彎矩比為1.54∶1，在二者協(xié)同變形的過程中方鋼管承擔(dān)了更多荷載，因而有較為理想的加強(qiáng)效果.

實(shí)際上，本文僅對波紋鋼襯砌結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的受力性能進(jìn)行了研究.波紋鋼結(jié)構(gòu)是一種地下工程中常見的柔性結(jié)構(gòu)，對于襯砌結(jié)構(gòu)整體在圍巖壓力下的受力狀態(tài)與變形模式，及相關(guān)分片原則與內(nèi)力分配機(jī)制等問題仍需進(jìn)一步深入探討.