鄧啟華，林 志，范國(guó)宇

(1.中鐵二十二局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400700；2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引言

我國(guó)交通隧道建設(shè)已有近100年歷史，截至2019年底，我國(guó)公路隧道數(shù)量為19 067座，同比增長(zhǎng)7.5%，隧道總長(zhǎng)度達(dá)到1 896.66萬(wàn)m，同比增長(zhǎng)10%?？梢哉f(shuō)，中國(guó)已成為名副其實(shí)的隧道及地下工程大國(guó)。然而，隧道及地下結(jié)構(gòu)作為一個(gè)復(fù)雜的體系，公路隧道建成后隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)以及外部環(huán)境的改變，隧道的結(jié)構(gòu)性能不斷惡化，不同程度的隧道病害在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中逐漸顯露，如襯砌開(kāi)裂、剝落掉塊、滲漏水、結(jié)構(gòu)整體大變形等。這些病害惡化了隧道服役性能，降低了隧道結(jié)構(gòu)的安全可靠度和穩(wěn)定性，威脅行車安全。近年來(lái)，對(duì)已建隧道的病害及相應(yīng)整治措施的研究已引起國(guó)內(nèi)外研究人員的普遍重視。

對(duì)于以上隧道病害，研究人員先后提出了噴混凝土[1-3]、粘貼鋼板[4-7]等方法。噴混凝土作為隧道及地下工程建筑支護(hù)結(jié)構(gòu)中的主要材料，存在脆性大、抗彎拉強(qiáng)度低等缺陷，因此在地質(zhì)條件較差的地段，為改善噴混凝土的性能，使其取得良好的支護(hù)效果，不得不借助設(shè)置鋼筋網(wǎng)等手段。然而鋼筋網(wǎng)的施工工藝復(fù)雜，施作時(shí)間較長(zhǎng)，往往不能及時(shí)形成支護(hù)。同時(shí)，對(duì)施工期間的通行車輛造成了影響。再者，通過(guò)粘鋼加固后襯砌結(jié)構(gòu)破壞的直接原因是鋼板與既有襯砌之間環(huán)氧樹(shù)脂失效，呈現(xiàn)明顯的脆性特征，對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)期間的安全性能造成很大影響。同時(shí)，粘鋼加固大大提高了隧道服役期間的維修成本。隧道裂損嚴(yán)重時(shí)，常采用套拱加固，使用鋼拱架和噴射混凝土結(jié)合的工程比較常見(jiàn)。但它們的剛度差異較大，結(jié)構(gòu)受力不合理，施工工期較長(zhǎng)。因此本文提出采用隧道預(yù)制裝配式套拱，快速對(duì)隧道襯砌進(jìn)行加固，降低對(duì)交通的影響。

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)裝配式接頭已有許多研究。賈永剛[8]對(duì)鐵路隧道裝配式襯砌接頭力學(xué)模型和受力特性進(jìn)行研究，建立4種力學(xué)模型對(duì)裝配式襯砌接頭進(jìn)行研究。嚴(yán)佳梁[9]對(duì)盾構(gòu)隧道接頭在不同力組合作用下的變形過(guò)程進(jìn)行了研究，得到了接頭剛度隨荷載變化的規(guī)律。張勝龍[10]通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)鐵路隧道裝配式襯砌的平接頭和榫槽式接頭進(jìn)行了研究，分析了兩種接頭在不同情況下的受力性能。日本的奈良縣、群馬縣等地采用預(yù)制裝配式構(gòu)件進(jìn)行隧道修筑，采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)等方法驗(yàn)證了預(yù)制構(gòu)件結(jié)構(gòu)的合理性和力學(xué)的安全可靠性[11-13]。

研究人員對(duì)裝配式襯砌接頭有一定的研究，在此基礎(chǔ)上，本文采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)兩種方法，研究在不同偏心距和不同螺栓預(yù)緊力工況下，平接頭的張開(kāi)量、撓度、接觸面應(yīng)力和螺栓拉力等變化規(guī)律，驗(yàn)證了接頭的可靠性，也為隧道加固提供了一種新思路。

1 裝配式套拱結(jié)構(gòu)及接頭形式

1.1 裝配式套拱結(jié)構(gòu)

套拱根據(jù)是否設(shè)置防水板可以分為疊合式套拱和復(fù)合式套拱兩類。其中，復(fù)合式套拱有兩大特點(diǎn)：①能提高結(jié)構(gòu)的承載能力；②能改善隧道的防排水系統(tǒng)。病害隧道需要考慮防排水問(wèn)題，本文的預(yù)制裝配式套拱為復(fù)合式套拱結(jié)構(gòu)，綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性和成本、機(jī)械運(yùn)輸、拼裝能力，裝配式套拱結(jié)構(gòu)包括預(yù)制襯砌塊和混凝土臺(tái)座。預(yù)制襯砌塊為圓弧形片體，可拼裝成橫截面為半圓形的拱形結(jié)構(gòu)?；炷僚_(tái)座設(shè)置于拱形結(jié)構(gòu)的下端，和設(shè)于拱形結(jié)構(gòu)兩端的預(yù)制襯砌塊環(huán)向端部插接固定。裝配式套拱幅寬2m，厚度取0.2m。兩車道采用2分塊+2個(gè)混凝土臺(tái)座方案，三車道采用3分塊+2個(gè)混凝土臺(tái)座方案，如圖1，2所示。

圖1 2分塊+2個(gè)混凝土臺(tái)座方案

圖2 3分塊+2個(gè)混凝土臺(tái)座方案

1.2 裝配式套拱接頭形式

接頭部分是整個(gè)結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，接頭形式很大程度上決定了襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力及變形特性。接頭形式主要有全面對(duì)接式、部分表面對(duì)接式、榫式、臺(tái)階式和凹凸式等。本文中裝配式套拱采用的接頭形式有平接頭和搭接式接頭，如圖3，4所示。接頭連接件采用螺栓，如表1所示。

表1 裝配式套拱接頭組合及其連接方式

圖3 平接頭示意

圖4 搭接式接頭

2 裝配式套拱接頭力學(xué)性能研究

2.1 有限元模擬計(jì)算

2.1.1模型假設(shè)

1)接頭部位的變形是由螺栓和混凝土形變所引起的，忽略接頭止水條、密封墊等對(duì)接頭的作用。由于此類密封材料一般只承受較小的壓力，對(duì)接頭剛度的影響可忽略，接頭剛度主要由混凝土與螺栓共同作用來(lái)確定。

2)將管片混凝土材料視為均質(zhì)單一材料，忽略內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)。

3)通過(guò)設(shè)置接觸面來(lái)考慮螺栓與螺栓孔間的相互作用。

4)實(shí)際工程中為了防水需要，設(shè)置有彈性密封墊，本文不考慮接頭處密封墊的影響[14]。

2.1.2模型建立

裝配式套拱接頭模型管片外弧面半徑為5.55m，內(nèi)弧面半徑為5.35m,寬度為2m，管片之間由2根彎螺栓連接。實(shí)際工程中，為避免接頭處漏水及防止管片接頭端面直接壓碎，在接縫中設(shè)置橡膠襯墊。本文中不考慮襯墊對(duì)接頭的作用，裝配式套拱接頭構(gòu)造如圖5所示，加載如圖6所示。

圖5 套拱接頭構(gòu)造

圖6 加載示意

本計(jì)算模型中包含有管片和螺栓等部件，以上部件均采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分形式的實(shí)體單元(C3D8R)。根據(jù)文獻(xiàn)研究[15]，混凝土單元尺寸宜為粗骨料尺寸的3～5倍，因此計(jì)算模型中管片的網(wǎng)格布尺寸設(shè)為60mm，螺栓的網(wǎng)格布種尺寸設(shè)為10mm。預(yù)制套拱選用0.2m×2m截面尺寸，螺栓型號(hào)為M24，螺栓螺母裝配如圖7，8所示。材料的力學(xué)參數(shù)及強(qiáng)度參數(shù)如表2，3所示。

圖7 拼裝示意

圖8 螺栓示意

表2 材料的主要物理力學(xué)參數(shù)

表3 材料強(qiáng)度參數(shù)

2.1.3材料本構(gòu)關(guān)系

1)混凝土本構(gòu)關(guān)系

本文數(shù)值模型凝土本構(gòu)參考GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》定義混凝土單軸拉壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(見(jiàn)圖9，10)。

2)螺栓本構(gòu)關(guān)系

接頭連接使用的是高強(qiáng)螺栓，被認(rèn)為是一種理想的彈塑性材料，其沒(méi)有明顯的屈服平臺(tái)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將螺栓的本構(gòu)關(guān)系采用彈性強(qiáng)化的雙折線模型(見(jiàn)圖11)。

圖11 8級(jí)螺栓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.1.4接觸關(guān)系模擬

1)混凝土之間的接觸面，在荷載作用下裝配式套拱接頭會(huì)張開(kāi)，重點(diǎn)分析其張開(kāi)變形。設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)接觸，接觸面法向行為設(shè)置為硬接觸。假設(shè)兩個(gè)面的受壓剛度為無(wú)窮大，有效阻止兩個(gè)面受壓嵌入，并在受拉時(shí)可以分開(kāi)。接觸面的切向行為設(shè)置罰函數(shù)法，摩擦系數(shù)取0.5。

2)混凝土與螺栓的接觸面設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)接觸。接觸面法向行為設(shè)置為硬接觸。接觸面的切向行為用罰函數(shù)法模擬，摩擦系數(shù)取0.3。

3)螺栓與螺母接觸，接觸面采用綁定約束，其作用是使用主-從公式定義基于表面的約束，防止接觸面相對(duì)滑移或分離。

2.1.5模擬計(jì)算工況

本節(jié)為了研究接頭的張開(kāi)量、接觸面應(yīng)力和螺栓應(yīng)力等的變化，采用等偏心距加載方式進(jìn)行模擬。根據(jù)文獻(xiàn)[16-18]，偏心距選取0.1，0.2，0.3m，螺栓預(yù)緊力為20kN，模擬加載工況如表4所示。加載過(guò)程：水平荷載N每級(jí)增加50kN，與此同時(shí)施加豎向荷載，當(dāng)水平荷載加載至700kN時(shí)，加載結(jié)束。通過(guò)在相同偏心距下，施加螺栓預(yù)緊力分析其對(duì)接頭的影響。以偏心距為0.2m為例，施加預(yù)緊力分別為20，40kN和60kN 3個(gè)等級(jí)。

表4 模擬加載工況

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1接頭張開(kāi)量

接頭張開(kāi)量與接頭轉(zhuǎn)角是接頭部位力學(xué)性能優(yōu)劣的宏觀體現(xiàn)，反映接頭抵抗彎矩的能力。接縫相對(duì)位移是指接縫兩側(cè)管片之間的相對(duì)張開(kāi)或閉合。

不同偏心距工況下，接頭張開(kāi)量與水平軸力之間的關(guān)系如圖12所示。由圖12可知，正偏心距與負(fù)偏心距對(duì)接頭的影響趨勢(shì)相似，偏心距為0.3m，張開(kāi)量最大為3.6mm，偏心距為-0.3m時(shí)，張開(kāi)量最大為1.5mm。當(dāng)水平軸力相同時(shí)，接頭張開(kāi)量隨偏心距的增大而增大，其變化速率也增大。隨著偏心距增加，接頭張開(kāi)到一定程度，截面受壓狀態(tài)改變，張開(kāi)角和張開(kāi)量將隨偏心距增加而迅速增加。當(dāng)偏心距相同，水平軸力較小時(shí)，接頭張開(kāi)量呈非線性變化，隨著水平軸力增大，接頭張開(kāi)量呈線性變化。由于螺栓處于彈性狀態(tài)，其變形為線性變化，接頭張開(kāi)量主要由螺栓伸長(zhǎng)產(chǎn)生，從而使得接頭張開(kāi)量與水平軸力基本上呈線性關(guān)系。

圖12 張開(kāi)量與水平軸力的關(guān)系曲線

2.2.2接頭撓度

正偏心距工況下，接頭撓度與水平軸力之間的關(guān)系如圖13所示。當(dāng)水平軸力相同時(shí)，接頭撓度隨偏心距的增大而增大，其變化速率也增大。當(dāng)偏心距相同、水平軸力較小時(shí)，接頭撓度呈非線性變化，隨著水平軸力增大，接頭撓度呈線性變化。偏心距為0.3m時(shí)，接頭撓度最大為26.6mm。偏心距為0.1m時(shí)，接頭撓度最大為22.9mm。

圖13 接頭撓度與水平軸力關(guān)系曲線

2.2.3接頭接觸面應(yīng)力

接頭在偏心距為+0.2m時(shí)，接頭接觸面應(yīng)力分布情況如圖14，15所示。可以看出，接頭外側(cè)應(yīng)力最大，內(nèi)側(cè)應(yīng)力最小。在正偏心距作用下，接頭內(nèi)側(cè)接觸面張開(kāi)而接頭外側(cè)的局部受壓，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力在螺栓孔處有明顯波動(dòng)，這是由于螺栓孔對(duì)接頭受力有影響，但其影響相對(duì)較小。螺栓孔處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，會(huì)首先產(chǎn)生破壞。螺栓孔處應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，增強(qiáng)螺栓孔處的強(qiáng)度，從而提高接頭的抗彎性能。

圖14 偏心距+0.2m作用下接頭接觸面應(yīng)力

圖15 偏心距+0.2m作用下接頭應(yīng)力分布關(guān)系

2.2.4螺栓應(yīng)力

圖16為正負(fù)偏心距作用下，螺栓拉力隨水平軸力變化曲線，從圖中可以看出，正偏心距作用下，當(dāng)偏心距相同時(shí)，隨著水平軸力的增大，螺栓拉力呈線性增長(zhǎng)。當(dāng)水平軸力相同時(shí)，偏心距越大，螺栓拉力就越大，螺栓拉力增長(zhǎng)越快。負(fù)偏心距作用下，偏心距為-0.1m時(shí)螺栓應(yīng)力變化與正偏心距作用下一致，而偏心距為-0.2m和-0.3m時(shí)，螺栓應(yīng)力幾乎沒(méi)變化。接頭模擬過(guò)程中，螺栓拉力最大值為266.6kN，未達(dá)到螺栓屈服拉力289.5kN，接頭螺栓處于彈性工作狀態(tài)，但是接近屈服。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮對(duì)接頭螺栓進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖16 螺栓拉力隨水平軸力變化曲線

2.2.5螺栓預(yù)緊應(yīng)力對(duì)接頭的影響

在偏心距+0.2m作用下，模擬研究在接頭施加螺栓預(yù)緊力20，40kN和60kN情況下，接頭張開(kāi)量和撓度的變化如圖17，18所示。從圖可知接頭張開(kāi)量和撓度隨螺栓預(yù)緊力的變化規(guī)律。在相同條件下，接頭張開(kāi)量和撓度隨螺栓預(yù)緊力增大而減小，這說(shuō)明螺栓預(yù)緊力對(duì)接頭的轉(zhuǎn)動(dòng)有一定的影響。

圖18 螺栓預(yù)緊力對(duì)撓度的影響

3 裝配式套拱接頭模型試驗(yàn)

3.1 相似理論

3.2 試件設(shè)計(jì)及加載設(shè)備

隧道套拱接頭荷載試驗(yàn)，管片外弧面半徑為5.55m,內(nèi)弧面半徑為5.35m，寬度為2m。由于全尺寸試驗(yàn)規(guī)模過(guò)于龐大、費(fèi)用昂貴，結(jié)合實(shí)際條件，本試驗(yàn)構(gòu)件按照1∶4縮尺制作，通過(guò)特制的加載裝置對(duì)裝配式套拱接頭施加荷載，受力如圖19所示。試驗(yàn)加載設(shè)備由反力架、2個(gè)1 000kN千斤頂、分配梁、支座(試件左端支座為固定鉸支座，試件右端支座為可動(dòng)鉸支座)等組成。

圖19 接頭受力示意

3.3 試驗(yàn)加載方案

本試驗(yàn)采用等偏心距加載方式，偏心距e=M/N,偏心距選取0.1，0.15，0.2m。正式加載前先施加5kN水平荷載使試件與兩端的支座完全接觸，加載等級(jí)如表5所示。

表5 接頭試驗(yàn)套加載等級(jí)

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照相似條件，將模型試驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)推演出原型的相關(guān)物理量，并與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析在加載過(guò)程中，接頭處混凝土表面應(yīng)變、接縫張開(kāi)量(角)和接頭撓度的變化情況。

3.4.1接縫張開(kāi)量(角)變化

接頭張開(kāi)量與水平軸力的關(guān)系曲線如圖20所示，由圖可以看出接頭張開(kāi)量與水平軸力大致呈線性關(guān)系，接頭張開(kāi)量隨水平軸力的增大而增大。試驗(yàn)最大張開(kāi)量為2.7mm，模擬最大張開(kāi)量為3.2mm，誤差為15.6%。

圖20 接頭張開(kāi)量與水平軸力的關(guān)系曲線

3.4.2接頭撓度

接頭撓度與水平軸力的關(guān)系曲線如圖21所示，由圖可以看出接頭撓度與水平軸力大致呈線性關(guān)系，接頭張開(kāi)量隨水平軸力的增加增大。試驗(yàn)最大撓度為23.4mm，模擬最大撓度為23.5mm，誤差為0.4%，接頭撓度的實(shí)驗(yàn)值與模擬值基本相符。

圖21 接頭撓度與水平軸力的關(guān)系曲線

4 結(jié)語(yǔ)

1)不同偏心距工況下，當(dāng)水平軸力相同時(shí)，接頭張開(kāi)量和撓度隨偏心距的增大而增大，其變化速率也增大。當(dāng)偏心距相同時(shí)，水平軸力較小時(shí)，接頭張開(kāi)量和撓度呈非線性變化，隨著水平軸力增大，接頭張開(kāi)量和撓度呈線性變化。

2)在偏心距+0.2m作用下，接頭處接觸面應(yīng)力，接頭外側(cè)應(yīng)力最大，內(nèi)側(cè)應(yīng)力最小。應(yīng)力在螺栓孔處有明顯波動(dòng)，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易產(chǎn)生破壞。

3)在偏心距+0.2m作用下，接頭張開(kāi)量和撓度隨螺栓預(yù)緊力增大而減小，預(yù)緊力會(huì)提高接頭的抗彎性能。

4)對(duì)比模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，接頭張開(kāi)量和撓度與水平軸力變化大致呈線性關(guān)系，模擬結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果偏大，整體趨勢(shì)相符。

5)針對(duì)裝配式接頭做了縮尺模型試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證。由于試驗(yàn)本身因試件制作、加載、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等原因?qū)е略囼?yàn)數(shù)據(jù)存在誤差，再由模型試驗(yàn)推演到足尺模型，會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況有很大差異，因此還需要做足尺試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。