南京长江盾构隧道管片接头抗剪力学性能试验研究

南京长江盾构隧道管片接头抗剪力学性能试验研究

1管片衬砌结构抗剪性能校核分析结构有机隧道的填充结构是通过管道的相互连接起来的。该接头承担着弯曲、轴和弯曲力的作用，它们的力学形状对管道装饰结构的力学压力有重要影响。由此可见,在盾构隧道管片设计阶段应对接头的抗剪性能进行校核分析。本文以南京长江盾构隧道作为研究对象,通过对其环向管片接头进行原型抗剪加载试验,分析研究接头的抗剪能力和破坏特征,研究成果可为南京长江隧道管片接头的设计提供依据,并可为今后大型跨江海隧道管片接头的设计研究提供参考。2隧道主体结构南京长江隧道工程是连接南京浦口区与河西新城区的市内快速通道,是南京市主城区“井字加一环”快速路系统跨江成环的重要组成部分。越江工程总长5853m,其中盾构隧道全长约3930m。该隧道是目前国内水压力最大和直径最大的城市隧道。盾构隧道主体结构外径14.5m,内径13.3m,管片厚度600mm,幅宽2.0m,衬砌环分成10块,7B(标准块,38.57°)+2L(邻接块,38.57°)+F(封顶块,12.86°),每环环向布置30颗螺栓,即每纵缝3颗;纵向(环缝)布置42颗螺栓。螺栓均采用斜螺栓连接方式,环向螺栓采用M36型8.8级,纵向采用M30型8.8级。管片接头主要采用有传力面的接缝形式,即中间不加衬垫,混凝土直接接触,内外使用防水橡胶作止水条。南京长江隧道标准块间环向接缝构造如图1所示。3试验总结3.1拉伸方向和预压机强度试验试验共进行了3组:无螺栓剪切、有螺栓逆剪(顺斜螺栓压缩方向)和有螺栓顺剪(顺斜螺栓拉伸方向)。试验内容包括:测量不同荷载作用下的管片接缝相对错动量、管片接头混凝土及连接斜螺栓应力。根据其相关关系,研究管片接头的抗剪方式、抗剪刚度和破坏形式。3.2试验设备、设备和方法3.2.1接头断面的模拟及浇注为了使试件与原型管片具有相同的受力性质,达到与原型管片的相同误差范围,接头断面采用精密钢模制作,连接螺栓、衬垫材料以及手孔部位都要精确模拟,为了保证螺栓可精确连接两管片,在台阶上采用加长螺栓连接两管片同时进行浇注(图2)。3.2.2度液压稳压器及源南京长江隧道管片接头抗剪加载试验设计图如图3所示。试验装置见图4,装置主要由支撑系统(反力梁、拉杆)、液压加载系统及数据采集系统等构成。液压加载系统由1500kN的中空液压千斤顶、锚具、钢绞线、高精度液压稳压器和液压源等构成。轴力由2个1500kN千斤顶提供,能提供的最大轴力3000kN;剪力由1个1500kN千斤顶提供,施加在长管片的接头端,再用2个千斤顶固定在管片下端支座位置(图3),接头尽量靠近支座处,尽量减少接头处弯矩的产生。试验中轴力和剪力方向的作用力是通过使用尼龙棒以线荷载的方式施加到管片表面的。另外,由于管片和反力梁间的接触存在一定摩擦,不利于管片的自由变形,在管片端打磨整平后对拉梁间安放两层聚四氟乙烯板(其摩擦系数为0.03),并在两聚四氟乙烯板之间添加水或者航空耐磨液压油,进一步降低其摩擦系数,从而可相对较好地模拟其边界条件,使管片在剪力方向自由变形。3.3测试对象试验按照《混凝土结构试验方法标准》设计,需量测的项目主要有:管片垂直位移、接头附近表面混凝土应变、接头螺栓应变等。3.3.1管的垂直位移测量管片位移用于计算管片接头的相对错动量,试验时将位移计固定在接头的一侧以测量另一侧的相对位移。3.3.2胶基电阻式应变片接缝附近混凝土表面应变采用直接在混凝土表面贴长标距电阻应变片测量,应变片选用高精度、全密封、温度自补偿、蠕变自补偿、灵敏度系数为2.06~2.12的BHF系列BX120-80AA型号胶基电阻式应变片。测点主要布置在内弧面手孔周围和管片侧面接头两侧及外弧面接头两侧,以便重点研究接头附近的应变分布情况及其变化规律。3.3.3接头螺栓加工样品接头螺栓经过专门设计,对应管片接头位置开有环形凹槽,槽内贴应变片,测量导线由接头螺栓表面开有的小槽引出,接头螺栓加工样品见图5。4试件接头的确定由于本试验中管片幅宽是取实际幅宽的1/3进行的,理论上来说,实际管片刚度是试件刚度的3倍,则实际管片接头的轴力、弯矩值是试件接头的3倍。下面分析数据中的弯矩、轴力均是全幅宽管片接头的值,得出的所有结论也是就南京长江隧道原型管片接头而言的。管片接头的加载方案为:改变轴力N值,轴力由3000kN按每级1000kN增至8000kN,在不同的轴向荷载下,从0开始逐级施加竖向荷载直到管片接头位置出现一定量的相对错动。4.1螺栓逆剪分析根据试验数据,分别绘制了无螺栓剪切、有螺栓逆剪和有螺栓顺剪试验剪轴比(Q/N)与管片接缝相对错动量关系曲线。轴力为3543.96kN时,不断增加剪力的结果如图6所示。剪轴比中的剪力为有效剪力,即在施加的总剪力里扣除了管片另一端与反力梁之间(放两层聚四氟乙烯板,中间涂润滑油,摩擦系数为0.03)的摩阻力。图6a为无螺栓的情况,当剪轴比超过约0.5时,随着剪力的增大,接缝两侧相对错动量迅速增大,意味着此时剪力超过了两接触面间的静摩擦力,两接触面开始相对滑动。图6b为有螺栓逆剪情况,曲线在剪轴比超过约0.52时,随着剪力的增大,接缝两侧相对错动量迅速增大,即两接触面开始相对滑动,直到相对错动量为6.3mm,曲线出现了一段短暂的平台,这是螺栓与螺栓孔壁接触并协调受力的过程;当剪轴比超过0.64后,相对错动量突增。图6c为有螺栓顺剪情况,在剪轴比超过约0.57时,两接触面开始相对滑动,但错动量很小;当剪轴比超过0.7后,接缝相对错动迅速增大,并当剪力大小与轴力相等时,错动量与剪轴比曲线出现了明显的平台,此时接缝相对错动量为9~10mm,平台现象一直延续至剪轴比约为1.5;此后剪力继续增大,相对错动量增大更为迅速且不稳定,此时螺栓屈服,测得单颗斜螺栓的剪切屈服承载力约为536.81kN。对比图6c和图6b,逆剪出现的平台较短,是因为螺栓孔壁混凝土被压裂产生了位移,使得错动量增加,实际上螺栓才刚开始发生塑性变形。4.2螺栓剪应力的影响图7为有螺栓顺剪试验时连接螺栓凹槽处应变片所测得的螺栓剪应力与剪轴比关系曲线图,与图6c对比可以看出:接缝两侧相对错动量与连接螺栓凹槽处剪应力规律完全一致。当剪轴比小于0.7时,所测得凹槽处螺栓剪应力很小;当剪轴比超过0.7后,接缝相对错动迅速增大,螺栓剪应力也迅速增大,此时剪应力为140MPa,对应的螺栓剪力为33.51kN(凹槽处连接螺栓直径按32mm计算),并且此时已出现短暂的台阶现象;当剪轴比达到0.8后,台阶现象更加明显,此时剪应力为250MPa,对应的螺栓剪力为59.83kN(凹槽处连接螺栓直径按32mm计算),此现象一直延续至剪轴比为1.5左右。对比图6c发现当剪轴比超过1.5后,管片接缝相对错动量迅速增大,并且此时位移已经不稳定,竖向荷载主要由连接螺栓剪力和管片接缝滑动摩擦力承担,螺栓屈服,所测位置连接螺栓开始出现剪切破坏,所测得的剪应力接近2000MPa,对应螺栓剪力为478.67kN(凹槽处连接螺栓直径按32mm计算)。4.3螺栓孔口处压裂试验后将试块分开,发现螺栓在接缝位置出现明显的剪切屈服现象(图8),尽管在试验时接缝发生很大错动并且错动发展已经失稳,但螺栓并未断裂破坏;并且由于此时接缝两侧处于滑动状态,在有预埋套筒端螺栓孔位置由于受压应力集中,出现局部压裂。下面对斜螺栓的承载力进行验算:如图9所示,螺栓在管片接缝处的截面为一椭圆,其面积为:该截面的抗剪能力为:在螺栓未削弱处,r=18mm,算得Q将算得的Q当r=18mm、Q5计算有限差分校正5.1地基承载力模型南京长江隧道沿线经过的地质条件较为复杂,选取岸边埋深较浅处受力较不利断面作为计算断面。该处隧道埋深16.5m,上覆土层从上到下依次为:人工填土、粘土、淤泥质粉质粘土,隧道位于淤泥质粉质粘土和粉土中。运用Ansys有限元软件,采用梁-弹簧模型对管片结构进行力学计算。梁-弹簧力学模型见图10,模型中用曲梁单元模拟管片,用旋转弹簧和剪切弹簧模拟接头,用环向接头抗弯刚度K5.2缝的剪力及轴力值图11为有限元数值模拟得到的管片轴力和剪力图,图中对10个接缝进行了编号。表1为接缝处的剪力和轴力值。从表1可以看出,接缝面的剪力与轴力比值为0.009~0.195,明显小于接缝面的摩擦系数(0.5),管片不会发生相互错动,结构是稳定的。6螺栓抗剪破坏本文以南京长江盾构隧道管片接头作为研究对象,研究了管片接头的抗剪性能,得出了以下结论:(1)混凝土接触面静摩擦系数约为0.5~0.57,这与接触面的平整程度和湿润程度有关,对于由精制钢模预制的混凝土管片(并且考虑施工中混凝土表面不完全干燥),混凝土接触面摩擦系数应该稍小一些,所以可取0.5左右。(2)对于由斜螺栓连接的管片接头,两管片错动曲线存在平台段,这是错动发展过程中螺栓与螺栓孔壁接触并协调受力的过程,在这个过程中螺栓孔边缘混凝土很可能会局部压坏,并使接缝发生一定的错动量;在螺栓孔内套入PVC等管材,有利于减轻螺栓与混凝土接触时的应力集中,保护混凝土。(3)接缝在发生错动前和发生微小错动时,剪力主要有混凝土接触端面承担,螺栓长细比大,刚度(GA/l)小,承担的剪力小;当错动增大后螺栓和螺栓孔壁接触时,螺栓的变形有效长度大大缩短,刚度突增,承担混凝土滑动后的未能承担的剪力。因此,在设计时应不考虑螺栓的承剪能力。(4)从有螺栓顺剪试验数据看,单颗斜螺栓的剪切屈服承载力约为536.81kN。根据材料力学原理螺栓斜截面的抗剪能力为490.21~620.42kN(M36型8.8级,发生在削弱槽附近,直径为32~36mm),实测值在理论值之内。(5)不论是顺剪还是逆剪,接缝抗剪破坏形式以斜螺栓的剪切破坏为主,并且破