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1、地铁管片环向接头弯曲刚度试验研究摘 要:对某城市地铁管片环向接头的弯曲变形特性进行了试验研究。加载采用两套设备,一套用来施加环向荷载,另一套用来施加弯矩。加载方法是先施加环向荷载到750ｋＮ,然后维持环向压力不变,施加弯矩。分别得到了在正弯矩作用下和负弯矩作用下管片接头处的弯矩-相对转角关系曲线。每条曲线大体上分为两个部分,分别对应于环向接触面在张开前的变形过程和张开后的变形过程。 关键词:管片 环向接头 弯曲刚度1试验目的与工程背景盾构法是国内外较普遍采用的地铁施工方法[1,2]。采用这种工法施工时,通常用以管片为构件组成的永久结构来实现对开挖隧
2、道的支护[3,4]。这类隧道在受力计算时需要知道管片的纵向压缩刚度、环向压缩刚度、环向弯曲刚度和环向接头处的弯曲刚度。其中的环向接头处的弯曲刚度的测量最为复杂,目前国内外普遍采用偏心加载方法。偏心加载方法的优点是使用的设备少,但它忽略了环向应力和弯矩组合在一起的变化过程对变形特性的影响。本文的目的是针对某城市地铁工程的背景,考虑弯矩、压力组合后荷载变化过程的影响,研究工程中使用的管片环向接头的变形特性。该地铁线路采用盾构法施工。隧道的开挖断面是圆形的,其支护结构的断面也是圆形的,内径为5400ｍｍ,外径为6000ｍｍ,由管片组成。直线路段的支护结构中
3、每环使用的管片有Ａ型、Ｂ型、Ｃ型三种,下面的研究对象只限于环向接触面与管片子午线平行的Ａ型管片接头。管片在环向接头处主要受环向压力作用,当支护结构的四周土压力不相等时也会受弯矩作用。接头处的剪力一般很小,可以忽略。环向视角看到的管片端部表面上有高台,当管片在隧道中安装好之后高台平面是相邻管片的接触面。高台平面的几何形心基本上与管片整个断面的几何形心重合,因此,当安装在隧道中的整环管片受到均匀的径向压力作用时,管片中几乎没有弯矩产生。管片在隧道内安装完之后首先受到注浆压力的作用,如果忽略管片的自重,注浆压力作用下管片以环向为法线方向的端面上只有环向压力
4、,几乎没有弯矩。在该地铁工程中,注浆引起每环管片的环向压力约为900～1080ｋＮ。浆液凝固后,由于周围土体出现松弛,管片的环向压力会在短期内变小。之后,由于竖向土压力与横向土压力通常不等,管片受力还会进一步变化,在这个过程中,管片上可能出现弯矩。当变形和受力趋于稳定后,管片的环向压力约在700～800ｋＮ。我们近似地认为,管片的受力沿着图1中的曲线ＯＡ-ＡＢ变化。2试验方法2.1试件制作试验选用的Ａ型管分为粗筋和细筋的两种,前者的环向受力钢筋和子午线方向的主要受力钢筋均为直径是20ｍｍ的Ⅱ3级钢筋,后者的这两类钢筋均为直径是18ｍｍ的Ⅱ级钢筋。由于
5、工程中直接使用的管片不适于用来进行接头弯曲试验,需要特殊制作试件。试件的外形尺寸如图2。它相当于把原管片缩短后又附加上了一个牛腿。试验用的试件由两个如图2所示的小试件组装而成(见图3ａ),小试件之间直接采用工程中使用的方法进行连接,即在接头处用两个圆弧形螺栓连接。短管片的配筋与工程中使用的Ａ型管片完全相同,只是沿环向的长度为短管片的环向长度减去两个保护层厚度。牛腿上也有配筋,并与短管片的配筋连接在一起。牛腿与短管片一次浇筑而成,使用的模具就是五号线工程中制作管片使用的模具,只是在上面添加了附加模板。浇筑过程中,图2中ＢＣ、ＣＤ和ＤＥ表面与原模具接触,
6、ＥＦ、ＦＧ、ＧＨ、ＨＡ和ＡＢ表面与附加模板接触。显然,ＢＣＤＥ部分与工程中用的管片对应部分相同。另外,由于ＤＥ的长度约为1.7倍的ＣＤ的长度,因此,附加牛腿对管片形状的改变基本上不会影响管片端部接触面附近的应力场。管片混凝土的设计强度等级为Ｃ50,试验时龄期为40～70ｄ。2.2加载装置和受力图人们习惯上约定,引起管片内侧拉应变增加、外侧压应变增加的弯矩为正弯矩,反之为负弯矩。为了在接头处施加正、负弯矩,试验采用了两种加载方法。施加负弯矩的方法见图3ａ、图3ｂ,竖向荷载作用线ＭＮ处在接触面几何形心Ｂ点的外侧,偏心距为ｅ。竖向荷载在接头处产生的弯矩与水
7、平荷载产生的弯矩方向相反。施加正弯矩的方法见图3ｃ,竖向荷载作用线处在接触面几何形心的内侧。同样,竖向荷载和水平荷载产生的弯矩方向也是相反的。以施加负弯矩的试验为例说明加载装置。如图3ａ,试件下端用两个固定在试件上的铰承担竖向荷载,试件上端的荷载是两个同步油缸分别通过两个铰作用到试件上。试件上端左侧面由两个铰共同承担水平荷载,试件下端左侧面由一个铰来承担水平荷载。试件中部右侧面的两个水平荷载在作用到试件之前要分别通过两个铰,在作用到试件上之后变成分布荷载,水平分部宽度约为75ｃｍ,竖向分部宽度为10ｃｍ。2.3位移测点布置竖向相对位移的测点布置见图4
8、,在Ａ1与Ａ2、Ｂ1与Ｂ2、Ｃ1与Ｃ2、Ｄ1与Ｄ2、Ｅ1与Ｅ2、Ｆ1与Ｆ2、Ｇ1与Ｇ2和Ｈ1与Ｈ2之间测量相
