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。

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,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Ⅱ级钢筋,后者的这两类钢筋均为直径是18mm的Ⅱ级钢筋。由于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,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,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之间测量相对位移。通过测取这些位移可以得到管片接头处不同位置上的相对转角,见表1。此外,还对附加偏心距进行测量。

试验过程如下:

1)把安装有铰的上下试件组装在一起,对正后拧紧两个连接螺栓。

2)把组装好的一套试件(上下两个小试件)吊装到加载架下,并与上端的两个和侧面的两个加载压头对正。

3)拧紧连接上下试件的两个螺栓,使预紧力达到72kN。

4)预压竖向荷载到80～100kN,打开加载油缸的回油阀,让竖向荷载基本回零。

5)采集系统初始化。

6)开始正式的加载试验(表2)。加载分为两步:a.用试件上端的两个同步油缸施加竖向荷载,到两个油缸的合力达到750kN时停止。这一过程中施加水平荷载的两个油缸也在进行调整,以保证施加竖向荷载的过程中试件在接触面附近的相对转角不大于0.001rad。b.维持竖向荷载不变,施加水平荷载,直到试件的相对转角达到0.008rad。

3 管片接头弯曲变形特性试验结果

图5、图6分别为正、负弯矩作用下环向压力为750kN时管片接头处的弯矩-转角关系曲线,它们可直接用来对地铁工程中的接头转角进行计算。由于环向钢筋的面积占管片整个断面积的比例很小,在混凝土开裂前两种管片的刚度相差很小,试验中区分不出来。所以在研究接头弯曲刚度时把它们视为同样的管片。

如图5,当水平推力方向向内时(正弯矩),曲线近似地分为AB和BC两段。在弯曲过程中当两个管片的接触面(即高台平面)的四周任何一边都没有张开时,相应的过程与AB段对应。当接触面靠管片内侧的部分张开后,相应的过程与BC段对应。

如图6,当水平推力方向向外时(负弯矩),曲线特点与水平推力向内(正弯矩)时的弯曲过程相似,弯矩-转角关系曲线也分为AB和BC两段。当加载过程处在AB段时两个管片的高台表面四周相互接触,当处在BC段时高台表面在靠近管片外侧的部分互相分离。

4 结 论

1)无论受到作用的弯矩为正还是为负,管片接头的变形过程都分为AB、BC两个阶段,当管片的相对转动没有使环向接触面张开时,变形过程与AB段对应,当使接触面张开时变形过程与BC段对应。总体上,正弯矩作用下变形过程的两个阶段的区分比较明显,负弯矩作用下两个阶段的区分模糊一些。

2)由于模具误差的影响,不同管片端部的高台表面的几何特征有所不同,因此彼此接触时表现出的力学特征会有所不同,所以接头的弯矩-转角曲线有10%～60%的波动。