地鐵管片環(huán)向接頭彎曲剛度試驗研究_工程管理

1、地鐵管片環(huán)向接頭彎曲剛度試驗研究對某城市地鐵管片環(huán)向接頭的彎曲變形特性進行了試驗討論。加載采納兩套設備,一套用來施加環(huán)向荷載,另一套用來施加彎矩。加載方法是先施加環(huán)向荷載到750kN,然后維持環(huán)向壓力不變,施加彎矩。分別得到了在正彎矩作用下和負彎矩作用下管片接頭處的彎矩-相對轉(zhuǎn)角關系曲線。每條曲線大體上分為兩個部分,分別對應于環(huán)向接觸面在張開前的變形過程和張開后的變形過程。1 試驗目的與工程背景盾構法是國內(nèi)外較普遍采納的地鐵施工方法。采納這種工法施工時,通常用以管片為構件組成的永久結構來實現(xiàn)對開挖隧道的支護。這類隧道在受力計算時需要知道管片的縱向壓縮剛度、環(huán)向壓縮剛度、環(huán)向彎曲剛度和環(huán)向接頭處

2、的彎曲剛度。其中的環(huán)向接頭處的彎曲剛度的測量最為簡單,目前國內(nèi)外普遍采納偏心加載方法。偏心加載方法的優(yōu)點是使用的設備少,但它忽視了環(huán)向應力和彎矩組合在一起的變化過程對變形特性的影響。本文的目的是針對某城市地鐵工程的背景,考慮彎矩、壓力組合后荷載變化過程的影響,討論工程中使用的管片環(huán)向接頭的變形特性。該地鐵線路采納盾構法施工。隧道的開挖斷面是圓形的,其支護結構的斷面也是圓形的,內(nèi)徑為5400mm,外徑為6000mm,由管片組成。直線路段的支護結構中每環(huán)使用的管片有A型、B型、C型三種,下面的討論對象只限于環(huán)向接觸面與管片子午線平行的A型管片接頭。管片在環(huán)向接頭處主要受環(huán)向壓力作用,當支護結構的四

3、周土壓力不相等時也會受彎矩作用。接頭處的剪力一般很小,可以忽視。環(huán)向視角看到的管片端部表面上有高臺,當管片在隧道中安裝好之后高臺平面是相鄰管片的接觸面。高臺平面的幾何形心基本上與管片整個斷面的幾何形心重合,因此,當安裝在隧道中的整環(huán)管片受到勻稱的徑向壓力作用時,管片中幾乎沒有彎矩產(chǎn)生。管片在隧道內(nèi)安裝完之后首先受到注漿壓力的作用,假如忽視管片的自重,注漿壓力作用下管片以環(huán)向為法線方向的端面上只有環(huán)向壓力,幾乎沒有彎矩。在該地鐵工程中,注漿引起每環(huán)管片的環(huán)向壓力約為9001080kN。漿液凝固后,由于四周土體消失松弛,管片的環(huán)向壓力會在短期內(nèi)變小。之后,由于豎向土壓力與橫向土壓力通常不等,管片受

4、力還會進一步變化,在這個過程中,管片上可能消失彎矩。當變形和受力趨于穩(wěn)定后,管片的環(huán)向壓力約在700800kN。我們近似地認為,管片的受力沿著圖1中的曲線OA-AB變化。 <CENTER</CENTER2 試驗方法2.1 試件制作試驗選用的A型管分為粗筋和細筋的兩種,前者的環(huán)向受力鋼筋和子午線方向的主要受力鋼筋均為直徑是20mm的級鋼筋,后者的這兩類鋼筋均為直徑是18mm的級鋼筋。由于工程中直接使用的管片不適于用來進行接頭彎曲試驗,需要特別制作試件。試件的形狀尺寸如圖2。它相當于把原管片縮短后又附加上了一個牛腿。試驗用的試件由兩個如圖2所示的小試件組裝而成(見圖3a),小試件之間直

5、接采納工程中使用的方法進行連接,即在接頭處用兩個圓弧形螺栓連接。 <CENTER</CENTER短管片的配筋與工程中使用的A型管片完全相同,只是沿環(huán)向的長度為短管片的環(huán)向長度減去兩個愛護層厚度。牛腿上也有配筋,并與短管片的配筋連接在一起。牛腿與短管片一次澆筑而成,使用的模具就是五號線工程中制作管片使用的模具,只是在上面添加了附加模板。澆筑過程中,圖2中BC、CD和DE表面與原模具接觸,EF、FG、GH、HA和AB表面與附加模板接觸。明顯,BCDE部分與工程中用的管片對應部分相同。另外,由于DE的長度約為1.7倍的CD的長度,因此,附加牛腿對管片外形的轉(zhuǎn)變基本上不會影響管片端部接觸面

6、四周的應力場。管片混凝土的設計強度等級為C50,試驗時齡期為4070d。2.2 加載裝置和受力圖人們習慣上商定,引起管片內(nèi)側拉應變增加、外側壓應變增加的彎矩為正彎矩,反之 為負彎矩。為了在接頭處施加正、負彎矩,試驗采納了兩種加載方法。施加負彎矩的方法見圖3a、圖3b,豎向荷載作用線MN處在接觸面幾何形心B點的外側,偏心距為e。豎向荷載在接頭處產(chǎn)生的彎矩與水平荷載產(chǎn)生的彎矩方向相反。施加正彎矩的方法見圖3c,豎向荷載作用線處在接觸面幾何形心的內(nèi)側。同樣,豎向荷載和水平荷載產(chǎn)生的彎矩方向也是相反的。 <CENTER</CENTER以施加負彎矩的試驗為例說明加載裝置。如圖3a,試件下端用

7、兩個固定在試件上的鉸擔當豎向荷載,試件上端的荷載是兩個同步油缸分別通過兩個鉸作用到試件上。試件上端左側面由兩個鉸共同擔當水平荷載,試件下端左側面由一個鉸來擔當水平荷載。試件中部右側面的兩個水平荷載在作用到試件之前要分別通過兩個鉸,在作用到試件上之后變成分布荷載,水平分部寬度約為75cm,豎向分部寬度為10cm。2.3 位移測點布置豎向相對位移的測點布置見圖4,在A1與A2、B1與B2、C1與C2、D1與D2、E1與E2、F1與F2、G1與G2和H1與H2之間測量相對位移。通過測取這些位移可以得到管片接頭處不同位置上的相對轉(zhuǎn)角,見表1。此外,還對附加偏心距進行測量。 <CENTER<

8、/CENTER <CENTER</CENTER試驗過程如下:1)把安裝有鉸的上下試件組裝在一起,對正后擰緊兩個連接螺栓。2)把組裝好的一套試件(上下兩個小試件)吊裝到加載架下,并與上端的兩個和側面的兩個加載壓頭對正。3)擰緊連接上下試件的兩個螺栓,使預緊力達到72kN。4)預壓豎向荷載到80100kN,打開加載油缸的回油閥,讓豎向荷載基本回零。5)采集系統(tǒng)初始化。6)開頭正式的加載試驗(表2)。加載分為兩步:a.用試件上端的兩個同步油缸施加豎向荷載,到兩個油缸的合力達到750kN時停止。這一過程中施加水平荷載的兩個油缸也在進行調(diào)整,以保證施加豎向荷載的過程中試件在接觸面四周的相對轉(zhuǎn)

9、角不大于0.001rad。b.維持豎向荷載不變,施加水平荷載,直到試件的相對轉(zhuǎn)角達到0.008rad。 <CENTER</CENTER3 管片接頭彎曲變形特性試驗結果圖5、圖6分別為正、負彎矩作用下環(huán)向壓力為750kN時管片接頭處的彎矩-轉(zhuǎn)角關系曲線,它們可直接用來對地鐵工程中的接頭轉(zhuǎn)角進行計算。由于環(huán)向鋼筋的面積占管片整個斷面積的比例很小,在混凝土開裂前兩種管片的剛度相差很小,試驗中區(qū)分不出來。所以在討論接頭彎曲剛度時把它們視為同樣的管片。如圖5,當水平推力方向向內(nèi)時(正彎矩),曲線近似地分為AB和BC兩段。在彎曲過程中當兩個管片的接觸面(即高臺平面)的四周任何一邊都沒有張開時,相應的過程與AB段對應。當接觸面靠管片內(nèi)側的部分張開后,相應的過程與BC段對應。 <CENTER</CENTER如圖6,當水平推力方向向外時(負彎矩),曲線特點與水平推力向內(nèi)(正彎矩)時的彎曲過程相像,彎矩-轉(zhuǎn)角關系曲線也分為AB和BC兩段。當加載過程處在AB段時兩個管片的高臺表面四周相互接觸,當處在BC段時高臺表面在靠近管片外側的部分相互分別。 4結論1)無論受到作用的彎矩為正還是為負,管片接頭的變形過程都分為AB、BC兩個階段,當管片的相對轉(zhuǎn)動沒有使環(huán)向接觸面張開時,變形過程與AB段