沉管隧道大比尺管節(jié)接頭壓彎試驗(yàn)研究

蕭文浩 徐國(guó)平 禹海濤 袁 勇

（1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100088；3.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；4.同濟(jì)大學(xué)土木工防災(zāi)程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092）

沉管隧道大比尺管節(jié)接頭壓彎試驗(yàn)研究

蕭文浩1*徐國(guó)平2禹海濤1，3袁 勇1，4

（1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100088；3.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；4.同濟(jì)大學(xué)土木工防災(zāi)程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092）

沉管隧道接頭遭遇地震作用時(shí)，會(huì)發(fā)生壓彎變形，而接頭剛度最能表征其變形規(guī)律。目前，缺少沉管隧道接頭力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)設(shè)計(jì)或計(jì)算分析采用的接頭剛度模型沒有充分的驗(yàn)證。根據(jù)接頭構(gòu)造設(shè)計(jì)特點(diǎn)，進(jìn)行幾何比尺為1∶10的大比尺管節(jié)接頭壓彎試驗(yàn)，研究接頭在軸向壓力為500 kN下的彎曲變形規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著軸向壓力的增加，接頭軸向壓縮剛度有明顯的增加；隨著彎矩的增大，接頭轉(zhuǎn)角呈非線性增長(zhǎng)，與此同時(shí)接頭張開量呈反對(duì)稱變化；卸載后接頭存在一定的軸向和彎曲殘余變形。

沉管隧道，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，壓彎，接頭剛度，接頭變形

1 引 言

沉管隧道接頭指沉管管段之間、管段與端頭豎井之間的連接構(gòu)件，是沉管隧道結(jié)構(gòu)的薄弱部位，同時(shí)接頭也是防水構(gòu)造不可缺少的一環(huán)。接頭設(shè)計(jì)要考慮溫度變化、地震力、沉降以及其他作用下的各種力學(xué)行為。因此，實(shí)際工程設(shè)計(jì)需要掌握沉管隧道接頭的變形規(guī)律以及其影響因素。

在地震作用下，沉管隧道受到水平力的往復(fù)作用而產(chǎn)生彎曲，從而造成剛度較小的接頭張開。接頭張開的大小直接影響沉管隧道的安全。由于沉管隧道接頭構(gòu)造復(fù)雜，目前對(duì)其研究主要集中于有限元數(shù)值模擬分析其受力機(jī)理，如嚴(yán)松宏等［1］建立了離散化模型分析，比較了沉管隧道剛性連接，鉸接連接和彈性連接對(duì)隧道接頭的動(dòng)力性能的影響；Ding等［2］建立了包括地基土、沉管隧道和柔性接頭在內(nèi)的三維大型有限元分析模型，考察沉管隧道接頭在地震作用下的響應(yīng)；Anastasopoulos等［3］對(duì)深水強(qiáng)震區(qū)的沉管隧道進(jìn)行了三維精細(xì)化有限元建模及非線性分析；劉正根［4］根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)了接頭GINA止水帶變形與管段位移之間的幾何關(guān)聯(lián)計(jì)算公式，并采用三維有限元數(shù)值模擬方法來計(jì)算接頭GINA止水帶的力學(xué)性態(tài)；禹海濤等［5］將GINA抽象為彈簧，推導(dǎo)出接頭剛度的解析表達(dá)式，并與三維精細(xì)化基準(zhǔn)模型進(jìn)行對(duì)比分析。而實(shí)際上，由于沉管隧道其接頭構(gòu)造復(fù)雜，簡(jiǎn)單的力學(xué)分析和有限元數(shù)值模擬不能真實(shí)反映接頭的力學(xué)性能，而且模型計(jì)算參數(shù)的選取會(huì)直接影響計(jì)算結(jié)果，而計(jì)算參數(shù)的確定是通過試驗(yàn)獲取的。但目前，沉管隧道試驗(yàn)數(shù)量少且規(guī)模小，試驗(yàn)研究?jī)H僅針對(duì)GINA橡膠帶或單個(gè)剪力鍵等接頭單一構(gòu)造的力學(xué)性能，如Kiyomiya等［6］完成了一個(gè)1／4的沉管隧道柔性接頭模型擬靜力和擬動(dòng)力試驗(yàn)，考察GINA橡膠帶與PC拉索的共同作用；Y.Hamazaki等［7］在研究地震和不均勻沉降作用下的柔性接頭的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種新型柔性接頭，并對(duì)其進(jìn)行了靜荷載、周期荷載和偏心荷載試驗(yàn)。

因此，通過進(jìn)行大型試驗(yàn)的手段來準(zhǔn)確地獲取接頭壓彎力學(xué)參數(shù)，了解接頭的受軸向壓力和水平彎矩下的變形規(guī)律，是指導(dǎo)沉管隧道接頭設(shè)計(jì)和理論研究的重要基礎(chǔ)?；诖耍疚母鶕?jù)沉管隧道半柔性接頭的構(gòu)造特點(diǎn)，針對(duì)受水平力作用下沉管隧道柔性接頭，采用低周往復(fù)加卸載的試驗(yàn)方法，研究了幾何比尺為1∶10的大比尺管節(jié)接頭模型軸向變形規(guī)律，比較分析GINA橡膠帶材性試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的結(jié)果，同時(shí)研究了在軸向壓力為500 kN時(shí)該沉管隧道接頭模型的抗彎力學(xué)性能，獲取模型彎曲變形規(guī)律。

2 大比尺管節(jié)接頭試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)依托港珠澳跨海大橋島隧工程沉管隧道，隧道橫斷面采用兩孔一管廊形式，寬37.95 m、高11.40 m；標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)由8個(gè)長(zhǎng)22.5 m的節(jié)段組成，通過張拉縱向臨時(shí)預(yù)應(yīng)力索，將8個(gè)節(jié)段連接成一個(gè)整體，而管節(jié)接頭采用GINA柔性方式連接。

按照所處在隧道的位置和沉管隧道施工順序的劃分標(biāo)準(zhǔn)，沉管隧道接頭可分為岸邊接頭、中間接頭、最終接頭和岸坡接頭四種，三維管節(jié)接頭模型主要研究的是中間接頭。管節(jié)接頭是半剛半柔性接頭，主要由接頭密封防水橡膠帶（GINA止水帶）、端鋼殼、Ω（或M）型止水帶、波形鋼板或Ω鋼板連接件、水平剪切鍵和垂直剪切鍵等組成，如圖1所示。

圖1 GINA柔性管節(jié)接頭構(gòu)造［8］Fig.1 Construction of flexible element jointwith GINA rubber［8］

2.1 縮尺沉管隧道結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)結(jié)構(gòu)將采用比例尺為1∶10的縮尺結(jié)構(gòu)模型。縮尺后的隧道斷面長(zhǎng)3 800 mm，高1 125 mm，墻板厚度為160 mm，單個(gè)管節(jié)沿軸向長(zhǎng)度為1 250 mm。試驗(yàn)材料參數(shù)與實(shí)際工程中的材料保持一致，即采用C50混凝土，受力鋼筋、箍筋和構(gòu)造鋼筋則采用HRB335鋼筋。

本試驗(yàn)只針對(duì)沉管隧道接頭水平軸向和抗彎力學(xué)性能，故對(duì)管節(jié)接頭進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：①管節(jié)內(nèi)部取消中隔墻和取消豎向剪力鍵的布置；②管節(jié)橫斷面簡(jiǎn)化為矩形；③取消頂預(yù)應(yīng)力拉索孔道；④隧道接頭位置配筋加強(qiáng)，其余部位按構(gòu)造配筋。簡(jiǎn)化后的管節(jié)如圖2所示。圖中陰影部分為試驗(yàn)加載點(diǎn)，其中，ABCD為軸向加載點(diǎn)，E為剪切向加載點(diǎn)。

圖2 簡(jiǎn)化后的縮尺結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Simplified scale structuralmodel

2.2 管段柔性接頭設(shè)計(jì)

由于本試驗(yàn)依托港珠澳沉管隧道工程，接頭密封防水橡膠帶的斷面形狀采用GINA橡膠帶［8］，尺寸為實(shí)際工程的十分之一，即縮尺后GINA橡膠帶寬度為3.7 cm，高度為3.7 cm，GINA所具備的壓縮量為1.5～2 cm，GINA總長(zhǎng)為9.26 m。GINA橡膠帶的橫斷面設(shè)計(jì)圖見圖3。

圖3 GINA橡膠帶橫斷面圖Fig.3 GINA rubber profile

試驗(yàn)前，對(duì)GINA橡膠帶進(jìn)行了材性試驗(yàn)，以測(cè)試其軸向變形能力，其結(jié)果如圖4所示。在軸向壓力為2 500 kN時(shí)，壓縮量達(dá)到20.4 mm。卸載時(shí)，壓縮量減小速度緩慢，當(dāng)軸力減小到1 000 kN時(shí)，壓縮量才明顯變小，同時(shí)卸載后存在9 mm的殘余變形?？梢钥闯?，該橡膠滯回性能明顯，GINA橡膠具有一定的塑性，這與一般橡膠超彈性性質(zhì)并不一致。

圖4 GINA材性試驗(yàn)壓縮量曲線Fig.4 Compressire displacement curve of GINA rubbermaterial test

3 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)的目的是研究沉管隧道接頭受彎矩作用下的變形規(guī)律，并獲得接頭水平抗彎剛度，為接頭的設(shè)計(jì)提供重要參數(shù)。同時(shí)，研發(fā)出一套可行、便于操作的接頭雙向力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)，為后續(xù)研究奠定試驗(yàn)基礎(chǔ)。

3.3 試驗(yàn)裝置

反力架系統(tǒng)的要求為構(gòu)造簡(jiǎn)單，傳力簡(jiǎn)潔，安裝方便，能重復(fù)利用和具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。本次試驗(yàn)對(duì)反力架系統(tǒng)提出更高的要求：反力架必須能承受雙向水平力，同時(shí)讓其中一個(gè)管節(jié)能夠水平自由移動(dòng)。因此本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)雙向閉合自平衡框架系統(tǒng)，如圖5所示。該系統(tǒng)由一個(gè)豎向門式框架、兩個(gè)水平閉合框架和立柱組成，而每個(gè)框架由一根受彎梁和兩根拉桿組成。圖中，豎向框架用于固定右端管節(jié)，水平框架則約束管節(jié)軸向位移。

3.4 加載機(jī)制

壓彎試驗(yàn)的荷載主要由千斤頂提供，通過左右兩組千斤頂加卸載而產(chǎn)生的壓力差形成彎矩，其加載變形示意圖見圖6。

圖5 雙向閉合自平衡式反力架系統(tǒng)Fig.5 Bidirectional closed self-balanced reaction frame system

壓彎試驗(yàn)的目的是研究接頭在一定軸向壓力下的變形性能和抗彎性能。因此，本次工況共設(shè)定軸向壓力為500 kN，在該軸力下施加一周期往復(fù)彎矩，其峰值為±350 kN·m；同時(shí)，施加彎矩后，將軸力逐級(jí)增加至2 500 kN，然后再逐級(jí)卸載至0。

4 測(cè)點(diǎn)布置

本次接頭試驗(yàn)的測(cè)量對(duì)象主要為接頭張開量。因此需在接頭處沿軸向布置若干位移計(jì)。位移計(jì)布置在管節(jié)接頭頂部和管節(jié)內(nèi)部連接處。圖7為位移計(jì)布置示意圖（＃為位移計(jì)編號(hào)），一共布置9個(gè)彈簧式位移計(jì)。

圖6 壓彎荷載施加示意圖Fig.6 Diagram of compression-bending loading application

圖7 壓彎試驗(yàn)位移計(jì)布置圖（單位：mm）Fig.7 Diagram of transducers arrangement of compression-bending case（unit：mm）

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 接頭軸向力學(xué)性能

圖8是管節(jié)接頭壓縮量變化曲線。由圖可知，管節(jié)接頭的軸向壓縮剛度隨著軸向荷載的增大而增大，與文獻(xiàn)［9］的結(jié)果相一致；此外，在管節(jié)卸載過程中，接頭變形出現(xiàn)滯后性，當(dāng)軸力下降至500 kN后，壓縮量才明顯減小。而且當(dāng)軸向壓力卸為0 kN時(shí)，存在殘余變形約3.1 mm。同時(shí)，接頭壓縮變形非彈性變形，存在一定的滯回性能。圖9表示了管節(jié)接頭試驗(yàn)GINA的加卸載變形曲線以及GINA止水帶材料的加卸載曲線。

由圖9可知，在管節(jié)接頭試驗(yàn)和GINA止水帶材性試驗(yàn)中，采用的GINA止水帶均存在殘余變形。GINA材性試驗(yàn)中的殘余變形為9.3 mm，但GINA在相同荷載作用下，管節(jié)接頭試驗(yàn)中GINA的壓縮量（3.1 mm）小于GINA材性試驗(yàn)中GINA的壓縮量，在最大壓力工況下，GINA材性試驗(yàn)中GINA壓縮量比管節(jié)接頭試驗(yàn)中GINA的壓縮量大6.7 mm，表明管節(jié)接頭試驗(yàn)中GINA止水帶的剛度相對(duì)較大?？傮w上，接頭壓縮量隨軸向壓力的變化規(guī)律基本與材性試驗(yàn)一致。

圖8 管節(jié)接頭壓縮變化曲線Fig.8 Compression displacement curve of element joint

圖9 管節(jié)接頭GINA壓縮量變化曲線的對(duì)比Fig.9 Results comparison between experiment of element joint and material test of GINA rubber

5.2 接頭抗彎力學(xué)性能

圖10為軸向壓力是500 kN時(shí)管節(jié)接頭彎矩-轉(zhuǎn)角曲線。為了減少累積誤差的影響，圖中所計(jì)算的轉(zhuǎn)角均為初始時(shí)刻即彎矩為0時(shí)的相對(duì)轉(zhuǎn)角。由圖可以看出，彎矩從0 kN·m增長(zhǎng)到350 kN·m或從0 kN·m增長(zhǎng)到－350 kN·m時(shí)，轉(zhuǎn)角呈非線性增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速率先快后略變慢。而當(dāng)彎矩從峰值卸載為±250 kN·m時(shí)，轉(zhuǎn)角減小速度較快，當(dāng)彎矩從±250 kN·m卸載到0 kN·m時(shí)，轉(zhuǎn)角減小的速率略為降低，同時(shí)基本呈線性遞減。

另外，在完成加卸載一個(gè)循環(huán)后，可以看出接頭不為0，存在殘余轉(zhuǎn)角，該轉(zhuǎn)角為峰值轉(zhuǎn)角的

圖10 管節(jié)接頭彎矩-轉(zhuǎn)角曲線Fig.10 Moment-rotation curve of element joint

44%。在反向加卸載一個(gè)循環(huán)后，累計(jì)殘余轉(zhuǎn)角變大。在施加往復(fù)彎矩荷載一周期后，接頭變形存在不可恢復(fù)的殘余轉(zhuǎn)角，為0.000 345 rad，對(duì)應(yīng)接頭的張開量為1.21 mm。同圖8所示，GINA橡膠帶并非完全超彈性材料，在試驗(yàn)過程中均存在殘余變形。

5.3 接頭張開量變化

圖11為在軸向壓力為500 kN下，接頭張開量和轉(zhuǎn)動(dòng)中心的情況。這里需要說明，施加正彎矩后，接頭變形是由管節(jié)A作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生，即如圖6所示。從圖中可以看出，隨著接頭彎矩的增大，接頭變形呈線性分布，這是由于GINA橡膠帶的壓縮剛度遠(yuǎn)比混凝土管節(jié)的剛度小，因此混凝土管節(jié)可視作剛體，這充分說明數(shù)據(jù)的合理性。同時(shí)，隨著接頭彎矩的增加，顯然接頭張開量也隨之增加，彎矩達(dá)到最大時(shí)，接頭張開量達(dá)到2.82 mm。而在整個(gè)過程中，接頭的轉(zhuǎn)動(dòng)中心大致維持在接頭中點(diǎn)處，即接頭的變形呈中點(diǎn)反對(duì)稱線性分布。

圖11 軸力500 kN下接頭的轉(zhuǎn)動(dòng)情況Fig.11 Rotation of element jointwith the axial force of500 kN

6 結(jié) 論

針對(duì)目前沉管隧道接頭力學(xué)性能試驗(yàn)研究不足的現(xiàn)狀，提出一套測(cè)試沉管隧道接頭力學(xué)性能的試驗(yàn)方案。基于此，研究了接頭軸向和彎曲剛度及其影響因素。同時(shí)，通過GINA橡膠止水帶的材性試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的成果分析對(duì)比，得出以下主要結(jié)論：

（1）通過試驗(yàn)結(jié)果分析，驗(yàn)證了試驗(yàn)方案的合理性和可操作性，從而為國(guó)內(nèi)研究沉管隧道接頭力學(xué)性能提供了試驗(yàn)技術(shù)支持。

（2）沉管隧道接頭的變形規(guī)律與GINA橡膠帶材性試驗(yàn)的變形規(guī)律一致，呈現(xiàn)非線性特性，同時(shí)卸載后兩者均存在殘余變形。

（3）隨著軸向壓力的增大，接頭變形也隨之增大，增長(zhǎng)速率由慢變快。

（4）隨著彎矩的增大，接頭轉(zhuǎn)角也呈非線性增長(zhǎng)。但接頭轉(zhuǎn)動(dòng)軸線接近接頭中點(diǎn)，即接頭張開量變化具有反對(duì)稱性。

（5）在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)GINA橡膠帶并非完全是超彈性材料，其具有一定的塑性和黏性并且對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有著重要的影響，因此在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中不能簡(jiǎn)單將GINA橡膠帶視為超彈性材料。

［1］ 嚴(yán)松宏，高波，潘昌實(shí).地震作用下沉管隧道接頭力學(xué)性能分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22（2）：286-289.Yan Songhong，Gao Bo，Pan Changshi.Dynamic property analysis on joint for submerged tunnel under earthquake［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003.22（2）：286-289.（in Chinese）

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Compression-Bending Experiment on Element Joint of Immersed Tunnel

XIAOWenhao1，*XU Guoping2YU Haitao1，3YUAN Yong1，4
（1.Department of Underground Structure and Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China；2.CCCC Highway Consultants Co.，Ltd.，Beijing 100088，China；3.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering（Tongji University）of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai200092，China；4.State Laboratory of Disaster Reduction of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

Compression and bending displacementwill occur at the element jointof immersed tunnel under the effect of earthquake.And the stiffness of element joint can clearly represent its displacement.Nowadays the experimental data about themechanical properties of element joint are limited and the stiffnessmodels of element joints applied in design or analysis are not fully verified.Based on the structure and construction of element joints，a compression-bending experiment of element jointwith geometric scale of 1：10 is carried on in this paper and the bending rules of element jointwith axial force of500 kN is conducted.The results indicate that the axial stiffness of element joint increases along with the applied axial force Also the rotation of element joint nonlinearly increases alongwith the applied moment.Further，the opening of element joint changes antisymmetrically with the growth of applied moment.After unloading，residual deformation appears in axial and bending direction.

immersed tunnel，structural experiment，compression-bending，stiffness of element joint，displacement of element joint

2013－10－09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51208296）；“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2011BAG07B01）；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2012BAK24B00）

*聯(lián)系作者，Email：1989siumanho＠#edu.cn