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      矩形盾構(gòu)管片接頭抗剪試驗研究*

      2015-09-18 06:05:22蔣首超劉仁勇官林星
      建筑施工 2015年1期
      關(guān)鍵詞:凹凸動量抗剪

      蔣首超 劉仁勇 柳 獻 孫 巍 官林星

      1. 同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院 上海 200092;2. 上海市市政工程設(shè)計研究院有限公司 上海 200092

      1 接頭抗剪試驗概況

      1.1 試驗研究內(nèi)容

      本試驗的研究內(nèi)容包括:接縫變形隨剪力的變化規(guī)律;螺栓的受力狀態(tài);接縫的破壞過程;接縫的抗剪承載力。

      1.2 試件設(shè)計

      本試驗的接頭模型采用3 塊管片組裝而成。接頭采用原尺寸,長度方向上僅取管片的一段,兩側(cè)試塊長550 mm,中間塊長800 mm,環(huán)寬和厚度與管片原尺寸相同,分別為1 000 mm和550 mm。管片間用8 根M39的高強度鋼螺栓連接。試驗用管片尺寸如圖1所示。

      圖1 試件尺寸

      2 加荷設(shè)計[1]

      2.1 接頭荷載

      接頭實際所受內(nèi)力的彎矩設(shè)計值為92 kN·m,軸力設(shè)計值為297 kN,剪力設(shè)計值為624 kN。試驗過程中接頭受到軸力和剪力的共同作用,管片的加載如圖2所示。

      圖2 加載示意

      2.2 加載設(shè)備與方法

      試驗架由2 個自平衡的垂直龍門架和1 根反力梁組成,加載方法如圖3所示。

      圖3 接頭抗剪試驗安裝示意

      試驗時,將試件支撐在反力架上的鉸支座上。試件兩端連接對拉梁,水平荷載N采用2 臺1 000 kN的張拉千斤頂施加到對拉梁上;豎向荷載P采用2 臺2 000 kN的油壓千斤頂施加荷載;千斤頂?shù)募虞d值采用力的傳感器量測。

      2.3 荷載工況

      本試驗共有3 種工況,分別為凹凸榫和螺栓復(fù)合抗剪工況,考慮安裝誤差工況,凹凸榫單獨抗剪工況。每種工況有2 組試件。具體的試驗工況如表1所示。

      其中在考慮安裝誤差抗剪工況中,拿掉了2 個螺栓,同時使接頭的一側(cè)有1 條初始張縫,來模擬實際施工中由于拼裝誤差等原因而可能造成的初始缺陷;在凹凸榫單獨抗剪工況中,把所有螺栓去掉,僅靠凹凸榫承受剪力。

      表1 接頭抗剪試驗工況

      2.4 測量內(nèi)容及測量點布置

      試驗測試內(nèi)容包括接頭錯動測點8 點、螺栓應(yīng)變16 點。具體的測點布置如圖4所示。

      圖4 接頭抗剪測點布置平面示意

      螺栓應(yīng)力測量傳感器擬采用箔式應(yīng)變計,應(yīng)變計粘貼、密封后用導(dǎo)線在環(huán)向螺栓上銑出的凹槽中引出,并逐一加以編號。每根螺栓均布置2 個對稱應(yīng)變測點。螺栓編號如圖5所示。

      圖5 螺栓編號

      接頭錯動量測量選用電子位移傳感器。用SW、SE、NW、NE分別代表西南、東南、西北、東北接縫測點的錯動量,以中間塊向下為正。

      3 試驗結(jié)果與分析[2]

      3.1 試件錯動量

      3.1.1 復(fù)合抗剪工況

      以2 組抗剪接頭NW處接縫為例,繪制錯動量隨荷載變化的曲線如圖6所示。

      隨著荷載的增大,接頭錯動量呈緩慢增長趨勢。從圖中可以看出1-1發(fā)生了2 次滑移,而1-2只發(fā)生了1 次滑移。

      圖6 NW處錯動量變化曲線

      對于試件1-1,在豎向荷載施加到設(shè)計荷載之前,錯動量很小,設(shè)計荷載時,錯動量為0.36 mm;繼續(xù)施加豎向荷載,在P=795 kN時,試件突然滑動,滑動后接頭錯動量達到3.07 mm;之后施加豎向荷載,錯動量變化不大,到P=1 011 kN時,接頭再次產(chǎn)生突然的相對滑移,滑動后接頭錯動量達到4.05 mm;在P=1 272 kN時,錯動量達到4.26 mm。

      對于試件1-2,錯動量隨荷載增加不斷增大,設(shè)計荷載時,錯動量為0.58 mm;在P=816 kN時,試件突然滑動,滑動后接頭錯動量達到1.37 mm;繼續(xù)施加豎向荷載,錯動量變化不大,到P=1 160 kN時,錯動量達到最大,為1.95 mm。

      3.1.2 考慮安裝誤差工況

      為制造安裝誤差,2 組試件均拿掉了螺栓L4與L5,同時試件2-1接頭下側(cè)有6 mm的初始張縫;試件2-2令接頭西側(cè)有6 mm的初始張縫。

      以2 組抗剪接頭NW處接縫為例,繪制錯動量隨荷載變化的曲線如圖7所示。

      隨著荷載的增大,接頭錯動量呈緩慢增長趨勢。從圖中可以看出2 組試件均沒有發(fā)生滑移。

      對于試件2-1,在P=200 kN之前,錯動量很小,在P=200 kN時出現(xiàn)一拐點,之后曲線斜率逐漸減小,在P=450 kN時,又出現(xiàn)一拐點,曲線斜率逐漸增大;在P=658 kN時,錯動量達到最大值,為2.8 mm。

      圖7 NW處錯動量變化曲線

      對于試件2-2,在P=395 kN時,錯動量達到最大值,為1.07 mm。之后錯動量變化不大,在P=636 kN時,錯動量為0.89 mm。表2列出了在設(shè)計荷載時,接頭4 個測點處的錯動量大小。

      表2 考慮安裝誤差工況接頭錯動量

      從表2可以看出,試件2-1的西側(cè)測點(SW與NW)錯動量較大,而試件2-2 的東側(cè)測點(SE與NE)錯動量較大。說明有安裝誤差存在時,接頭錯動時以轉(zhuǎn)動為主。

      3.1.3 凹凸榫抗剪工況

      本工況中去掉了所有螺栓,僅靠凹凸榫單獨抗剪。

      以2 組抗剪接頭NW處接縫為例,繪制錯動量隨荷載變化的曲線如圖8所示。

      圖8 NW處錯動量變化曲線

      隨著荷載的增大,接頭錯動量呈緩慢增長趨勢。從圖中可以看出2 組試件均沒有發(fā)生滑移。

      對于試件3-1,接頭在最大承載力1 254 kN時的錯動量為4.86 mm,之后承載力降低,但錯動量繼續(xù)增大,直至接頭破壞。

      對于試件3-2,接頭在最大承載力1 231 kN時的錯動量為6.09 mm,之后承載力降低,但錯動量繼續(xù)增大,直至接頭破壞。

      試驗表明,試件的破壞是由于加載過程中產(chǎn)生了附加彎矩,令接頭出現(xiàn)一定張角,導(dǎo)致凹凸榫脫出造成的。且2 組試件破壞荷載相差不大,接近2 倍的設(shè)計荷載1 250 kN。

      3.2 螺栓應(yīng)變分析

      以2 組抗剪接頭螺栓L5的應(yīng)變?yōu)槔?,繪制錯動量隨荷載變化的曲線如圖9所示。

      圖9 NW處錯動量變化曲線

      對于試驗1-1,設(shè)計荷載時,測點應(yīng)變?yōu)?07 μ ε;施加軸力后,應(yīng)變有所減少,達到295 μ ε;繼續(xù)施加豎向荷載,在P=795 kN時,試件發(fā)生第一次滑動,應(yīng)變突然減小,變?yōu)?09 μ ε;在P=1 011 kN時,試件發(fā)生第2次滑動,應(yīng)變突然增大,變?yōu)?72 μ ε;在P=1 272 kN時,測點應(yīng)變達到最大值,為1 011 μ ε。

      對于試驗1-2,設(shè)計荷載時,測點應(yīng)變?yōu)?36 μ ε;施加軸力后,應(yīng)變有所減少,達到642 μ ε;繼續(xù)施加豎向荷載,在P=816 kN時,試件產(chǎn)生滑動,應(yīng)變突然增大,變?yōu)?74 μ ε;在P=1 272 kN時,測點應(yīng)變達到最大值,為1 847 μ ε。

      試驗表明,對于復(fù)合受剪工況,在設(shè)計荷載(624 kN)時,上排螺栓受到壓應(yīng)變,應(yīng)變值較小,下排螺栓受到拉應(yīng)變,且外側(cè)螺栓L5、L8應(yīng)變值較大,內(nèi)側(cè)螺栓L6、L7應(yīng)變值較?。辉? 倍設(shè)計荷載(1 250 kN)時,上排螺栓也有拉應(yīng)變產(chǎn)生。對于考慮安裝誤差工況,上排螺栓受到壓應(yīng)變,下排螺栓受到拉應(yīng)變。

      4 理論分析[3]

      4.1 接觸面摩擦抗剪

      管片所受軸向力N=297 kN。

      接頭處所有螺栓預(yù)緊力的合力為N',假定每個螺栓扭矩相同,均為2 500 N·m,則:

      摩擦因數(shù)μ取0.3,則Pu=μ(N+N')=788 kN,與復(fù)合抗剪工況中,試件發(fā)生滑動時的荷載接近。

      4.2 凹凸榫單獨抗剪

      取抗剪試驗右接頭如圖10所示。

      分析假定:抗剪承載力僅由凹凸榫承擔(dān),螺栓不分擔(dān)接頭的抗剪承載力。取圖中圓圈部分(即凹凸榫的下部)進行分析,將其簡化成如圖11(a)所示的2 個滑塊。對滑塊A進行受力分析,其受力示意圖如圖11(b)所示。

      圖10 右接頭示意

      圖11 凹凸榫簡化模型

      其中P為管片所受的豎向力,f為滑塊B對滑塊A的摩擦力,F(xiàn)彈為滑塊B對滑塊A的彈力。

      經(jīng)計算得出:

      當(dāng)μ取0.3,θ為18.5°時,k=-1.33,即試件若保持角度不變,則試塊不會滑出。

      5 結(jié)語

      本文研究了矩形盾構(gòu)接頭在復(fù)合抗剪、考慮安裝誤差、凹凸榫單獨抗剪3 種工況下的性能。最后得出了以下結(jié)論:

      1)在復(fù)合抗剪工況中,試件的第1次滑移均發(fā)生在800 kN左右時,與接觸面摩擦抗剪承載力的理論值788 kN相差不大。接頭變形以試件相對滑動為主。

      2)考慮安裝誤差工況中,接頭的變形以試件的相對轉(zhuǎn)動為主。

      3)凹凸榫單獨受剪工況中,接頭的相對錯動量變化曲線均比較平滑,沒有發(fā)生突然的相對滑移。試件的破壞是由于加載過程中產(chǎn)生了附加彎矩,令接頭出現(xiàn)一定張角,導(dǎo)致凹凸榫脫出造成的。其中3-1的抗剪承載力為1 254 kN, 3-2為1 331 kN,接近2 倍的設(shè)計荷載1 250 kN。說明在沒有螺栓的情況下,接頭在剪力作用下仍舊比較安全。

      4)由于附加彎矩的存在,螺栓基本上為上排受壓應(yīng)變,下排受拉應(yīng)變;螺栓受力不均勻,每組試件的8 個螺栓中有2~3 個受力較大。

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