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沉管隧道剪切荷载分析图

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沉管隧道接头垂直钢剪切键剪切荷分布分析

摘 要:

为了研究垂直剪切过程中沉管隧道接头各组剪力键的剪力分布和随外荷载的变化规律， 对沉管隧道管头垂直剪切试验。根据以往沉管隧道试验经验、场地条件、加载能力和试验 测量方法，设计试验沉管接头模型，包括管节尺寸及配筋、垂直剪力键结构及 GINA 橡胶止水 带等等。针对本试验的加载情况，自主开发了多维多向自平衡加载反力装置。该装置不受场地影响 可多方向加载，无地锚、剪力墙等限位装置即可自平衡。试验时，首先在管节轴向上进行 在正常运行过程中增加最低轴压荷载，然后在接头位置的垂直管节中逐步施加垂直剪切荷载，以测试每个水平的垂直剪切荷载 接头垂直相对位移到荷载下，钢剪力键齿应变。试验结果表明： 管接头各组剪力键垂直位移 同样，右侧垂直位移大于左侧； 相对于键齿上的剪切应力分布不对称，键齿间接触面发生 6 mm水平偏移。每组剪力键分担的剪切荷载与钢键齿和齿间橡胶支架的刚度有关，而不是设计时 平均预期分配。

关键词:

沉管隧道; 接头剪切试验； 钢剪力键; 剪力分配;

基金：

2018年国家重点研发项目YFC0809602,2017YFC1500703);

国家自然科学基金项目(51778487，51678438)；

引用：

袁勇、罗健珲、禹海涛等 沉管隧道接头垂直钢剪切键剪切荷载分配分析 J］ . 2020年51年水利水电技术( 5) : 17-25.

YUAN Yong，LUO Jianhui，YU Haitao，et al． Analysis on shear load distribution of vertical steel shear-key for joint of immersed-tube tunnel

［ J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51( 5) : 17-25.

目前，世界上90%的沉管隧道用于运输，只有少数用于水利工程，如荷兰乌特勒支行主交河的倒虹吸管水道工程和上海的四个引排水 工程(白莲泾引水工程、川阳河引水工程、金出湾污水工程、文藻浜污水工程)、海南昌江核电厂排水工程(国内首例采用海域排水沉管方 排水核电厂) 等。沉管隧道在水利工程中的应用有其自身的优势：（1）可在水深较深、地质条件复杂的条件下施工，不影响通航；（2）避免水下施工带来的危险，提高施工安全；（3）预制管节，工艺可平行运行，缩短工期；（4）隧道截面类型灵活，空间利用率高；（5）与盾构隧道相比，埋深要求不高。沉管隧道 管节接头是最重要的部件之一，因此管节接头的相关研究对水利工程也十分必要。

因此，本文采用试验研究方法研究了管接头剪切键的荷载分配机制，浇筑了沉管隧道的管接头模型，设计了自平衡加载反应装置和试验加载方案。同时，通过测量 为了获得剪切键的应力分布，分别研究管接头的整体剪切刚度和垂直钢剪切键在垂直剪切过程中的荷载分布规律。

在本试验中，管节接头模型由两个钢筋混凝土管节和接头部件组成，接头部件为垂直钢剪力键和橡胶止水带(GINA型)。隧道管节边墙和中墙端安装了4组钢剪力键，从左到右 依次编号为A1组、B1组、B2组及A2组剪力键，每组剪力键中的3个键齿从上到下依次编号为1、2、3；止水带沿管节外缘安装在端钢壳上。由于本文专注于管节接头的垂直 在纯垂直剪切过程中，水平剪切键不会接触水平剪切键，因此不会影响管接头的垂直剪切性能，因此本试验模型不考虑水平剪切键。管节接头横截面尺寸及垂直剪切 如图1所示(a)如图1所示，接头侧立面(b)所示。

图1 管接头及竖向钢剪力键(单位:mm)

1.1 试验管节

图2 完成管节预制

1.2 接头部件

1.2.1 钢剪力键

4组垂直钢剪力键分为A型和B型，尺寸分别为60 mm×274 mm×190 mm、120 mm×380 mm×190 mm,且均以Q235钢板焊接成箱型结构C4.8级普通螺 螺栓安装在管节端部的预埋锚板上。2组A型钢剪力键分别安装在管接头两侧的墙端，另外2组B型钢剪力键分别安装在接头中隔墙上。如图3所示(a)及图3(b)所 示。每组剪力键由三个键齿组成，其中两个安装在管节1上，另一个安装在管节2上，如图2所示。每组剪力键组装时，两齿之间安装橡胶支座， A型剪力键齿间橡胶支座尺寸60 mm×25 mm×190 mm,B剪力键齿间的橡胶支座尺寸为120 mm×50 mm×190 mm,A、B橡胶支座的力学性能曲线如图4所示。

1.2.2 止水带

本试验采用GINA橡胶止水带由国内橡胶制造商委托制成，其截面宽度为104 mm,高度为57 mm,横截面形状如图3所示(c)如所示，整个管接头GINA橡胶止水 带全长14.27 m。试验中使用钢条和螺栓GINA止水带固定在钢预埋件上，使其在受力时不会横向和轴向滑动，也不会因脱落而失效GINA橡胶带的正常工作如图3所示(d)所示。

2.1 试验装置

接头垂直剪力键主要用于抵抗管节间差异沉降造成的剪切效果。因此，在管节特定轴向水力压力下，需要制作接头的抗剪试验装置。本次试验自主研发多维多向自主 平衡加载装置(见图5)包括自平衡反力框架、加载系统和测量系统。自平衡反力框架包括垂直闭合框架、两个水平闭合框架和支撑柱。每个水平闭合框架由加载 梁、反力梁和连接梁的两个拉杆形成自平衡系统。拉杆与梁采用连接板和螺栓连接，拉杆承受轴向拉力，加载梁通过两个轴向千斤顶提供管道轴向水压。用于固定管道的垂直闭合框架 节1，使管节1在任何工况下都不会位移，管节2底部有3个千斤顶，提供垂直剪切荷载。支撑柱只起支撑水平闭合框架的作用，与框架无固定连接。

图3 钢剪力键及GINA生产安装止水带

2.2 加载方式

本次试验主要研究管节接头垂直剪力键荷载分配机制。因此，在试验设计中，将沉管隧道正常工作的最小水压定义为施加轴压。这个轴压由GINA橡胶止水带的压缩量取决于管道连接 头部设计工作状态GINA型止水带的压缩量为15~30 mm,因此，止水带最小压缩量为15 mm轴向压缩荷载360 kN确定试验施加的轴向载荷。

在本试验的垂直加载过程中，首先需要克服管节的自重，因此垂直荷载超过70 kN之后，接头会有剪切载荷。在试验中，轴压加载到360 kN,保持轴压稳定； 然后将垂直千斤顶加载到700 kN,然后分为7级，每级荷载50 kN垂直剪切荷载应加载至350 kN(经验计算，剪力键仍处于弹性阶段)；最后，垂直千斤顶卸载，轴向千斤顶卸载。

2.3 测点布置

2.3.1 垂直位移管接头

为了获得管节接头剪切的整体荷载位移曲线，在管节2的顶部和底部布置导杆位移计，测量管节接头剪切时的垂直位移。位移计的具体分布位置如图6所示，并依次编号上位移 计为S-11、S-12、S-13、下排位移计算S-21、S-22、S-23。

2.3.2 剪力键应变

由于剪力键的特殊结构和相互作用形式，传统的荷载传感器（压力箱等）无法直接测量键齿之间的荷载。剪力键侧面直接测量剪力键侧面 应变值，间接得到应力值，然后计算分布在每个键齿上的荷载。鉴于垂直剪切试验方法单调连续加载，每组剪切键中只有管节2的中排齿与管节1的上排齿相互接触，因此仅在此 两排齿布置应变花。将限于安装条件A1组剪力键和B2组剪力键的右侧及A2组剪力键和B1组剪力键左侧(即管节空箱内侧)分别设置为监测面布置应变花。每个剪力键齿上布 在键齿相互接触侧放置2排应变花，即每个剪力键齿上布置5个45个°-总共有40个直角应变花，其布置图如图7所示。

图4 橡胶支座力学性能曲线

图5 加载反力装置

图6 位移计布置示意图(单位:mm)

图7 应变花布置示意

3.1 垂直位移管接头

宏观上管节接头的垂直剪切荷载-位移曲线取各级剪切荷载下6个位移计读数的平均值，如图8所示(a)所示。同时，根据左右位移计读数的差异，在加载过程中可以得到接头左右两侧的垂直位置 如图8所示(b)所示。

由图8(a)可以看出，上管节接头的垂直剪切荷载-位移曲线分为两个阶段:(1)0~200 kN垂直荷载阶段主要表现为橡胶支架压缩。考虑到橡胶支座的非线性压缩刚度变化规律， 荷载-位移曲线也呈非线性发展，初级荷载后位移增长迅速。(2)200 kN垂直载荷后，橡胶支架和剪力键共同剪切，橡胶支架的压缩刚度随位移逐渐增加到剪力键的剪切刚度 剪力键的抗剪效果逐渐增强，最终提供主要的抗剪能力。因此，随着荷载的增加，位移增长减慢，荷载位移曲线逐渐呈线性变化。此时，管节接头的抗剪刚度可以通过线性曲线的斜率来提高 计算约为101.2 kN/mm。

图8 相关曲线位移相关曲线

图9 50 kN剪切荷载下每组剪切键的垂直应力分布(单位:MPa)

由图8(b)可垂直加载过程中，接头右侧的位移总是大于左侧。剪切荷载0~15 kN当接头左右垂直位移差为0时.5 mm此时期间，位移差值较小，并且与荷载相似 性增加。剪切荷载150 kN至200 kN随着荷载的增加，接头左右侧的垂直位移差突然增加到1.4 mm。并在200 kN剪切荷载后，与剪切荷载基本呈线性递增关 系,最终在350 kN剪切荷载达到2.5 mm。该现象是由施工误差、生产误差、加载误差等综合因素引起的。

3.2 剪力键齿垂直应力分布

剪力键齿上各测点测量的应变值将每组剪力键的上、中、两排(说明剪力键齿编号)转换为垂直应力值 ,可绘制各级荷载下接头剪力键齿的垂直应力分布图，如图9所示。图9 为50 kN剪切荷载下管节接头上中排4组剪力键的垂直应力分布图。由于150 kN、250 kN及350 kN剪切荷载条件下的垂直应力分布规律和50 kN剪切荷载工况基本相似，所以这里 只对50 kN分析了剪切荷载条件下剪切键齿的垂直应力分布。从图9可以看出，(1)50 kN在剪切荷载条件下，上排和中排A型或B型剪垂直应力值不同，最大差异 56.3%的值。同时，剪力键齿的垂直应力分布与接触面的上下对称分布没有关系。(2)由于加载条件和剪切，左右剪力键齿的垂直应力分布没有预期的对称( 对称分布力键布置)。本文详细分析了上述试验结果。

图10 剪力键垂直应力分布图与数值计算(单位:MPa)

3.3 剪力键组荷载分布规律

3.3.1 剪力键齿接触分析

从第3.2节剪力键齿测量的垂直应力分布可以看出，相互接触的两个剪力键齿上的垂直应力分布不对称，最大差为56.3%。本文认为每组剪力键齿垂直 应力差异是由于管接头对接过程中的水平偏移，剪力键的安装和定位存在一定的误差，导致同组剪力键齿之间没有完全正接触。本 文本采用数值法建造立剪力键组中齿间接触方式模型,通过多组数值模拟计算与试验结果进行比对,确认同组剪力键齿之间并没有完全正接触,接触面发生了6 mm水平向偏移。

图10为100 kN竖向荷载下,试验中A1-1和A1-2剪力键齿测量面的竖向应力分布图与数值模拟计算结果中监测面和非监测面的竖向应力分布图的对比图。从图中可以看出,(1)数 值模拟中剪力键齿的竖向应力也表现出不对称性,其上下键齿的数值差在23.2%至53.8%,而试验数据中的数值差在24.9%至56.3%,规律基本与试验观测一致;(2)数值模拟中剪力键齿 非测量面的应力分布应与测量面呈现轴对称现象,即上齿测量面应力与下齿非测量面应力的分布与数值相同。因此,由于管节对接水平向的偏移,以及剪力键的安装和定位误差,同组剪 力键之间并没有完全正接触,接触面发生了6 mm水平向偏移,因此造成了3.2节中的剪力键齿同侧监测面的竖向应力分布上下不对称的现象。

3.3.2 各组剪力键荷载分配分析

由3.3.1节可知,上下剪力键齿非监测面的应力分布应与监测面呈现轴对称分布现象,故根据数值模拟结果进行反推,取单组剪力键接触面对应的10个测点的竖向应力值的均值,其 与剪力键齿接触面的截面积之积即近似等于单组剪力键齿所受的竖向剪切荷载,此竖向剪切荷载值显然与剪力键齿间的接触压力值相等。因此,根据剪力键齿的测量应变换算出的竖 向应力(如3.2节所示),可以推算出每组剪力键齿间的接触压力,换算时需结合3.3.1节的分析,修正接触面积和应力分布,计算结果如表1所列。同时,各组剪力键在每级荷载下分担的剪 力如表2所列。

表1 剪力键组齿间接触压力

由表1及表2中结果可得,(1)随着剪切荷载增加,各组剪力键齿的接触压力(分配剪力)逐渐增大。但A1与A2组剪力键齿的接触压力增长幅度分别为1101.1%及1502.9%。而B1与B 2组剪力键齿的增长幅度仅为117.9%及129.1%。(2)随着剪切荷载增加,A1与A2组剪力键的剪切荷载分配比分别从20.4%和23.0%增加至33.2%和46.7%,而B1与B2组剪力键的剪切 荷载分配比却从27.9%和29.4%减小至9.7%和10.4%。(3)右侧的A2与B2组剪力键齿间接触压力始终高于对称分布在左侧的A1与B1组剪力键。A组键齿间接触压力最大差值达到了 49.6%,而B组键齿间接触压力差值最大仅为8.6%。(4)在剪切荷载50 kN时,A1与A2组剪力键分担的剪切荷载分别低于B1与B2组剪力键26.0%及19.7%。而在剪切荷载150 kN后,A1 与A2组剪力键分担的剪切荷载超出B1与B2组剪力键,并在350 kN剪切荷载时超出307.8%及461.9%。

表2 剪力键组剪力分配比

可见,在各级剪切荷载下,各组剪力键分担的剪切荷载并不均匀,并且接头左右剪力键组(无论A型或B型)分担的荷载也不对称。由3.1节可知右侧位移量始终大于左侧,故右侧A2与 B2组剪力键间的橡胶支座压缩量较大,此时的橡胶支座的压缩刚度也较大,因此右侧A2与B2组剪力键与其间橡胶支座的组合抗剪刚度也随位移而增大,从而导致分配的剪切荷载较 大。而在剪切荷载较小时(如50 kN时),A组剪力键间橡胶支座的压缩刚度小于B组剪力键间橡胶支座(如图4所示),故此时A组剪力键分担到的剪切荷载也较小。但随着剪切荷载的增 加,橡胶支座的压缩量也随之增大,A组剪力键间橡胶支座的压缩刚度逐渐超过了B组剪力键间橡胶支座,因此A组剪力键分担到的剪切荷载也会相应增长较快,并在150 kN剪切荷载时, 其分担的剪切荷载超过了B组剪力键。

表3 接头剪切荷载

在沉管隧道接头竖向钢剪力键设计中,通常认为各组剪力键均匀分担竖向剪切荷载,并且管节横断面左右对称、均匀沉降。但在实际工程中,势必会出现各组剪力键齿的尺寸存在 差异及其之间的橡胶支座的压缩刚度存在差异。同时,由于管节横断面的不均匀沉降会造成各组剪力键竖向位移的差异。针对以上情形,本文通过对沉管隧道接头竖向钢剪力键展开 缩尺模型荷载试验研究,得到如下结论:

(1)由于施工误差以及加载时一些偶然因素,加载端管节发生轻微的整体转动,各组剪力键处竖向位移不相同,右侧相比左侧竖向位移较大,最大差值达到2.5 mm。

(2)由于对接的偏移以及剪力键的安装和定位误差,同组剪力键相对键齿上的剪切应力分布不对称,键齿之间并非正对接触,接触面发生了6 mm水平向偏移。

(3)管节接头各剪力键组分配的剪切荷载与其钢键齿和齿间橡胶支座的刚度有关,各组剪力键承担的接头剪切荷载并非设计时预想的平均分配。剪切荷载较小时(如50 kN),A组剪 力键分担到的剪切荷载较B组剪力键偏小,而随着剪切荷载增大(如达到并超过150 kN),A组剪力键分担的剪切荷载将超过B组剪力键。

水利水电技术

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