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1、南京长江隧道管片接缝力学行为研究,姓名:彭志忠 专业:桥梁与隧道工程 指导教师:何川 教授,论文主要内容,工程背景,国内外研究现状,研究意义及研究方法和创新性 管片接头原型试验 数值模拟分析 接头可靠度分析 结论与展望,工程背景,国内外研究现状,研究意义及研究方法和创新性,南京长江隧道工程概况 管片接头抗弯刚度k定义 国内外现状分析 文章的研究意义 研究方法及创新性,南京长江隧道工程概况,南京长江隧道 南京长江隧道是长江上第二个过江隧道，是南京城市规划确定的“五桥一隧”过江通道的主要组成部分。 南京长江隧道分左右两条隧道，每隧道设置三车道，设计行车速度为80km/h。盾构隧道内径13.3m，外
2、径14.5m。圆形衬砌环采用环宽2m、厚0.6m、每环由10块管片组成，见图1-2。,管片接头抗弯刚度k,管片接头抗弯刚度k 重要性:管片接头抗弯刚度的取值是梁-弹簧模型设计中衬砌环结构受力分析必不可少的重要参数，其综合反映了盾构隧道接头性能及其在外荷载作用下的变形大小和趋势。 定义：管片接缝产生单位转角所需要的弯矩 即为片接头抗弯刚度k。 取值:通过分析对比-M关系曲线求得管片接头抗弯刚度k (割线法 、切线法、多段直线法 、曲线+直线法等,见图2-1 ),管片接头抗弯刚度k,管片接头抗弯刚度k,图2-1 (a)割线法 (b)切线法 (c)两段直线法,图2-1 (d)三段直线法 (e)曲线+
3、直线法,国内外现状分析,演变过程:均质圆环模型多铰圆环模型弹性铰模型径向剪切弹簧模型环向剪切弹簧模型层间压缩及剪切弹簧模型 代表:村上博智、小泉淳（1978）等 的梁弹簧模型（抗弯刚度，环向和径向剪切刚度 ）；文献圆形衬砌接头刚度模型试验与研究（1987）假定受压区混凝土分布为矩形，推导出大偏心受压下的K计算式 ；Teodor Iftimie（1994）对于不设螺栓的接头，假定接头面受压区混凝土接触压力为抛物线，认为接头的变形主要由混凝土的压缩变形引起，由此推导出相应的抗弯刚度系数K的计算式 ；,国内外现状分析,代表:朱合华，杨林德，陶履彬等（1998）的梁接头模型；文献整体装配式衬砌接头加载
4、试验与结构计算理论（2000）对南水北调穿黄盾构隧道进行了1:1的模型研究，其认为接头压缩位移主要是由衬垫压缩引起，张开主要由螺栓伸长产生；文献盾构法隧道错缝拼装衬砌受力机理的研究（2001）推导出平面型纵缝接头力学模型等。 尚待进一步的研究：一是如何合理地确定弹簧的刚度；二是如何简化计算方法，提高计算效率。,文章的研究意义,文章的研究意义： 对于盾构隧道的结构设计，在地下铁道设计规范等中是按照弹性均质圆环法或弹性铰圆法计算，而大量的工程实测结果表明实际内力远比按均质圆环法计算的结果小，弹性铰法假定接头的变形与内力成线性关系与实际的接头性能具有明显的非线性不相符合。且一般大型工程都要进行接头的
5、加载试验，以确定接头的受力和变形情况，对于像南京长江隧道这样的超大断面（14.5m）、高水压、管片接头采用斜螺栓作为连接螺栓的盾构隧道，在国内尚属首次，为使这类隧道管片的设计更加安全、经济、合理，以便为设计提供可靠的依据，必须对接头的受力、变形及破坏过程进行研究。,研究方法及创新性,研究方法： 管片接头原型试验；数值模拟分析；接头可靠度分析 创新性： 文章利用管片接头原型试验和数值模拟手段并结合概率理论处理的方法，对在国内工程建设中首次出现的超大断面、高水压、斜螺栓式的盾构隧道管片接头的受力、变形、破坏过程及可靠度进行研究，得出管片接头受力、变形特征规律和接头力学影响因素的程度值及接头抗弯刚度
6、回归方程。,南京长江隧道管片接头原型试验研究,管片接头原型试验概括 试验装置、设备与方法 管片接头原型试验成果分析,管片接头原型试验概括,试验研究的必要性： 盾构隧道管片接头的结构特点使衬砌结构的断面变化复杂，整个结构各部分刚度变化很大，使已有的整体式地下结构计算理论不能确切反映管片环强度和变形特征。目前考虑接头影响的各种计算方法普遍是将接头简化为某种弹簧，用弹簧的刚度系数来评价接头的变形特征。由于接头受力的复杂性，目前接头刚度与接头强度的取值还无现成理论可依，各国均是通过试验加以确定。,试验目的： 通过对以斜螺栓连接的南京长江隧道盾构管片接头进行加载试验，对接头部位的刚度和强度进行定量评价，
7、对接头端肋、连接螺栓等各部分的强度匹配情况进行研究；研究不同轴力、弯矩、连接螺栓预紧力等因素对接头刚度和强度的影响，为理论分析和改进接头设计提供依据，为整体结构力学分析提供重要的参数接头刚度系数。,管片接头原型试验概括,管片接头原型试验概括,试验总体概括: 试验共使用了4对外管片接头试件，均为直板型接头，其中抗弯试件2组，抗剪试件2组。总体上看，试验方案合理，测试手段先进，测量数据齐全，并结合南京长江隧道管片衬砌结构相似模型试验、管片衬砌结构体原型结构试验（管片环错缝拼装、通缝拼装试验和单体原型管片加载试验）进行比较分析，试验结果具有代表性。,试验装置、设备与方法,试验装置及加载: 试验装置采
8、用“多功能盾构隧道结构体原型加载系统”装置+6根拉杆，其示意图见图2-1。,图2-1多功能盾构隧道结构体试验系统实物图,试验装置、设备与方法,试验装置及加载: 管片接头抗弯试验示意图分别见图2-2 。,图2-2 管片接头抗弯试验示意图,试验装置、设备与方法,试验装置及加载: 管片接头抗剪试验示意图分别见图2-3 。,图2-3 管片接头抗剪试验示意图,试验装置、设备与方法,试件几何尺寸 : 南京长江隧道管片整体、细部结构和纵缝连接构造如图2-5、2-6所示。,图2-6 纵缝连接构造示意图 图2-5(a) 管片整体及细部示意图,试验装置、设备与方法,试件几何尺寸 : 为了方便导入内力，采用预制直板
9、型钢筋混凝土管片代替原来的曲板型管片进行加载,同时经数值模拟，采用1/3幅宽的计算结果和采用全幅宽的相差约1%，因此采用1/3幅宽进行试验。考虑到巨大的轴力在一定的挠度下使得管片失稳，管片的长度在保证圣维南原理的条件下应尽可能小，结合设备尺寸，取两管片总长2315mm，抗弯试验两管片块长度相等，抗剪试验时则一长一短,长的一块固定，接头尽量靠近支座处，在接头的另一端施加剪力（尽量减少弯矩的产生）。,试验装置、设备与方法,试件浇注 : 为保证螺栓可精确连接两管片，在台阶上采用加长螺栓连接两管片同时进行浇注，如图2-7所示。接头断面采用精密钢模制作，要求其达到原型管片的相同误差范围，其它断面可以适当
10、降低要求。连接螺栓、衬垫材料以及手孔部位都要精确模拟。,图2-7 接头试件浇注示意图,(a) 抗弯试件,(b) 抗剪试件,试验装置、设备与方法,试件浇注 : 管片配筋量与设计配筋量相当，如图2-8所示。,(a)试验管片配筋图 (b)管片试件(抗剪)钢筋笼拼装,图2-8 接头试件配筋示意图,试验装置、设备与方法,边界条件模拟 : 接头抗弯试验、抗剪试验中轴力和弯矩方向的作用力是通过使用尼龙棒以线荷载的方式施加到管片表面的。图2-9 聚四氟乙烯板是在接头抗剪试验中为保证施加剪力端在剪力方向能自由移动，两层聚四氟乙烯板其摩擦系数为0.03，并可在板之间添加水或者航空耐磨液压油进一步降低其摩擦系数。,
11、图2-9 聚四氟乙烯板,试验装置、设备与方法,测试项目 : 试验中需量测的项目主要有：接头张开角、接触面压应力、接头附近表面混凝土应变、接头螺栓的应变、接头水平位移和管片垂直位移（挠度）、裂缝宽度和方向、支座沉降位移等。试验按照混凝土结构试验方法标准设计，通过这些参数可以计算出接头抗弯刚度系数、接触面受压区高度等。,试验装置、设备与方法,图2-10 位移计布置展开图（正弯）,图2-13 应变片布置展开图,图2-12接头端面压敏纸布置,图2-14 螺栓加工及应变片布置,测试项目 :,试验装置、设备与方法,测试项目 :,图2-17 数据采集与分析系统示意图,试验装置、设备与方法,加载方案 :,表2
12、-1 管片接头加载试验加载等级表（抗弯）,管片接头试验成果分析,第二组负弯试验轴力为8027kN时试验成果分析 : 在负弯矩荷载下，试件内弧面受压（负值），在同一工况中，试件混凝土表面应变随高度增大而增大，并出现拉应变；同时由于有两个面为凌空面，由边界效应可知，试件侧面最低和最高位置应变片可能出现压、拉应变减少现象。,图3-1,2 第二组负弯试验轴力为8027kN时试件侧面1，2砼表面应变分布曲线,管片接头试验成果分析,第二组负弯试验轴力为8027kN时试验成果分析 : 在负弯矩情况下，试件内弧面整体受压（负值），且压应变基本保持不变。对应手空位置压应变出现减小趋势，同一曲线成右“凸”行，这表
13、明试验中由于螺栓受力和端肋的缘故，导致手孔位置混凝土表面压应变产生减少现象，手孔对试件端部刚度具有一定的削弱作用，端肋有一定的柔性。,图3-5,6第二组负弯试验轴力为8027kN时试件幅宽方向1，2砼表面应变分布曲线,管片接头试验成果分析,第二组负弯试验轴力为8027kN时试验成果分析 : 在荷载弯矩较小的情况下，接头张开较小，且试件接头整体张开保持一致，试件处于弹性状况。随着荷载弯矩的增加，试件接头张开情况趋于明显，且由试件接头张开曲线可看出试件由弹性状态向塑性状态转变，接头面的形状也并非像假设中的两个平面，而是从受压区平面到脱离区平面的一个过度曲面。,图3-7 第二组负弯试验轴力为8027
14、kN时试件接头张开曲线,管片接头试验成果分析,第二组负弯试验轴力为8027kN时试验成果分析 : 图3-8在荷载弯矩为1000kN.m左右出现拐点，此时试件的最大张开量为1.26mm，之后随着荷载的增加，试件最大张开量增加明显，增加幅度为1mm左右。图3-9试件管片受压区高度由350mm随荷载弯矩的增加减少到187mm，这与图3-1图3-2中试件侧面混凝土表面应变分布曲线中应变由压应变向拉应变转变的位置相对应。,图3-8,9第二组负弯试验轴力为8027kN时最大张开量、受压区高度与弯矩关系,管片接头试验成果分析,第二组负弯试验轴力为8027kN时试验成果分析 : 在弯矩较小的情况下，接头转角转
15、角曲线近似为直线，该段试件接头抗弯刚度系数超过550 MN.M/Rad，当荷载弯矩超过1000kN.m后，曲线出现明显的平缓倾向，试件接头抗弯刚度系数减小。,图3-10 第二组负弯试验轴力为8027kN时试件接头转角与弯矩的关系曲线,管片接头试验成果分析,第二组负弯试验不同轴力下试验成果的比较分析 : 图3-11，图3-12和图3-13为负弯工况时接头弯矩与最大张开量、受压区高度、接头转角的关系曲线图。,图3-11，12，13 第二组负弯试验不同轴力下弯矩与最大张开量、受压区高度接缝转角的关系曲线,管片接头试验成果分析,第一组正弯试验不同轴力下试验成果的比较分析 : 正弯荷载破坏试验中，管片外
16、弧面接头位置出现明显的混凝土挤压破坏，随着接头张开量的进一步增大，由于连接螺栓的拉伸，使得有预埋套筒端，螺栓孔位置混凝土同样出现挤压破坏。由于斜螺栓手孔削弱较小，且端肋较厚，手孔位置并未出现裂纹。,图3-14，15第一组正弯试验接头张开量测 ，破坏形态,管片接头试验成果分析,第一组正弯试验不同轴力下试验成果的比较分析 : 图3-16在竖向荷载较小时，水平荷载为3016KN、4005KN、4995KN所对应的曲线都比较平缓，随着竖向荷载的继续增大，不同水平荷载所对应的曲线开始分开。图3-17中接头受压区高度在最大张开量为2mm时较数值模拟略大。图3-18小荷载时，由于加载装置精确度不高，试验数据较少，试验曲线与数值模拟曲线平行，规律一致。,图3-16，17，18第一组正弯试验接头弯矩与最大张开量、受压区高度、接缝转角关系曲线,管片接头试验成果分析,抗剪试验结果分析 : 对于有混凝土端面直接接触的接缝，接头抗剪大部由混凝土端面摩擦承担，对于斜螺栓连接的接头，接缝接缝剪切破坏形式有可能是螺栓拉坏
