矩形盾构管片接头抗剪试验研究*

蒋首超 刘仁勇 柳 献 孙 巍 官林星

1. 同济大学 土木工程学院 上海 200092；2. 上海市市政工程设计研究院有限公司 上海 200092

1 接头抗剪试验概况

1.1 试验研究内容

本试验的研究内容包括：接缝变形随剪力的变化规律；螺栓的受力状态；接缝的破坏过程；接缝的抗剪承载力。

1.2 试件设计

本试验的接头模型采用3 块管片组装而成。接头采用原尺寸，长度方向上仅取管片的一段，两侧试块长550 mm，中间块长800 mm，环宽和厚度与管片原尺寸相同，分别为1 000 mm和550 mm。管片间用8 根M39的高强度钢螺栓连接。试验用管片尺寸如图1所示。

图1 试件尺寸

2 加荷设计[1]

2.1 接头荷载

接头实际所受内力的弯矩设计值为92 kN·m，轴力设计值为297 kN，剪力设计值为624 kN。试验过程中接头受到轴力和剪力的共同作用，管片的加载如图2所示。

图2 加载示意

2.2 加载设备与方法

试验架由2 个自平衡的垂直龙门架和1 根反力梁组成，加载方法如图3所示。

图3 接头抗剪试验安装示意

试验时，将试件支撑在反力架上的铰支座上。试件两端连接对拉梁，水平荷载N采用2 台1 000 kN的张拉千斤顶施加到对拉梁上；竖向荷载P采用2 台2 000 kN的油压千斤顶施加荷载；千斤顶的加载值采用力的传感器量测。

2.3 荷载工况

本试验共有3 种工况，分别为凹凸榫和螺栓复合抗剪工况，考虑安装误差工况，凹凸榫单独抗剪工况。每种工况有2 组试件。具体的试验工况如表1所示。

其中在考虑安装误差抗剪工况中，拿掉了2 个螺栓，同时使接头的一侧有1 条初始张缝，来模拟实际施工中由于拼装误差等原因而可能造成的初始缺陷；在凹凸榫单独抗剪工况中，把所有螺栓去掉，仅靠凹凸榫承受剪力。

表1 接头抗剪试验工况

2.4 测量内容及测量点布置

试验测试内容包括接头错动测点8 点、螺栓应变16 点。具体的测点布置如图4所示。

图4 接头抗剪测点布置平面示意

螺栓应力测量传感器拟采用箔式应变计，应变计粘贴、密封后用导线在环向螺栓上铣出的凹槽中引出，并逐一加以编号。每根螺栓均布置2 个对称应变测点。螺栓编号如图5所示。

图5 螺栓编号

接头错动量测量选用电子位移传感器。用SW、SE、NW、NE分别代表西南、东南、西北、东北接缝测点的错动量，以中间块向下为正。

3 试验结果与分析[2]

3.1 试件错动量

3.1.1 复合抗剪工况

以2 组抗剪接头NW处接缝为例，绘制错动量随荷载变化的曲线如图6所示。

随着荷载的增大，接头错动量呈缓慢增长趋势。从图中可以看出1-1发生了2 次滑移，而1-2只发生了1 次滑移。

图6 NW处错动量变化曲线

对于试件1-1，在竖向荷载施加到设计荷载之前，错动量很小，设计荷载时，错动量为0.36 mm；继续施加竖向荷载，在P=795 kN时，试件突然滑动，滑动后接头错动量达到3.07 mm；之后施加竖向荷载，错动量变化不大，到P=1 011 kN时，接头再次产生突然的相对滑移，滑动后接头错动量达到4.05 mm；在P=1 272 kN时，错动量达到4.26 mm。

对于试件1-2，错动量随荷载增加不断增大，设计荷载时，错动量为0.58 mm；在P=816 kN时，试件突然滑动，滑动后接头错动量达到1.37 mm；继续施加竖向荷载，错动量变化不大，到P=1 160 kN时，错动量达到最大，为1.95 mm。

3.1.2 考虑安装误差工况

为制造安装误差，2 组试件均拿掉了螺栓L4与L5，同时试件2-1接头下侧有6 mm的初始张缝；试件2-2令接头西侧有6 mm的初始张缝。

以2 组抗剪接头NW处接缝为例，绘制错动量随荷载变化的曲线如图7所示。

随着荷载的增大，接头错动量呈缓慢增长趋势。从图中可以看出2 组试件均没有发生滑移。

对于试件2-1，在P=200 kN之前，错动量很小，在P=200 kN时出现一拐点，之后曲线斜率逐渐减小，在P=450 kN时，又出现一拐点，曲线斜率逐渐增大；在P=658 kN时，错动量达到最大值，为2.8 mm。

图7 NW处错动量变化曲线

对于试件2-2，在P=395 kN时，错动量达到最大值，为1.07 mm。之后错动量变化不大，在P=636 kN时，错动量为0.89 mm。表2列出了在设计荷载时，接头4 个测点处的错动量大小。

表2 考虑安装误差工况接头错动量

从表2可以看出，试件2-1的西侧测点（SW与NW）错动量较大，而试件2-2 的东侧测点（SE与NE）错动量较大。说明有安装误差存在时，接头错动时以转动为主。

3.1.3 凹凸榫抗剪工况

本工况中去掉了所有螺栓，仅靠凹凸榫单独抗剪。

以2 组抗剪接头NW处接缝为例，绘制错动量随荷载变化的曲线如图8所示。

图8 NW处错动量变化曲线

随着荷载的增大，接头错动量呈缓慢增长趋势。从图中可以看出2 组试件均没有发生滑移。

对于试件3-1，接头在最大承载力1 254 kN时的错动量为4.86 mm，之后承载力降低，但错动量继续增大，直至接头破坏。

对于试件3-2，接头在最大承载力1 231 kN时的错动量为6.09 mm，之后承载力降低，但错动量继续增大，直至接头破坏。

试验表明，试件的破坏是由于加载过程中产生了附加弯矩，令接头出现一定张角，导致凹凸榫脱出造成的。且2 组试件破坏荷载相差不大，接近2 倍的设计荷载1 250 kN。

3.2 螺栓应变分析

以2 组抗剪接头螺栓L5的应变为例，绘制错动量随荷载变化的曲线如图9所示。

图9 NW处错动量变化曲线

对于试验1-1，设计荷载时，测点应变为407 μ ε；施加轴力后，应变有所减少，达到295 μ ε；继续施加竖向荷载，在P=795 kN时，试件发生第一次滑动，应变突然减小，变为309 μ ε；在P=1 011 kN时，试件发生第2次滑动，应变突然增大，变为772 μ ε；在P=1 272 kN时，测点应变达到最大值，为1 011 μ ε。

对于试验1-2，设计荷载时，测点应变为836 μ ε；施加轴力后，应变有所减少，达到642 μ ε；继续施加竖向荷载，在P=816 kN时，试件产生滑动，应变突然增大，变为974 μ ε；在P=1 272 kN时，测点应变达到最大值，为1 847 μ ε。

试验表明，对于复合受剪工况，在设计荷载（624 kN）时，上排螺栓受到压应变，应变值较小，下排螺栓受到拉应变，且外侧螺栓L5、L8应变值较大，内侧螺栓L6、L7应变值较小；在2 倍设计荷载（1 250 kN）时，上排螺栓也有拉应变产生。对于考虑安装误差工况，上排螺栓受到压应变，下排螺栓受到拉应变。

4 理论分析[3]

4.1 接触面摩擦抗剪

管片所受轴向力N=297 kN。

接头处所有螺栓预紧力的合力为N'，假定每个螺栓扭矩相同，均为2 500 N·m，则：

摩擦因数μ取0.3，则Pu=μ（N+N'）=788 kN，与复合抗剪工况中，试件发生滑动时的荷载接近。

4.2 凹凸榫单独抗剪

取抗剪试验右接头如图10所示。

分析假定：抗剪承载力仅由凹凸榫承担，螺栓不分担接头的抗剪承载力。取图中圆圈部分（即凹凸榫的下部）进行分析，将其简化成如图11（a）所示的2 个滑块。对滑块A进行受力分析，其受力示意图如图11（b）所示。

图10 右接头示意

图11 凹凸榫简化模型

其中P为管片所受的竖向力，f为滑块B对滑块A的摩擦力，F弹为滑块B对滑块A的弹力。

经计算得出：

当μ取0.3，θ为18.5°时，k=-1.33，即试件若保持角度不变，则试块不会滑出。

5 结语

本文研究了矩形盾构接头在复合抗剪、考虑安装误差、凹凸榫单独抗剪3 种工况下的性能。最后得出了以下结论：

1）在复合抗剪工况中，试件的第1次滑移均发生在800 kN左右时，与接触面摩擦抗剪承载力的理论值788 kN相差不大。接头变形以试件相对滑动为主。

2）考虑安装误差工况中，接头的变形以试件的相对转动为主。

3）凹凸榫单独受剪工况中，接头的相对错动量变化曲线均比较平滑，没有发生突然的相对滑移。试件的破坏是由于加载过程中产生了附加弯矩，令接头出现一定张角，导致凹凸榫脱出造成的。其中3-1的抗剪承载力为1 254 kN， 3-2为1 331 kN，接近2 倍的设计荷载1 250 kN。说明在没有螺栓的情况下，接头在剪力作用下仍旧比较安全。

4）由于附加弯矩的存在，螺栓基本上为上排受压应变，下排受拉应变；螺栓受力不均匀，每组试件的8 个螺栓中有2～3 个受力较大。