矩形盾構管片接頭抗剪試驗研究*

蔣首超 劉仁勇 柳 獻 孫 巍 官林星

1. 同濟大學 土木工程學院 上海 200092；2. 上海市市政工程設計研究院有限公司 上海 200092

1 接頭抗剪試驗概況

1.1 試驗研究內容

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

1.2 試件設計

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，兩側試塊長550 mm，中間塊長800 mm，環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 加荷設計[1]

2.1 接頭荷載

接頭實際所受內力的彎矩設計值為92 kN·m，軸力設計值為297 kN，剪力設計值為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；千斤頂的加載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 測量內容及測量點布置

試驗測試內容包括接頭錯動測點8 點、螺栓應變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

螺栓應力測量傳感器擬采用箔式應變計，應變計粘貼、密封后用導線在環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 試驗結果與分析[2]

3.1 試件錯動量

3.1.1 復合抗剪工況

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發生了2 次滑移，而1-2只發生了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計荷載之前，錯動量很小，設計荷載時，錯動量為0.36 mm；繼續施加豎向荷載，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接頭下側有6 mm的初始張縫；試件2-2令接頭西側有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時出現一拐點，之后曲線斜率逐漸減小，在P=450 kN時，又出現一拐點，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的西側測點（SW與NW）錯動量較大，而試件2-2 的東側測點（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生了附加彎矩，令接頭出現一定張角，導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 倍的設計荷載1 250 kN。

3.2 螺栓應變分析

以2 組抗剪接頭螺栓L5的應變為例，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，設計荷載時，測點應變為407 μ ε；施加軸力后，應變有所減少，達到295 μ ε；繼續施加豎向荷載，在P=795 kN時，試件發生第一次滑動，應變突然減小，變為309 μ ε；在P=1 011 kN時，試件發生第2次滑動，應變突然增大，變為772 μ ε；在P=1 272 kN時，測點應變達到最大值，為1 011 μ ε。

對于試驗1-2，設計荷載時，測點應變為836 μ ε；施加軸力后，應變有所減少，達到642 μ ε；繼續施加豎向荷載，在P=816 kN時，試件產生滑動，應變突然增大，變為974 μ ε；在P=1 272 kN時，測點應變達到最大值，為1 847 μ ε。

試驗表明，對于復合受剪工況，在設計荷載（624 kN）時，上排螺栓受到壓應變，應變值較小，下排螺栓受到拉應變，且外側螺栓L5、L8應變值較大，內側螺栓L6、L7應變值較小；在2 倍設計荷載（1 250 kN）時，上排螺栓也有拉應變產生。對于考慮安裝誤差工況，上排螺栓受到壓應變，下排螺栓受到拉應變。

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μ取0.3，則Pu=μ（N+N'）=788 kN，與復合抗剪工況中，試件發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，螺栓不分擔接頭的抗剪承載力。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彈為滑塊B對滑塊A的彈力。

經計算得出：

當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 結語

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

1）在復合抗剪工況中，試件的第1次滑移均發生在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，沒有發生突然的相對滑移。試件的破壞是由于加載過程中產生了附加彎矩，令接頭出現一定張角，導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變，下排受拉應變；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。