內貼式橡膠止水帶結構與性能研究

羅勇歡，馮正林，劉 佳，何波興，郭紅鋒

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

沉管隧道的每一個管段都是一個預制件，在管段之間和管段與通風塔之間存在接頭。管段接頭是沉管隧道的重要部位，同時也是薄弱部位，其結構強度和剛度相對混凝土而言都顯得非常脆弱。接頭一般分為兩種形式:一種接頭具有與其連接管段相似的斷面剛度和強度——剛性接頭;另一種接頭則允許在三個主軸方向上有相對位移——柔性接頭。目前，國內外沉管隧道多采用柔性接頭，柔性接頭的防水體系一般采用“壓縮式橡膠止水帶(GINA)+內貼式橡膠止水帶(OMEGA)”雙層組合方式。管段接頭結構斷面示意如圖1。

圖1 管節(jié)接頭結構斷面(單位:mm)

1 內貼式橡膠止水帶的結構及安裝方法

1.1 內貼式橡膠止水帶結構

如圖2所示，內貼式橡膠止水帶主體材料為橡膠，中間加設纖維層(簾布)以提高其耐水壓能力，端頭呈凸圓狀，其內設有硬質膠條以確保在高水壓下橡膠止水帶不會發(fā)生滑移、內縮。此外，在止水帶底邊設有三排密封唇，使接觸為線接觸，從而提高止水帶與混凝土等接觸面的局部壓應力，更好地滿足壓密止水功效。

圖2 內貼式橡膠止水帶結構示意

1.2 內貼式橡膠止水帶安裝方法

內貼式橡膠止水帶的安裝方法應根據(jù)管節(jié)接縫的構造特點，并考慮安裝過程的便捷性。如圖3所示，首先將套筒預埋在混凝土中，然后把內貼式橡膠止水帶、壓板和圓鋼平鋪在安裝臺上，最后用螺桿和螺母進行固定。本方法采用螺紋聯(lián)結方式將內貼式橡膠止水帶固定在沉管管節(jié)縫隙處，利用橡膠的高彈性，將內貼式橡膠止水帶壓板一端定位，擰緊螺母(扭矩根據(jù)實際需要設定)，螺母推動壓板的另一端將止水帶壓緊，從而把作用力傳遞到止水帶的兩翼，壓緊底部的3道密封唇，達到密封止水效果。

圖3 內貼式橡膠止水帶安裝示意

2 模擬分析

為了合理確定內貼式橡膠止水帶的結構，對于內貼式橡膠止水帶在幾種重要工況下的受力和變形情況進行了有限元模擬分析。

2.1 工作環(huán)境

工作水壓:0.55 MPa;設計位移:水平方向30 mm，豎直方向50 mm。

2.2 計算工況

工況1:不斷調整壓板豎向位移，使止水帶三道密封唇剛好被壓平。

工況2:考慮地震等極限荷載作用，在工況1條件下水平張拉30 mm。

工況3:考慮地震等極限荷載作用，在工況1條件下豎向張拉50 mm。

2.3 結果分析

不斷調整壓板豎向位移，當豎向位移為7.5 mm時，止水帶三道密封唇剛好被壓平。止水帶主要部位應力分布如圖4所示，最大應力為34.53 MPa，出現(xiàn)在簾布上;三道密封唇與預埋鋼板間的接觸應力均大于工作水壓0.55 MPa。

圖4 工況1下應力分布(單位:MPa)

2)工況2

在地震等極限荷載作用下，壓板豎向位移7.5 mm，止水帶水平張拉30 mm，工作水壓0.55 MPa。止水帶主要部位應力分布如圖5所示，最大應力為32.65 MPa，出現(xiàn)在簾布上;三道密封唇與預埋鋼板間的接觸應力均大于工作水壓0.55 MPa。

圖5 工況2下應力分布(單位:MPa)

3)工況3

在地震等極限荷載作用下，壓板豎向位移7.5 mm，止水帶豎向張拉50 mm，工作水壓0.55 MPa。止水帶主要部位應力分布如圖6所示，最大應力為35.50 MPa，出現(xiàn)在簾布上;三道密封唇與預埋鋼板間的接觸應力均大于工作水壓0.55 MPa。

圖6 工況3下應力分布(單位:MPa)

從以上分析可知:①在各工況下，簾布的最大應力分別為 34.53 MPa、32.65 MPa和 35.50 MPa，遠小于其試驗斷裂強度值134 MPa，能夠保證簾布的安全;②在各工況下，止水帶的密封唇與預埋鋼板間的接觸應力均大于工作水壓0.55 MPa，能夠保證該止水帶的水密性要求。

4)螺栓預緊力分析

設d(f)=3, ch(f)=3-4=-1,事實上R3已經(jīng)考慮到了3-面的所有情況,依次來討論。若f是一個(3,3,3)-面,由引理1(3)和R3.1得若f是一個(3,3,k)-面(k=4,5,6),由引理1.3和R3.2得若f是一個(3,3,7+)-面,由R3.3得ch′(f)≥ch(f)+1=-1+1=0。若f是一個(3,4,4)-面,由引理1(2)和R3.4得 若f是一個(3,4,5+)-面,由R3.5得若f是一個(3,5+,5+)-面,由R3.6得 若f是一個(4+,4+,4+)-面,由R3.7得綜上,3-面得證。

當壓板豎向位移為7.5 mm時，剛好壓平三道密封唇，取壓板豎向位移為7.5 mm時的受力狀況作為螺栓預緊力的設計依據(jù)。

豎向力與豎向位移曲線如圖7所示。圖中加載起點在(0，0)位置，X軸正負表示位移的方向，Y軸正負表示力的方向。

圖7 豎向力與豎向位移曲線

通過仿真分析，得出當壓板豎向位移為7.5 mm時，三道密封唇剛好被壓平，此時對應的約束反力為66.2 N，壓板的長L和寬B分別為1 mm和40 mm，因此在壓板上需要施加的面壓為

式中:σ為壓板面壓，MPa;F為工況1下壓板的約束反力，N;L為模擬分析時壓板單位長度，mm;B為壓板寬度，mm。

安裝時，壓板實際長度L'為220 mm，因此螺栓設計預緊力P為

P=σL'B=1.655×220×40=14 564 N=14.6 kN式中，P為螺栓設計預緊力，N。

3 水密封試驗驗證

3.1 試驗裝置

試驗裝置(見圖8)分為對稱兩塊，通過變形縫連接成一個近似長方體，長×寬×高分別為900 mm×1 000 mm×1 000 mm。裝置采用鋼箱結構和截面比例為1∶1的止水帶，通過往內腔加水來模擬止水帶在實際工況下的水壓力。試驗通過機械裝置調整兩個鋼箱的位置，準確模擬鋼箱的相對位移，從而檢驗內貼式橡膠止水帶在不同張開量、不同水壓力和一定剪切量下的水密封性能。

3.2 試驗工況

工況一:純張拉，即沿試驗裝置水平方向張拉，判斷在不同張開量、不同水壓力值工況下的水密封性能。

工況二:剪切—張拉，即先沿試驗裝置前后張拉10 mm，然后再水平方向張拉，判斷在10 mm剪切變形基礎上，不同張開量、不同水壓力值工況下的水密封性能。

圖8 水密封試驗裝置

3.3 試驗步驟

試驗過程中，每當水壓加到預設值后，先靜置0.5 h，如果有壓降就補充加壓，以消除應力釋放帶來的誤差，然后保壓2 h，每隔20 min讀取一次數(shù)據(jù)。具體試驗步驟為:①檢查止水帶是否安裝好，螺栓是否擰緊。②通過調節(jié)導軌，把裝置調節(jié)到預設張開量。③打開鋼箱頂部的進水閥，往密閉鋼箱內充水。④打開加水壓設備的卸壓閥，檢查壓力表。⑤關閉空壓機的出氣閥，插上電源，讓空壓機工作。⑥施加第一級水壓。打開空壓機出氣閥，緩慢調節(jié)驅動氣壓調節(jié)閥，使驅動氣壓慢慢升高到0.1 MPa，增壓泵開始工作，繼續(xù)緩慢調節(jié)驅動氣壓調節(jié)閥，當壓力達到所需壓力時，停止調節(jié)驅動氣壓。⑦保壓和讀取數(shù)據(jù)。本試驗施加水壓從預設值0.5 MPa開始，保壓2 h，每隔20 min讀取一次數(shù)據(jù)，并認真填寫試驗原始記錄。⑧施加下一級水壓。打開高壓截止閥，打開驅動氣壓調節(jié)閥開關，繼續(xù)⑥的操作。⑨關閉驅動氣壓調節(jié)閥開關，打開卸壓閥，直到壓力顯示為0。⑩繼續(xù)進行下一個張開量下的試驗，直到試驗結束。

3.4 試驗結果

純張拉工況下水密封試驗結果見表1，剪切—張拉工況下水密封試驗結果見表2。表中，完好表示水密封試驗符合要求，空格表示不需要測試。

表1 純張拉工況下水密封試驗結果

表2 剪切—張拉工況下水密封試驗結果

從表1和表2可看出:①在純張拉和10 mm剪切量的剪切—張拉兩種工況下，止水帶樣品的水密封性能均良好;②止水帶樣品在試驗中和試驗后均未發(fā)現(xiàn)明顯的鼓包、裂痕及破損現(xiàn)象。

4 結語

大量的工程應用驗證了采用內貼式橡膠止水帶是解決沉管隧道密封止水問題的有效方法。通過對內貼式橡膠止水帶分別在張拉和剪切兩種工況下的模擬分析，以及按照實際工況進行的水密封試驗，驗證了內貼式橡膠止水帶的結構形式和水密封特性均滿足設計要求，可以很好地滿足我國沉管隧道工程建設的需要。

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