沉管隧道節(jié)段接頭剪力分配原則及降低剪力構(gòu)造措施研究

黃清飛，李塔，呂勇剛

沉管隧道節(jié)段接頭剪力分配原則及降低剪力構(gòu)造措施研究

黃清飛，李塔，呂勇剛

（中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京100088）

以港珠澳大橋沉管隧道工程為背景，首先利用有限元軟件建立節(jié)段式沉管隧道三維模型，通過數(shù)值計算研究橫向均勻地基剛度條件下節(jié)段接頭剪力分擔(dān)比及橫向不均勻地基剛度系數(shù)對剪力鍵剪力分配影響，隨后通過室內(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：橫向均勻地基剛度條件下剪力鍵平均分擔(dān)剪力，單個剪力鍵剪力變化值與橫向不均勻地基剛度系數(shù)成正比；設(shè)置彈性墊層是降低節(jié)段接頭剪力的有效措施，可降低剪力10%～20%。

沉管隧道；節(jié)段接頭；剪力鍵；剪力分配原則

隨著我國跨海越江沉管隧道的不斷修建，沉管法施工與理論技術(shù)不斷進(jìn)步[1]。超長沉管隧道采用節(jié)段式管節(jié)，可避免因溫度變化差異、施工差異、混凝土內(nèi)部應(yīng)力過大等原因引起混凝土管節(jié)出現(xiàn)開裂的情況[2]。已有國內(nèi)外試驗(yàn)主要是針對沉管隧道中間接頭和最終接頭的研究，對節(jié)段接頭的構(gòu)造形式、受力特性、及剪力承擔(dān)比等方面的研究尚少。目前沉管隧道節(jié)段接頭剪力鍵的設(shè)計施工主要參考管節(jié)接頭剪力鍵，但兩者的結(jié)構(gòu)、數(shù)目、布置位置均不同，未來工程中僅僅依靠管節(jié)接頭剪力鍵的相關(guān)理論與經(jīng)驗(yàn)來指導(dǎo)節(jié)段接頭剪力鍵設(shè)計施工，將無法滿足越來越長的沉管隧道要求[3]。

節(jié)段接頭剪力可采用簡化計算方法或縱向梁單元數(shù)值模型計算得出[4]，但通常只能得出節(jié)段接頭總剪力值，節(jié)段接頭每個剪力鍵剪力分配與結(jié)構(gòu)形式、地基剛度橫向分布密切相關(guān)，為保證結(jié)構(gòu)安全，針對每個剪力鍵進(jìn)行具體設(shè)計，則需要對節(jié)段接頭剪力鍵剪力分配原則進(jìn)行深入研究。

1 接頭剪力鍵剪力分配原則

1.1 計算模型及邊界條件

采用ansys建立3個管節(jié)的三維板單元shell63模型，節(jié)段接頭剪力鍵及管節(jié)接頭剪力鍵采用多折線線性彈簧模擬，節(jié)段接頭接觸采用只壓彈簧模擬，同時施加一對相向荷載模擬初始壓接，管節(jié)接頭GINA采用非線性彈簧模擬，管節(jié)四周均考慮土體與結(jié)構(gòu)的摩擦效應(yīng)，采用非線性彈簧模擬，摩擦彈簧剛度分配須保證摩擦力對結(jié)構(gòu)形心的力矩相等、結(jié)構(gòu)在縱向均勻荷載作用下不發(fā)生彎曲。

計算模型在縱向兩端面設(shè)置縱向彈簧，根據(jù)對稱原則，剛度取為GINA剛度的2倍，在模型的下部設(shè)置地基彈簧，地基彈簧遵從溫克爾假定。

1.2 計算條件

港珠澳大橋沉管隧道在K10+250—K10+450范圍內(nèi)橫向剛度不均勻性顯著，導(dǎo)致E13與E14管節(jié)有橫向扭轉(zhuǎn)的趨勢，受力非常不利，如圖1。

圖1 地基剛度橫向扭轉(zhuǎn)區(qū)域圖Fig.1Lateral torsional region of foundation stiffness

建立該范圍附近3個管節(jié)的板單元模型（E13～E15管節(jié)），以E13～E15管節(jié)荷載條件和中線地基剛度為基本條件，通過設(shè)定不同橫向地基剛度不均勻系數(shù)，進(jìn)行地基剛度不均勻?qū)袅︽I剪力影響敏感性分析。

升溫工況對應(yīng)的節(jié)段接頭剪力為控制工況，因此敏感性分析針對升溫工況進(jìn)行。假定從K10+ 297—K10+410橫向地基剛度（橫向地基剛度不均勻系數(shù)取表1中所示6個工況）如圖2所示漸進(jìn)變化，分析相應(yīng)節(jié)段接頭剪力鍵剪力分配影響。

表1 不同工況橫向地基剛度不均勻系數(shù)Table 1Nonuniform coefficient of lateral foundation stiffness under different conditions%

圖2 K10+297—K10+410區(qū)間地基剛度橫向分布圖Fig.2Lateral distribution of foundation stiffness in section K10+297 to K10+410

1.3 分析結(jié)果

橫向地基剛度不均勻系數(shù)逐漸加大后，管節(jié)豎向位移發(fā)生明顯變化。隨著不均勻系數(shù)逐漸加大，橫向扭轉(zhuǎn)趨勢也更為顯著。計算結(jié)果如圖3所示（以橫向地基剛度不均勻系數(shù)取25%為例）。

圖3 位移計算結(jié)果云圖Fig.3Calculation result nephogram of displacement

不同工況下節(jié)段接頭總剪力對比如圖4所示，從圖4可以看出，地基剛度橫向不均勻系數(shù)小于15%時，對節(jié)段接頭總剪力基本無影響；當(dāng)?shù)鼗鶆偠葯M向不均勻系數(shù)進(jìn)一步增大時，其對剪力鍵剪力的影響較為明顯，在地基剛度橫向不均勻系數(shù)為25%時，相比橫向均勻地基剛度工況，節(jié)段接頭總剪力增大了約6%。

圖4 接頭總剪力圖Fig.4Total shear force of joints

港珠澳大橋沉管隧道每個節(jié)段接頭在側(cè)墻和中墻共布置有4組豎向剪力鍵，對應(yīng)不同橫向不均勻地基剛度系數(shù)，單鍵剪力對比如圖5所示，單鍵剪力具體數(shù)值如表2所示。

圖5 不同扭轉(zhuǎn)工況下單鍵剪力變化圖Fig.5Single shear force change under different torsion conditions

表2 不同工況下剪力鍵剪力分配Tabel 2Shear force distribution under different conditions

對比研究可以看出，隨著橫向不均勻地基剛度系數(shù)的逐漸增大，左鍵剪力逐漸從正值先減小后變?yōu)樨?fù)值，右鍵剪力逐漸增大。

橫向均勻地基剛度工況：側(cè)墻剪力鍵剪力頤中墻剪力鍵剪力=50.1%頤49.9%，基本表現(xiàn)均勻分擔(dān)；橫向不均勻地基剛度工況中，不均勻系數(shù)與單剪力鍵剪力變化值基本成正比，不均勻系數(shù)每增加5%，側(cè)墻單鍵剪力變化約650～700 kN，中墻單鍵剪力變化約100～150 kN，分別為節(jié)段接頭總剪力約11%和2%。

采用室內(nèi)模型試驗(yàn)對剪力鍵剪力分配原則進(jìn)行驗(yàn)證，室內(nèi)模型試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)工況采用差異沉降值約為5 mm，對應(yīng)橫向不均勻地基剛度為20%工況，對比結(jié)果如圖6所示。從對比結(jié)果可以看出，二者趨勢基本一致，同差異沉降條件下，室內(nèi)模型試驗(yàn)剪力鍵剪力變化值小于數(shù)值計算結(jié)果，變化較為平緩，扭轉(zhuǎn)造成的剪力鍵剪力增加效應(yīng)小。

圖6 模型試驗(yàn)與數(shù)值計算剪力鍵剪力分配對比圖Fig.6Shear force distribution comparison of model test and numerical calculation

2 降低節(jié)段接頭剪力構(gòu)造措施研究

通過工程調(diào)研及理論分析[5-7]，在節(jié)段接頭剪力鍵之間設(shè)置彈性墊層，這是降低接頭剪力的有效措施。

節(jié)段接頭允許最大張開量為30 mm，此時接頭允許的最大弧度為0.002 6，即角度為0.15毅?？紤]到剪力鍵在縱向的寬度為70 cm，因此可算出節(jié)段接頭在此轉(zhuǎn)角下墊層的壓縮量為1.8 mm。為確保剪力鍵不會約束接頭的轉(zhuǎn)動，墊層壓縮后，仍需保持一部分富余壓縮量使結(jié)構(gòu)自由轉(zhuǎn)動。

經(jīng)比選分析，彈性墊層總厚度取2 cm，采用橡膠材料，構(gòu)造如圖7所示。

根據(jù)節(jié)段接頭張開量要求及中埋止水帶變形要求，選取墊層壓縮量范圍為[0，6 mm]，選取不同橡膠材料進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示，墊層在4.5 mm壓縮量下承載能力超過4 400 kN，滿足設(shè)計要求。

圖7 傳力襯墊設(shè)置示意圖Fig.7Load cushion arrangement

圖8 墊層壓縮試驗(yàn)承載力曲線圖Fig.8Bearing capacity curve of the cushion compression test

選取港珠澳大橋沉管隧道荷載及地基剛度等條件，分別進(jìn)行考慮墊層作用與不考慮墊層作用下節(jié)段接頭剪力對比計算，計算結(jié)果表明：設(shè)置彈性墊層可有效降低節(jié)段接頭剪力10%～20%，計算結(jié)果對比具體如圖9所示。

圖9 節(jié)段接頭剪力計算對比圖Fig.9Shear force comparison of segmental joints

3 結(jié)語

1）橫向均勻地基剛度條件下，側(cè)墻剪力鍵剪力頤中墻剪力鍵剪力=50.1%頤49.9%，基本表現(xiàn)為均勻分擔(dān)；

2）橫向不均勻地基剛度條件下，單鍵剪力變化值與橫向不均勻地基剛度系數(shù)基本成正比，不均勻系數(shù)每增加5%，側(cè)墻單鍵剪力變化約650～ 700 kN，中墻單鍵剪力變化約100～150 kN，分別為節(jié)段接頭總剪力的約11.5%和2.5%；

3）采用室內(nèi)模型試驗(yàn)對橫向不均勻地基剛度系數(shù)20%的工況進(jìn)行驗(yàn)證，模型試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果趨勢基本一致；

4）在剪力鍵之間設(shè)置彈性墊層是降低節(jié)段接頭剪力的有效措施，計算分析結(jié)果表明可降低節(jié)段接頭剪力達(dá)10%～20%。

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Shear distribution principle and measures for reducing shear structure of segmental joints in immersed tunnel

HUANG Qing-fei，LI Ta，L譈Yong-gang
（CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.,Beijing 100088,China）

Based on the background of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel project,firstly we established the 3D model of the immersed tunnel by finite element software,carried out numerical simulation to study the shear force sharing ratio of segmental joint under the condition of uniform lateral foundation stiffness,and studied the influence of nonuniform lateral foundation stiffness coefficient on shear distribution of shear connectors,then verified the above research by indoor model.The results show that under the condition of uniform lateral foundation stiffness,shear force can be evenly distributed to shear connectors;shear force of a single shear connectors is proportional to the coefficient value of nonuniform lateral foundation stiffness;the elastic cushion is an effective measure to reduce the shear force of the segmental joint,which can reduce the shear force by 10%to 20%.

immersed tunnel;segment joints;shear keys;shear distribution principle

U459.5

A

2095-7874（2017）09-0062-04

10.7640/zggwjs201709013

2017-07-26

2017-08-05

黃清飛（1983—），男，江西南昌人，高級工程師，從事隧道及地下工程設(shè)計及研究工作。E-mail：af1639@163.com