城市铁路明挖隧道装配式衬砌接头性能研究

崔 涛，张继清，刘 瑜，郭剑勇

(1.中国铁路设计集团有限公司，天津 300142；2.城市轨道交通数字化建设与测评技术国家工程实验室，天津 300142)

目前我国正在大力推进装配式结构，采用装配式结构不仅可以提高施工效率，改善施工质量，还可以缩短工期降低成本[1]。装配式结构大多局限在上部房建结构，地下结构中应用较多的主要有盾构法施工隧道、预制地下管廊结构、地铁车站结构等[2-8]。

随着我国城市规模的快速发展，急需修建大量的城市铁路隧道。软土地区隧道埋深较浅时，城市铁路隧道多采用明挖现浇法施工，极少采用明挖装配式结构。本文介绍一种明挖铁路隧道装配式衬砌横断面分块及纵向接头连接方法。采用数值模拟方法研究在弯矩和轴力作用下明挖铁路隧道装配式衬砌纵向接头受力变形性能，为明挖铁路隧道装配式衬砌在未来的工程中应用提供理论支撑。

1 明挖铁路隧道装配式衬砌横断面分块及纵向接头连接方法

以目前城市铁路隧道常规单洞双线形式为例，其左右线线间距为5.0 m，轨面以上有效净空面积为100.38 m2,横断面高13.279 m,宽15.300 m。根据预制构件运输及吊装要求，将铁路隧道装配式衬砌横断面划分为6块,即A1，A2，A2′，A3，A3′和A4块,如图1(a)所示。其中A2与A2′,A3与A3′处于对称位置。

隧道横断面各分块间纵向接头通过凹凸榫和4根5.8级M30螺栓连接，如图1(b)所示。每根螺栓施加预紧力200 kN。

图1 铁路隧道装配式衬砌分块及其接头的连接(单位：mm)

2 数值模拟

2.1 模型的建立

采用有限元软件ABAQUS建立三维模型进行分析，数值模型见图2。

图2 数值模型

装配式衬砌纵向接头在实际工程中将受到轴力、弯矩和剪力作用，通过设置凹凸榫和抗剪力键抵抗剪力作用，因此数值模拟中主要研究在弯矩、轴力作用下纵向接头受力变形规律。为消除外荷载对纵向接头局部位置的影响，采用如图3所示的加载方式，衬砌接头承受正弯矩的作用，衬砌环宽取1.5 m。

图3 衬砌纵向接头加载方式(单位：mm)

2.2 参数的选择

混凝土采用实体单元模拟，接头处螺栓采用杆单元模拟。接头接触面为硬接触(即面面接触)，接触面摩擦因数设为0.4[9]。

衬砌接头和螺栓采用双折线本构模型[10]，双折线本构模型将混凝土和螺栓的弹性模量分2个阶段取值。接头混凝土采用C50混凝土，螺栓采用5.8级M30螺栓。计算参数见表1。

表1 计算参数

3 模拟结果与分析

3.1 接头张开量的变化规律

图4 不同轴力作用下接头张开量随弯矩变化曲线

不同轴力作用下接头张开量随弯矩变化曲线见图4。可见：①在轴力和弯矩共同作用下纵向接头受拉侧张开；②纵向接头所受轴力一定时，随着纵向接头所承受弯矩的增加接头张开量逐渐增大；③纵向接头所受弯矩一定时，接头张开量随着纵向接头所受轴力的增加而减小，说明纵向接头所受轴力对纵向接头的张开具有抑制作用;④在轴力一定，纵向接头所承受的弯矩相同时，负弯矩作用下接头张开量比正弯矩作用下小，说明纵向接头在负弯矩作用下变形性能更好，更有利于防止纵向接头渗漏水。

3.2 接头应力的变化规律

纵向接头受力模式见图5。

图5 纵向接头受力模式

不同轴力作用下接头应力随弯矩变化曲线见图6。由图5和图6可知：①在轴力和弯矩共同作用下受压侧接头应力较大。②随着所受轴力的增加，纵向接头能够承受的弯矩逐渐增大。③纵向接头所受弯矩较小时，接头应力随弯矩的增加线性增大；所受弯矩超过某一值时，接头应力迅速增大；随着弯矩的继续增加，接头应力继续增大，直至纵向接头混凝土受力剥落。

图6 不同轴力作用下接头应力随弯矩变化曲线

图7 不同轴力作用下纵向接头螺栓应力随弯矩变化曲线

3.3 纵向接头螺栓应力的变化规律

不同轴力作用下纵向接头螺栓应力随弯矩变化曲线见图7。可见：①在轴力和弯矩共同作用下纵向接头螺栓应力增大。②随着纵向接头所受轴力的增加，其能够承受的弯矩逐渐增大。③纵向接头所受弯矩较小时，螺栓应力随弯矩的增加线性增大；纵向接头所受弯矩超过某一值时，螺栓应力迅速增大；随着弯矩的继续增加，螺栓应力继续增大，直至螺栓受拉断裂。④轴力为 1 000 kN 时纵向接头所能承受的正弯矩和负弯矩基本一致。随着轴力的继续增大纵向接头所能承受的负弯矩大于正弯矩，且轴力越大两者的差值越大。

4 结论

1)在轴力和弯矩共同作用下纵向接头受拉侧张开，纵向接头破坏以受拉侧螺栓屈服断裂或受压侧混凝土剥落为标志。

2)纵向接头所受轴力一定时，随着承受弯矩的增加接头张开量逐渐增大。纵向接头所受弯矩一定时，接头张开量随着所受轴力的增加而减小，说明轴力对纵向接头的张开具有抑制作用。

3)随着纵向接头所受轴力的增加，其能够承受的弯矩逐渐增大。纵向接头所受弯矩较小时，接头应力随弯矩的增加线性增大；纵向接头所受弯矩超过某一值时，接头应力迅速增大；随着弯矩的继续增加，接头应力继续增大，直至纵向接头混凝土受压剥落。

4)纵向接头所受弯矩较小时，螺栓应力随弯矩的增加线性增大；纵向接头所受弯矩超过某一值时，螺栓应力迅速增大；随着弯矩的继续增加，螺栓应力继续增大，直至螺栓受拉断裂。