沉管隧道节段接头剪力分配原则及降低剪力构造措施研究

黄清飞，李塔，吕勇刚

沉管隧道节段接头剪力分配原则及降低剪力构造措施研究

黄清飞，李塔，吕勇刚

（中交公路规划设计院有限公司，北京100088）

以港珠澳大桥沉管隧道工程为背景，首先利用有限元软件建立节段式沉管隧道三维模型，通过数值计算研究横向均匀地基刚度条件下节段接头剪力分担比及横向不均匀地基刚度系数对剪力键剪力分配影响，随后通过室内模型试验进行了验证。研究结果表明：横向均匀地基刚度条件下剪力键平均分担剪力，单个剪力键剪力变化值与横向不均匀地基刚度系数成正比；设置弹性垫层是降低节段接头剪力的有效措施，可降低剪力10%～20%。

沉管隧道；节段接头；剪力键；剪力分配原则

随着我国跨海越江沉管隧道的不断修建，沉管法施工与理论技术不断进步[1]。超长沉管隧道采用节段式管节，可避免因温度变化差异、施工差异、混凝土内部应力过大等原因引起混凝土管节出现开裂的情况[2]。已有国内外试验主要是针对沉管隧道中间接头和最终接头的研究，对节段接头的构造形式、受力特性、及剪力承担比等方面的研究尚少。目前沉管隧道节段接头剪力键的设计施工主要参考管节接头剪力键，但两者的结构、数目、布置位置均不同，未来工程中仅仅依靠管节接头剪力键的相关理论与经验来指导节段接头剪力键设计施工，将无法满足越来越长的沉管隧道要求[3]。

节段接头剪力可采用简化计算方法或纵向梁单元数值模型计算得出[4]，但通常只能得出节段接头总剪力值，节段接头每个剪力键剪力分配与结构形式、地基刚度横向分布密切相关，为保证结构安全，针对每个剪力键进行具体设计，则需要对节段接头剪力键剪力分配原则进行深入研究。

1 接头剪力键剪力分配原则

1.1 计算模型及边界条件

采用ansys建立3个管节的三维板单元shell63模型，节段接头剪力键及管节接头剪力键采用多折线线性弹簧模拟，节段接头接触采用只压弹簧模拟，同时施加一对相向荷载模拟初始压接，管节接头GINA采用非线性弹簧模拟，管节四周均考虑土体与结构的摩擦效应，采用非线性弹簧模拟，摩擦弹簧刚度分配须保证摩擦力对结构形心的力矩相等、结构在纵向均匀荷载作用下不发生弯曲。

计算模型在纵向两端面设置纵向弹簧，根据对称原则，刚度取为GINA刚度的2倍，在模型的下部设置地基弹簧，地基弹簧遵从温克尔假定。

1.2 计算条件

港珠澳大桥沉管隧道在K10+250—K10+450范围内横向刚度不均匀性显著，导致E13与E14管节有横向扭转的趋势，受力非常不利，如图1。

图1 地基刚度横向扭转区域图Fig.1Lateral torsional region of foundation stiffness

建立该范围附近3个管节的板单元模型（E13～E15管节），以E13～E15管节荷载条件和中线地基刚度为基本条件，通过设定不同横向地基刚度不均匀系数，进行地基刚度不均匀对剪力键剪力影响敏感性分析。

升温工况对应的节段接头剪力为控制工况，因此敏感性分析针对升温工况进行。假定从K10+ 297—K10+410横向地基刚度（横向地基刚度不均匀系数取表1中所示6个工况）如图2所示渐进变化，分析相应节段接头剪力键剪力分配影响。

表1 不同工况横向地基刚度不均匀系数Table 1Nonuniform coefficient of lateral foundation stiffness under different conditions%

图2 K10+297—K10+410区间地基刚度横向分布图Fig.2Lateral distribution of foundation stiffness in section K10+297 to K10+410

1.3 分析结果

横向地基刚度不均匀系数逐渐加大后，管节竖向位移发生明显变化。随着不均匀系数逐渐加大，横向扭转趋势也更为显著。计算结果如图3所示（以横向地基刚度不均匀系数取25%为例）。

图3 位移计算结果云图Fig.3Calculation result nephogram of displacement

不同工况下节段接头总剪力对比如图4所示，从图4可以看出，地基刚度横向不均匀系数小于15%时，对节段接头总剪力基本无影响；当地基刚度横向不均匀系数进一步增大时，其对剪力键剪力的影响较为明显，在地基刚度横向不均匀系数为25%时，相比横向均匀地基刚度工况，节段接头总剪力增大了约6%。

图4 接头总剪力图Fig.4Total shear force of joints

港珠澳大桥沉管隧道每个节段接头在侧墙和中墙共布置有4组竖向剪力键，对应不同横向不均匀地基刚度系数，单键剪力对比如图5所示，单键剪力具体数值如表2所示。

图5 不同扭转工况下单键剪力变化图Fig.5Single shear force change under different torsion conditions

表2 不同工况下剪力键剪力分配Tabel 2Shear force distribution under different conditions

对比研究可以看出，随着横向不均匀地基刚度系数的逐渐增大，左键剪力逐渐从正值先减小后变为负值，右键剪力逐渐增大。

横向均匀地基刚度工况：侧墙剪力键剪力颐中墙剪力键剪力=50.1%颐49.9%，基本表现均匀分担；横向不均匀地基刚度工况中，不均匀系数与单剪力键剪力变化值基本成正比，不均匀系数每增加5%，侧墙单键剪力变化约650～700 kN，中墙单键剪力变化约100～150 kN，分别为节段接头总剪力约11%和2%。

采用室内模型试验对剪力键剪力分配原则进行验证，室内模型试验扭转工况采用差异沉降值约为5 mm，对应横向不均匀地基刚度为20%工况，对比结果如图6所示。从对比结果可以看出，二者趋势基本一致，同差异沉降条件下，室内模型试验剪力键剪力变化值小于数值计算结果，变化较为平缓，扭转造成的剪力键剪力增加效应小。

图6 模型试验与数值计算剪力键剪力分配对比图Fig.6Shear force distribution comparison of model test and numerical calculation

2 降低节段接头剪力构造措施研究

通过工程调研及理论分析[5-7]，在节段接头剪力键之间设置弹性垫层，这是降低接头剪力的有效措施。

节段接头允许最大张开量为30 mm，此时接头允许的最大弧度为0.002 6，即角度为0.15毅。考虑到剪力键在纵向的宽度为70 cm，因此可算出节段接头在此转角下垫层的压缩量为1.8 mm。为确保剪力键不会约束接头的转动，垫层压缩后，仍需保持一部分富余压缩量使结构自由转动。

经比选分析，弹性垫层总厚度取2 cm，采用橡胶材料，构造如图7所示。

根据节段接头张开量要求及中埋止水带变形要求，选取垫层压缩量范围为[0，6 mm]，选取不同橡胶材料进行压缩试验，结果如图8所示，垫层在4.5 mm压缩量下承载能力超过4 400 kN，满足设计要求。

图7 传力衬垫设置示意图Fig.7Load cushion arrangement

图8 垫层压缩试验承载力曲线图Fig.8Bearing capacity curve of the cushion compression test

选取港珠澳大桥沉管隧道荷载及地基刚度等条件，分别进行考虑垫层作用与不考虑垫层作用下节段接头剪力对比计算，计算结果表明：设置弹性垫层可有效降低节段接头剪力10%～20%，计算结果对比具体如图9所示。

图9 节段接头剪力计算对比图Fig.9Shear force comparison of segmental joints

3 结语

1）横向均匀地基刚度条件下，侧墙剪力键剪力颐中墙剪力键剪力=50.1%颐49.9%，基本表现为均匀分担；

2）横向不均匀地基刚度条件下，单键剪力变化值与横向不均匀地基刚度系数基本成正比，不均匀系数每增加5%，侧墙单键剪力变化约650～ 700 kN，中墙单键剪力变化约100～150 kN，分别为节段接头总剪力的约11.5%和2.5%；

3）采用室内模型试验对横向不均匀地基刚度系数20%的工况进行验证，模型试验结果与数值计算结果趋势基本一致；

4）在剪力键之间设置弹性垫层是降低节段接头剪力的有效措施，计算分析结果表明可降低节段接头剪力达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

黄清飞（1983—），男，江西南昌人，高级工程师，从事隧道及地下工程设计及研究工作。E-mail：af1639@163.com