U型钢柔性拱架承载能力及稳定性的试验研究*

张浩文，庄元顺，吴 南，高旭东，郑 军

(1.中铁工程服务有限公司，四川 成都 610036; 2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

0 引 言

随着国内外高地应力大变形隧道施工案例越来越多，高地应力大变形问题受到了越来越多学者的关注。作为我国即将建设的战略性重点工程，川藏铁路的施工建设就迫切地需要解决高地应力大变形问题。在解决高地应力大变形问题的方法中，基于收敛约束法[1-2]的支护方法在多个高地应力大变形隧道中得到了成功应用，如瑞士的圣哥达基线隧道、日本的Enasan tunnel Ⅱ隧道、南昆铁路家竹箐隧道等均采用U型钢柔性拱架对隧道进行初期支护，实现了对隧道的大变形控制[3]。李雪峰等[4]对马蹄形U型钢封闭式可缩性钢架做了详细的室内试验，研究了不同数量和不同位置的接头对拱架承载特性的影响。汪成兵等[5]采用数值模拟方法对不同结构形式的U型钢可缩性支架进行了优化研究，结果表明直墙拱形巷道断面采用U型可缩性支架支护效果最佳；并基于理论计算对支护参数进行了设计，现场试验效果较好。蒋斌松等[6]提出U型钢可缩性支架的有限元计算方法，并讨论支架缩动后几何形状及残余内力的计算方法。尤春安[7-8]讨论了考虑U型钢可缩性支架稳定性的承载能力问题，尤其对支架搭接部分对稳定性的影响进行了充分地研究，利用等效截面参数处理搭接部分，对U型钢可缩性支架进行强度计算以及稳定性分析。谢文兵等[9]通过理论分析、室内试验和现场试验相结合的方法，分析U型钢支架失稳的原因和支架工作过程中的承载特征，提出了支护阻稳技术、支护结构补偿原理和补偿技术。荆升国[10]提出棚-索协同支护的方案来提高支护承载能力和稳定性，并将棚-索协同支护成功应用于工程实例。肖锋[11]提出了U型钢可缩性支架配合壁后填充与锚注加固的联合支护方法，并通过数值模拟及工程实例印证了该方法的可行性。目前国内外对于U型刚柔拱架研究甚多，在理论以及数值研究方面较为广泛，但对承载能力及稳定性的试验研究相对较少。笔者通过设计U29型钢柔性拱架室内加载试验，在不同拱架直径工况下研究卡缆螺栓预紧力、拱架直径变化以及偏载对拱架承载能力及稳定性的影响，为U型钢柔性拱架的设计提供参考。

1 试验概况

文中首先结合实际试验条件，设计了不同直径(拱架内径)的圆形断面U29型钢柔性拱架，内径规格分别为2.2 m、3.3 m、4.4 m。以2.2 m为基础尺寸，后者与其分别为1.5倍及2倍关系，便于对比分析。拱架分段方式如图1所示，拱架平均分为4段，型钢搭接长度均为400 mm[12]。每个可缩性接头均安装两副卡缆，采用8.8级M24螺栓和8级M24螺母连接，卡缆为腰定位式，U29型钢为耳定位式。为保证不因卡缆强度和刚度不足导致拱架失稳，同时使卡缆上卡板不随U型钢滑动而剪切卡缆螺栓，在卡缆下卡板焊接了加强筋，如图2所示。试验工况如表1所列。通过试验得出在不同拱架直径工况下卡缆螺栓预紧力、拱架直径变化以及偏载对拱架承载能力及稳定性的影响。

图1 柔性拱架分段示意图

图2 卡缆示意图

表1 试验工况

本试验采用三组油缸对拱架三个方向进行加载，如图3所示。

图3 柔性拱架试验台

试验过程保证油缸同步加载，安装7组位移传感器分别检测拱架不同方向的径向位移，并通过油压传感器监测油缸的工作压力，传感器信号采集周期为1s。加载底座上安装了型钢支撑架对拱架进行轴向限位，保证拱架始终在平面内受力，防止侧翻。当对拱架进行偏载试验时，将原0°方向油缸安装至20°方向，如图3(c)所示。

试验时，先对拱架施加40 kN载荷进行预压2 min后泄压，使拱架接头处各零件结合紧密，确保拱架初始尺寸的准确性。完成预压后再次检测各螺栓预紧力矩，保证螺栓预紧力矩仍满足试验要求，而后开始对拱架进行加载。加载过程控制液压泵输出流速使每个油缸的伸长速度均为2 cm/min，油缸压力每上升5bar就稳压3 min。试验过程中通过网络摄像头远程观察可缩性接头缩动情况及拱架整体变形情况。

2 试验结果与分析

2.1 非偏载工况下的拱架承载特性

非偏载工况下，不同卡缆螺栓预紧力的拱架极限承载能力结果统计如表2所列。工况11加载过程中拱架出现明显阻滑现象，直至拱架发生明显塑性变形时接头仍未缩动。工况9～10加载过程中也出现了阻滑现象，导致拱架在接头缩动量很小的情况下发生了塑性变形。工况1～3中接头缩动顺畅，极限承载能力最大，分别为1 480 kN、1 632 kN和1 742 kN。工况5～6缩动顺畅，工况7在外载荷接近极限承载能力时，拱架接头处型钢发生挤压变形，出现阻滑现象，随后拱架持续变形，达到承载极限。工况5～7极限承载能力分别为1 320 kN、1 496 kN和1 233 kN。工况9～11均较早出现阻滑现象，使拱架失去“柔性”，极限承载能力最小，分别为999 kN、971 kN和963 kN。可见，拱架极限承载能力随直径的增大而逐渐降低。在拱架保持稳定缩动的工况中，拱架承载能力随卡缆螺栓预紧力提高而增大。在发生阻滑的工况中，拱架承载能力随卡缆螺栓预紧力增大而减小。

Rafael Rodríguez[13]等总结的拱架变形特征曲线中将变形过程分为四个阶段，如图4所示。第一阶段拱架为弹性变形，与传统刚性拱架作用效果类似。此阶段支护刚度较大，拱架径向位移量较小。第二阶段为让压变形阶段，该阶段拱架支护刚度较小，随着外载荷的增大，拱架径向位移较大，整体形状基本保持不变。随着载荷增大，型钢曲率半径减小，接头阻力增大，拱架变形进入第三阶段。该阶段拱架表现出较大刚性，发生弹性变形。第四阶段中接头出现阻滑，型钢发生屈服变形，拱架达到承载极限。

图4 柔性拱架理论支护特性曲线

工况1～3较为明显地反映出了前三阶段的变形特征。在让压变形阶段多次出现由于接头突然快速缩动而导致的卸压。此阶段外载荷增长较小，如图5(a)～(c)所示。工况5～7并未出现大量的让压变形和卸压现象，仅在外载较小时出现短时的让压变形，此后整体表现为弹性变形，如图5(d)～(f)所示。以上工况，拱架收缩过程均较为顺畅。而对于工况9～11，拱架在不同时期发生了明显的阻滑现象，导致拱架直接从弹性变形过渡到屈服变形阶段。在45°和315°方向出现较大的侧向扭曲(拱架轴向翻转)，拱架在该处径向收缩量出现负增长，如图5(g)～(i)所示，现场试验结果如图6所示。同等径向收缩量下，直径较小的拱架曲率变化较快，更易发生接头快速缩动导致的卸压。而随着拱架直径增大，让压变形阶段中卸压现象将减少，缩动过程更加稳定。

图5 拱架变形特征曲线

图6 工况11拱架扭曲变形

2.2 偏载工况下的拱架承载特性

就总体趋势而言，随着拱架直径的增大，承载极限表现为逐渐减小。相对无偏载条件，偏载情况下拱架极限承载能力趋于减小，如表3所列。

表3 偏载下的拱架极限承载能力

图7为不同直径拱架在偏载作用下的变形特征曲线。可以看出，工况4偏载与工况1不偏载的拱架变形特征曲线大致相同，同样多次出现卸压，表明偏载对直径为2.2m拱架的缩动影响较小。而与工况5相比，工况8中拱架出现多次卸压，卸压幅值较大，导致315°方向出现径向收缩量回弹，该方向径向收缩量整体为负增长，45°方向增大，0°方向减小。与工况9相比，工况12拱架315°方向径向收缩量负增长幅度更大，45°方向发生了顺畅稳定的缩动，使径向收缩量增大，而0°方向减小。偏载对直径3.3 m和4.4 m拱架径向收缩量影响较大，对两种工况下拱架315°及0°方向径向收缩量有负增长作用，对45°方向有促进缩动作用，使该方向径向收缩量增大，且偏载对工况12的缩动影响大于工况8。可见偏载对小直径拱架影响较小，随着拱架直径增大，偏载对其缩动影响也随之增大。

图7 偏载下的拱架变形特征曲线

加载过程中，工况12未出现大的卸压，整体变形趋于稳定增长。工况8和工况12中拱架45°方向接头缩动最为明显，315°方向加载前期出现少量收缩，而后接头处型钢折弯，内外型钢发生挤压变形，出现阻滑，45°方向接头继续缩动，导致拱架315°方向出现侧向扭曲及向外鼓起。随着加载过程继续，拱架整体形状发生改变，出现侧向失稳，最终拱架丧失承载能力，如图8、9所示。

图8 偏载下拱架变形示意图

图9 工况12拱架扭曲变形

3 分析与讨论

3.1 卡缆螺栓预紧力对拱架极限承载能力的影响

如本文实验结果所示，工况1～3及工况5～6试验过程中拱架始终保持缩动，均未出现阻滑现象，缩动后整体形状依然为圆形，结构稳定性较好，承载能力随卡缆螺栓预紧力增大而增长。工况7及工况9～11中拱架均在不同时期发生阻滑，承载能力随卡缆螺栓预紧力增大而衰减。可见，在接头顺畅缩动的前提下，较大的卡缆螺栓预紧力利于充分发挥拱架的承载能力。而在发生阻滑的工况中，较大的卡缆螺栓预紧力使拱架更早发生阻滑，使拱架在较低的外载荷下破坏。如图10所示，对拱架接头进行分析，型钢轴力N为推动拱架缩动的主动力。卡缆预紧力Fn所产生的摩擦力是阻止接头发生缩动的阻力之一。拱架缩动过程必然伴随型钢曲率的减小，使接头处型钢弯矩M增大，缩动阻力随之增大。较大的卡缆螺栓预紧力可能导致拱架提前发生阻滑，进而导致拱架在未达到理论最大承载能力时破坏。

图10 柔性拱架接头受力分析示意图

较低的螺栓预紧力虽可保证接头迅速缩动，但会导致拱架过早达到断面设计收敛变形量，起不到预期的让压支护效果。在实际工程中，接头缩动速率过大会直接导致作用于接头位置处的外荷载迅速降低，拱架受载荷分布不均匀，降低拱架的实际承载力。即在保证拱架接头平稳有效缩动的前提下，提高螺栓预紧力是保证拱架高阻支护的关键，利于充分发挥拱架承载能力。

3.2 直径对拱架极限承载能力及稳定性的影响

本文试验中所有工况拱架分段方式均相同，随拱架直径的增大，单段型钢增长，接头处弯矩M随之增大，致使拱架由于较大的缩动阻力发生阻滑。在非偏载工况中，拱架直径越大，阻滑越早，相应承载能力也越低。仅有工况9～11中发生阻滑的接头处发生了侧向扭曲，在持续的载荷作用下，拱架整体形状改变，侧向扭曲愈加明显，直至丧失支护能力。可见，较大直径的拱架侧向抗弯能力及稳定性较差。实际工程中要求拱架各节型钢长度不宜大于4 m，且拱架拼接后平面翘曲应小于2 cm，横向安装误差小于5 cm。避免单段型钢过长，可降低两端接头较早阻滑的风险。较小的平面翘曲量和横向误差可降低拱架侧向扭曲失稳的风险。

3.3 偏载对拱架极限承载能力及稳定性的影响

拱架缩动过程克服接头处摩擦阻力，同时使接头处型钢弯曲，曲率减小。偏载工况中偏载力更加靠近45°方向，使该处型钢挠曲变形更大，利于45°方向接头缩动，反之，距偏载力较远的315°方向接头则不易缩动。型钢两端收缩量差异持续增大，即出现图8所示情况。且随拱架直径增大，偏载力与相邻两接头距离之差也随之增大，对两接头缩动差异的影响也愈大。即偏载主要影响了相邻接头之间缩动量的差异，单段U型钢上距离外载荷较近一端的接头更容易缩动，且缩动过程较为稳定，而另一端的接头则容易发生阻滑。当一端接头发生阻滑，一端接头不断缩动时将导致拱架整体变形，同时发生阻滑的接头处会向外鼓起且发生侧向扭曲，直至拱架发生失稳后达到承载极限。在隧道内，由于围岩对拱架的径向约束，拱架并不会向外鼓起，均表现为侧向扭曲。实际隧道施工过程中不易准确定位主应力的方向，主要在拱架安装后期通过拱架变形观测并进行针对性的加强措施。

4 结 论

通过室内试验，研究分析了不同拱架直径工况下卡缆螺栓预紧力、拱架直径变化以及偏载对拱架承载能力及稳定性的影响。相关结论总结如下。

(1) 相同的径向收缩量下，直径较小的拱架曲率变化较快，更易发生接头快速缩动所导致的卸压。随着拱架直径增大，让压变形阶段中卸压现象将减少，缩动过程更加稳定。

(2) 在保证拱架接头平稳有效缩动的前提下，提高螺栓预紧力是保证拱架高阻支护的关键，利于充分发挥拱架承载能力。

(3) 拱架单段型钢较长时易使接头缩动阻力较大，使拱架发生阻滑，降低拱架实际承载力。实际工程中要求拱架各节型钢长度不宜大于4 m。较大直径的拱架侧向抗弯能力及稳定性较差，当接头发生阻滑时拱架易发生侧向扭曲。

(4) 偏载主要影响了相邻接头之间缩动量的差异，距偏载力较近的接头更易发生缩动，而远离偏载力的接头则不易缩动甚至发生阻滑。当相邻接头缩动量差异较大时，易导致拱架发生整体变形及侧向失稳。在工程施工中应对拱架偏载处进行针对性补强措施以降低拱架失稳风险。