輸水隧道管片環(huán)向連接采用鑄鐵預(yù)埋件試驗(yàn)研究
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程斌
[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海200092]
摘要：通過(guò)對(duì)輸水隧道管片環(huán)向連接采用鑄鐵預(yù)埋件，在荷載作用下四組試件的應(yīng)力以及錨桿上的應(yīng)力、鑄鐵預(yù)埋件相應(yīng)部位的變形及滑移的足尺進(jìn)行試驗(yàn)，得出試件的變形和破壞形態(tài)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)試件提出建議，可供相似工程應(yīng)用和借鑒。
關(guān)鍵詞：輸水隧道；連接件；鑄鐵預(yù)埋件；試驗(yàn)研究
中圖分類(lèi)號(hào)：TU992.2 文章編號(hào)：1004-4655( 2016) 03-0108-03
采用盾構(gòu)法輸水隧道與一般用于交通的盾構(gòu)法隧道不同，其管片除承受外側(cè)的水土壓力作用外，還要承受內(nèi)部高水壓的反復(fù)作用，使管片接頭受力情況更加復(fù)雜。因此，為了使輸水隧道管片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全、合理，基于管片環(huán)向連接件計(jì)算優(yōu)化分析的基礎(chǔ)，通過(guò)管片環(huán)向連接的鑄鐵預(yù)埋件進(jìn)行1:1受力試驗(yàn)研究，測(cè)試鑄鐵預(yù)埋件在正常受力時(shí)的應(yīng)力分布情況，并對(duì)受力時(shí)鑄鐵預(yù)埋件的變形進(jìn)行測(cè)量，研究鋼筋預(yù)埋件螺紋接頭以及預(yù)埋件的破壞特征。結(jié)合工程情況，鑄鐵預(yù)埋件由埋件1或埋件2配套組成單個(gè)試件A、B，根據(jù)受力位置不同，A試件和B試件各2個(gè)，分別編號(hào)為A1、A2、B1、B2（見(jiàn)表1）。
1鑄鐵預(yù)埋件的設(shè)計(jì)及測(cè)試內(nèi)容
管片環(huán)向連接的鑄鐵預(yù)埋件在管片中位置見(jiàn)圖1，其試件由QT500-7球墨鑄鐵預(yù)埋件、10.9級(jí)M39連接螺栓組成，鑄鐵預(yù)埋件示意圖見(jiàn)圖2。手孔鑄鐵件本體為QT500-7球墨鑄鐵，機(jī)械性能以GB/T1348-2009《球墨鑄鐵件》為標(biāo)準(zhǔn)。手孔鑄鐵件與混凝土采用HRB400螺紋鋼筋（西32 mm鋼筋）連接。鋼筋符合GB1499.2-2007《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》標(biāo)準(zhǔn)HRB400熱軋鋼筋。鋼筋與手孔鑄鐵件用螺紋連接。
試驗(yàn)主要的測(cè)試內(nèi)容：鑄鐵預(yù)埋件上受力不利位置的主應(yīng)力分布；錨桿上的應(yīng)力分布及變形情況；孔、槽周?chē)木植繎?yīng)力；鑄鐵預(yù)埋件在荷載作用下的相對(duì)變形；鑄鐵預(yù)埋件及螺紋接頭的破壞形態(tài)。
2鑄鐵預(yù)埋件試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)布置及加載方案
2.1測(cè)點(diǎn)布置
試件上的測(cè)點(diǎn)主要包括應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和位移測(cè)點(diǎn)，（見(jiàn)圖3、圖4，其中1號(hào)～4號(hào)表面具體位置見(jiàn)圖4）。在鑄鐵預(yù)埋件上1號(hào)～6號(hào)測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)變花，測(cè)量主應(yīng)力分布情況；在7號(hào)、8號(hào)測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)變片，考察孔、槽周?chē)鷳?yīng)力集中的情況；在錨桿上布置應(yīng)變片，測(cè)量錨桿應(yīng)力，布置位移傳感器(C1~C4)測(cè)量錨桿相對(duì)變形；在試件上下鑄鐵件栓孔孔心連線(xiàn)中點(diǎn)處布置位移傳感器C5、C6，測(cè)量?jī)牲c(diǎn)相對(duì)位移；在鑄鐵件下排孔附近布置位移傳感器(C7~C10)測(cè)量鑄鐵件相對(duì)變形。
2.2加載方案
試驗(yàn)時(shí)，將試件一端錨固在試驗(yàn)機(jī)上，另一端在對(duì)應(yīng)的單個(gè)連接螺栓上（螺栓1、螺栓2）施加單調(diào)荷載直至埋件發(fā)生破壞。試驗(yàn)加載示意圖見(jiàn)圖5。
3鑄鐵預(yù)埋件的主要試驗(yàn)結(jié)果
3.1試件的破壞形態(tài)
試件A1、A2、B2達(dá)到極限荷載時(shí)，破壞均發(fā)生在錨桿螺紋處；試件B1達(dá)到極限荷載時(shí)，未觀測(cè)到明顯破壞，通過(guò)錨桿的頸縮現(xiàn)象，判斷錨桿有較大損傷。
3.2鑄鐵件1號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分布
在鑄鐵件表面布置應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)，以考察鑄鐵件表面應(yīng)力分布情況，根據(jù)有關(guān)資料，球墨鑄鐵泊松比y介于0.25~0.29，彈性模量E介于( 1.5~1.6)x105 M Pa，在進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，
球墨鑄鐵的泊松比y近似取0.25，彈性模量取1.5×105 M Pa。球墨鑄鐵屈服強(qiáng)度σ0.2≥320 M Pa，此處取下限σ0.2=320 MP a，則相應(yīng)計(jì)算出屈服應(yīng)變約為2 130με。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變換算，得到每個(gè)試件的典型數(shù)據(jù)。
1號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)的主要作用為：考察荷載作用下，鑄鐵件外表面螺桿連接頭與上部栓孔之間的應(yīng)力大小。選取試件A1、A2、B1、B2上1號(hào)測(cè)點(diǎn)的典型數(shù)據(jù)，其荷載-主應(yīng)力曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。試件A1、A2、B1上的測(cè)點(diǎn)在荷載達(dá)到極限荷載時(shí)均未屈服；試件B2上的測(cè)點(diǎn)在荷載為716 k N時(shí)屈服，此時(shí)荷載約為0.86Pu，P u為試件B2的極限荷載。
3.3鑄鐵件的局部變形
為反映荷載作用下鑄鐵件的變形特點(diǎn)，在試件A1、A2靠近下部栓孔-側(cè)邊緣的端部和中部分別布置位移傳感器C7~C10。兩點(diǎn)（C8-C7相對(duì)、C9-C10相對(duì)位移）的荷載-相對(duì)位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖7�？梢钥闯�，試件A1兩點(diǎn)相對(duì)位移的最大值介于1.1~1.3 mm之間，試件A2兩點(diǎn)相對(duì)位移的最大值介于2.0~2.5 mm之間，2個(gè)相對(duì)變形在控制范圍內(nèi)。
通過(guò)對(duì)管片連接鑄鐵預(yù)埋件的受力、變形的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和比較，鑄鐵試件本身有一定的安全儲(chǔ)備，與荷載標(biāo)準(zhǔn)值480 k N相比較，試件A1、A2、B1、B2的安全系數(shù)分別為1.7~2.0。
在荷載作用下，試件破壞的基本形態(tài)為錨桿在螺紋處被拉斷或出現(xiàn)裂紋；鑄鐵件有一定的變形，但未發(fā)生破壞。鑄鐵件兩栓孔之間較早進(jìn)入屈服階段，孔、槽部位應(yīng)力集中。
4結(jié)語(yǔ)
通過(guò)本次試驗(yàn)研究，鑄鐵試件本身是安全可靠的，對(duì)管片連接的鑄鐵預(yù)埋件進(jìn)一步優(yōu)化建議如下。
1)孔、槽部位應(yīng)力集中，在荷載作用下，鑄鐵件有一定的局部變形，建議增加相應(yīng)部位的剛度。
2)錨桿端部螺紋處為埋件的薄弱環(huán)節(jié)。若使用荷載較大時(shí)，建議采取加強(qiáng)措施，如構(gòu)造加強(qiáng)、端部擴(kuò)大等。
3)當(dāng)上下2個(gè)螺栓孔同時(shí)承擔(dān)荷載時(shí)．埋件由于偏心受力而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，建議進(jìn)一步研究這一工況的影響。
