输水隧道管片环向连接采用铸铁预埋件试验研究

 程斌

 [上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海200092]

摘要：通过对输水隧道管片环向连接采用铸铁预埋件，在荷载作用下四组试件的应力以及锚杆上的应力、铸铁预埋件相应部位的变形及滑移的足尺进行试验，得出试件的变形和破坏形态，根据试验结果对试件提出建议，可供相似工程应用和借鉴。

关键词：输水隧道；连接件；铸铁预埋件；试验研究

中图分类号：TU992.2  文章编号：1004-4655( 2016) 03-0108-03

 采用盾构法输水隧道与一般用于交通的盾构法隧道不同，其管片除承受外侧的水土压力作用外，还要承受内部高水压的反复作用，使管片接头受力情况更加复杂。因此，为了使输水隧道管片结构的设计安全、合理，基于管片环向连接件计算优化分析的基础，通过管片环向连接的铸铁预埋件进行1:1受力试验研究，测试铸铁预埋件在正常受力时的应力分布情况，并对受力时铸铁预埋件的变形进行测量，研究钢筋预埋件螺纹接头以及预埋件的破坏特征。结合工程情况，铸铁预埋件由埋件1或埋件2配套组成单个试件A、B，根据受力位置不同，A试件和B试件各2个，分别编号为A1、A2、B1、B2（见表1）。

1铸铁预埋件的设计及测试内容

 管片环向连接的铸铁预埋件在管片中位置见图1，其试件由QT500-7球墨铸铁预埋件、10.9级M39连接螺栓组成，铸铁预埋件示意图见图2。手孔铸铁件本体为QT500-7球墨铸铁，机械性能以GB/T1348-2009《球墨铸铁件》为标准。手孔铸铁件与混凝土采用HRB400螺纹钢筋（西32 mm钢筋）连接。钢筋符合GB1499.2-2007《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》标准HRB400热轧钢筋。钢筋与手孔铸铁件用螺纹连接。

 试验主要的测试内容：铸铁预埋件上受力不利位置的主应力分布；锚杆上的应力分布及变形情况；孔、槽周围的局部应力；铸铁预埋件在荷载作用下的相对变形；铸铁预埋件及螺纹接头的破坏形态。

2铸铁预埋件试验的测点布置及加载方案

2.1测点布置

 试件上的测点主要包括应变测点和位移测点，（见图3、图4，其中1号～4号表面具体位置见图4）。在铸铁预埋件上1号～6号测点布置应变花，测量主应力分布情况；在7号、8号测点布置应变片，考察孔、槽周围应力集中的情况；在锚杆上布置应变片，测量锚杆应力，布置位移传感器(C1~C4)测量锚杆相对变形；在试件上下铸铁件栓孔孔心连线中点处布置位移传感器C5、C6，测量两点相对位移；在铸铁件下排孔附近布置位移传感器(C7~C10)测量铸铁件相对变形。

2.2加载方案

 试验时，将试件一端锚固在试验机上，另一端在对应的单个连接螺栓上（螺栓1、螺栓2）施加单调荷载直至埋件发生破坏。试验加载示意图见图5。

3铸铁预埋件的主要试验结果

3.1试件的破坏形态

 试件A1、A2、B2达到极限荷载时，破坏均发生在锚杆螺纹处；试件B1达到极限荷载时，未观测到明显破坏，通过锚杆的颈缩现象，判断锚杆有较大损伤。

3.2铸铁件1号测点应力分布

 在铸铁件表面布置应变花测点，以考察铸铁件表面应力分布情况，根据有关资料，球墨铸铁泊松比y介于0.25~0.29，弹性模量E介于( 1.5~1.6)x105 M Pa，在进行相关数据转换时，

球墨铸铁的泊松比y近似取0.25，弹性模量取1.5×105 M Pa。球墨铸铁屈服强度σ0.2≥320 M Pa，此处取下限σ0.2=320 MP a，则相应计算出屈服应变约为2 130με。根据应力-应变换算，得到每个试件的典型数据。

 1号测点应变花测点的主要作用为：考察荷载作用下，铸铁件外表面螺杆连接头与上部栓孔之间的应力大小。选取试件A1、A2、B1、B2上1号测点的典型数据，其荷载-主应力曲线见图6。试件A1、A2、B1上的测点在荷载达到极限荷载时均未屈服；试件B2上的测点在荷载为716 k N时屈服，此时荷载约为0.86Pu，P u为试件B2的极限荷载。

3.3铸铁件的局部变形

 为反映荷载作用下铸铁件的变形特点，在试件A1、A2靠近下部栓孔-侧边缘的端部和中部分别布置位移传感器C7~C10。两点（C8-C7相对、C9-C10相对位移）的荷载-相对位移曲线见图7。可以看出，试件A1两点相对位移的最大值介于1.1~1.3 mm之间，试件A2两点相对位移的最大值介于2.0~2.5 mm之间，2个相对变形在控制范围内。

 通过对管片连接铸铁预埋件的受力、变形的数据进行分析和比较，铸铁试件本身有一定的安全储备，与荷载标准值480 k N相比较，试件A1、A2、B1、B2的安全系数分别为1.7~2.0。

 在荷载作用下，试件破坏的基本形态为锚杆在螺纹处被拉断或出现裂纹；铸铁件有一定的变形，但未发生破坏。铸铁件两栓孔之间较早进入屈服阶段，孔、槽部位应力集中。

4结语

 通过本次试验研究，铸铁试件本身是安全可靠的，对管片连接的铸铁预埋件进一步优化建议如下。

 1)孔、槽部位应力集中，在荷载作用下，铸铁件有一定的局部变形，建议增加相应部位的刚度。

 2)锚杆端部螺纹处为埋件的薄弱环节。若使用荷载较大时，建议采取加强措施，如构造加强、端部扩大等。

 3)当上下2个螺栓孔同时承担荷载时．埋件由于偏心受力而产生扭转变形，建议进一步研究这一工况的影响。