林鳴，林巍，尹海卿，劉曉東，劉可心

（1.港珠澳大橋島隧工程項目總經(jīng)理部，廣東 珠海 519015；2.港珠澳大橋島隧工程設(shè)計分部，廣東 珠海 519015；3.港珠澳大橋島隧工程中心試驗室，廣東 珠海 519015）

1 背景

差異沉降對于港珠澳大橋沉管隧道來說具有高風(fēng)險。因為：

1）隧道置于預(yù)先深挖的基槽內(nèi)，隨著時間的增長，隧道的頂上將逐漸覆蓋厚達21 m的淤泥；隧道頂部的設(shè)計荷載異常的大。這些淤泥在未來因航道規(guī)劃可能被部分挖除，導(dǎo)致沿著隧道軸線的荷載不均勻。

2）隧道有33個管節(jié)。典型的管節(jié)長度是180 m。管節(jié)越長對不均勻沉降就越敏感[1]。

3）管節(jié)由無外包防水的鋼筋混凝土構(gòu)成?；炷灵_裂將加速鋼筋的腐蝕。

4）地基軟土厚超過30 m；而且，基礎(chǔ)的回淤較嚴(yán)重。

為降低差異沉降帶來的結(jié)構(gòu)破損風(fēng)險，提出了組合基床來減少差異沉降[1]，并提出了半剛性管節(jié)[2-3]來提高管節(jié)縱向結(jié)構(gòu)的健壯性與整體性。但是管節(jié)與管節(jié)間的豎向鎖定部位仍存在抗剪的問題，盡管可以通過延后管節(jié)接頭的鎖定來抵消部分的剪力[4]。為此，作者提出并研發(fā)了記憶支座。

本文旨在介紹記憶支座的概念、試驗、設(shè)計以及在港珠澳島隧工程的應(yīng)用。并且，作為一個可持續(xù)發(fā)展的方案，對它的擴展應(yīng)用以及未來研究進行了討論。

2 概念設(shè)計

2.1 概念

記憶支座是沉管管節(jié)豎向剪力鍵之間的豎向傳力板，如圖1所示。它的作用是保護管節(jié)接頭部位的結(jié)構(gòu)免受剪切破壞，特別是外側(cè)墻的混凝土開裂會帶來鋼筋腐蝕與耐久性問題。通過該支座的壓縮，釋放管節(jié)之間的差異沉降，在壓縮的同時連續(xù)地承受一個穩(wěn)定的壓力。該壓力被設(shè)定為不大于剪力鍵的或相鄰結(jié)構(gòu)的承載力。記憶支座的這種特性的實現(xiàn)是通過特定材料的切削與斷裂，在第3節(jié)詳述。

圖1 記憶支座的安裝位置Fig.1 Installation placeof the memory bearing

2.2 性能

記憶支座受壓時的力學(xué)行為，如圖2，可清晰地區(qū)分為3個階段。

在第1階段。支座的受力行為為硬墊層，支座的力（圖2的F）快速增長，伴隨著次要的壓縮量（圖2的δ）。一旦支座的力達到記憶值（圖2的FM），就到了第2階段。

圖2 支座受力-壓縮性能Fig.2 The bearing’sload-compression character

第2階段是支座發(fā)揮記憶效用的階段。支座的力維持在一個恒定值，同時支座被壓縮，隨之接頭部位發(fā)生差異沉降（即接頭兩邊的結(jié)構(gòu)下方的地基發(fā)生不等量的變形）從而接頭兩邊的結(jié)構(gòu)受到有差異的地基反力，由此，接頭部位的豎向力重獲平衡。在正常情況下，該支座記憶壓縮量（圖2的δM）會大于預(yù)計的接頭的最大差異沉降量，即支座的行為一直被控制在前兩個階段。

如果在第2階段結(jié)構(gòu)體系無法得到豎向受力的平衡，則支座的壓縮量達到極限，進入第3階段。支座的力增長而壓縮量停止增長。該階段，記憶支座已失去記憶效用，它的主要功能變成限制過大的、意外的差異沉降，雖然結(jié)構(gòu)有可能因受力過大而開裂。

從全局角度來看，記憶支座通過引導(dǎo)力的走向來保護結(jié)構(gòu)（圖3）。它“記住”結(jié)構(gòu)的承載力，一旦該力被超過，支座將超出的部分導(dǎo)入結(jié)構(gòu)正下方的地基（圖3的R1），而避免通過剪力鍵導(dǎo)入相鄰結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)（圖3的R2）。通過這種方式，記憶支座能夠做到允許結(jié)構(gòu)發(fā)揮其最大的效用，而不危及結(jié)構(gòu)自身。如果沒有記憶支座，差異沉降引起結(jié)構(gòu)開裂，進而影響結(jié)構(gòu)壽命和使用的概率就更高。有了記憶支座，發(fā)生差異沉降以后，對于沉管隧道而言，只需重新做部分路面的鋪設(shè)。

圖3 記憶支座的功能示意圖Fig.3 The function of the memory bearing

地質(zhì)信息的不確定性通過結(jié)構(gòu)的加強來得到補償。而對于沉管隧道，結(jié)構(gòu)承載力經(jīng)常受制于墻體的尺寸，管節(jié)接頭安全度有可能不足。記憶支座起到了補償?shù)刭|(zhì)信息不確定性的作用，甚至將不確定性轉(zhuǎn)變成了確定的結(jié)構(gòu)安全的冗余量。

2.3 用簡化計算作為補充說明

為了定量地解釋記憶支座的作用，做一個假想模型，如圖4。假設(shè)：

1）有2個沉管管節(jié)，分別為En、En+1，在豎向由剪力鍵相互鎖住。差異沉降僅存于En、En+1之間，其它地方?jīng)]有差異沉降。

2）En、En+1管節(jié)是剛體。

3）僅1個自由度：豎向。

4）En、En+1管節(jié)下方的地基剛度分別為K1、K2。它們是常數(shù)，即剛度不隨荷載的大小或時間的改變而改變。

5）作用于En、En+1管節(jié)的豎向荷載，用F1和F2兩個集中力來代表。

圖4 計算模型Fig.4 Calculation model

測試4個工況。

工況一。兩個管節(jié)的基礎(chǔ)剛度相同，而豎向荷載不同；即K1=K2=100（無量綱，下文同），F(xiàn)1=100，F(xiàn)2=200。豎向剪力鍵之間采用常規(guī)支座，剛度是一個定值：KB=1 000。

工況二。同工況一，除了豎向剪力鍵之間采用記憶支座，在達到記憶力之前，剛度是一個定值：KB=1 000。

工況三。兩個管節(jié)的基礎(chǔ)剛度不同，而豎向荷載相同；即K1=100，K2=200，F(xiàn)1=F2=100。豎向剪力鍵之間采用常規(guī)支座，剛度是一個定值：KB=1 000。

工況四。同工況三，除了豎向剪力鍵之間采用記憶支座，在達到記憶力之前，剛度是一個定值：KB=1 000。

計算加載后，剪力鍵部位傳遞的力，以及管節(jié)間發(fā)生的差異沉降值。

1）工況一

由于本工況剪力鍵傳力問題是線形的，且地基剛度相等，剪力鍵受力以及差異沉降的發(fā)生只能來自于F1與F2的差異力△F。將△F加載在管節(jié)En上，得到剪力鍵傳遞的力是：

差異沉降量等同于支座的壓縮量，等于：

2）工況二

如果結(jié)構(gòu)的承載力大于47.6，即大于式（1）的結(jié)果，則工況二的結(jié)果同工況一。否則，如果結(jié)構(gòu)承載力只有20，為了保護結(jié)構(gòu)，令剪力鍵傳遞的力等于20，即記憶支座的記憶值：

則 En基礎(chǔ)需要分擔(dān)的力為 100+（△F-Ts.2）=180；En+1基礎(chǔ)需要分擔(dān)的力為100+Ts.2=120。兩者基礎(chǔ)壓縮量的差值即為差異沉降：

3）工況三

F1傳遞給En管節(jié)地基的力為：

所以，F(xiàn)1傳遞給En+1管節(jié)地基的力為：

類似地，可計算：

由式（5）與式（8），En地基受到的力為：

由式（6）與式（7），En+1地基受到的力為：

所以，剪力鍵傳遞的剪力為：

管節(jié)的差異沉降為：

4）工況四

如果結(jié)構(gòu)的承載力大于62.5，即大于式（11）的結(jié)果，則工況四的結(jié)果同工況三。否則，如果結(jié)構(gòu)的承載力是20，為了保護結(jié)構(gòu)，通過記憶支座限制剪力鍵，讓它只能傳遞20的剪力。即：

這時，En、En+1管節(jié)基礎(chǔ)受力（反力）分別是90與110。差異沉降為：

上述計算過程說明豎向剪力鍵的受力，可以來自于2個管節(jié)豎向荷載的差異（工況一、二），或它們的地基剛度的差異（工況三、四）。比較工況一與二，或三與四，可觀察到安裝記憶支座給剪力的傳遞一個上限，進而起到保護結(jié)構(gòu)的作用。但是，相比一般支座，記憶支座導(dǎo)致差異沉降量增加。所以，需注意使用該支座的前提是其最大壓縮量所對應(yīng)的差異沉降須在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)。

3 試驗

為了實現(xiàn)支座的“記憶”特性，即發(fā)生較長的一段壓縮量的過程中，支座的反力基本保持不變（圖5為作者第一次提出該試驗?zāi)繕?biāo)），最初想法是利用摩擦力，或利用氣壓或液壓。最終，確定通過材料（斷裂）恒定地釋放能量的方式來實現(xiàn)。試驗設(shè)計是通過開槽的鋼底座來撕裂一個或一組圓形金屬柱的邊緣，如圖6所示。使用壓力試驗機（型號WAW-1000/2000）記錄位移與壓力，精度分別為0.01 mm與10 N（圖7）。

圖5 作者（左）提出記憶支座的目標(biāo)Fig.5 The author(left)proposed the aim of the memory bearing

圖6 基本試驗設(shè)計Fig.6 Basic test design

圖7 金屬柱撕裂/斷裂試驗Fig.7 Metal rod tearing/fracture test

通過摸索，找到了合適的金屬柱材料與幾何細(xì)節(jié)。以下分為3個階段介紹材料選擇、單柱優(yōu)化、群組效果驗證。

3.1 材料選擇

作者首先想到的是紫銅、黃銅或青銅，隨即開展試驗。試驗結(jié)果，紫銅呈“黏”性特性（圖8（a）），青銅、黃銅呈“脆”性斷裂特性（圖8（b）～（c）），均不能提供連續(xù)與穩(wěn)定的剪切力。只能另辟蹊徑。

圖8 工況1～工況4試件加載試驗后的照片F(xiàn)ig.8 Specimen photosafter loading test of scenario 1 to 4

第二步，作者設(shè)想用鋅或錫的合金繼續(xù)試驗。由于市場只找到了鋅棒，因此研究進入了鋅合金試驗階段。試驗結(jié)果，首先能夠形成較為平滑的斷裂面，同時也能獲得平滑的反應(yīng)曲線（圖9），呈現(xiàn)出“塑”性斷裂的特性。故下階段的試驗均選用鋅棒。

圖9 單柱加載-壓縮曲線Fig.9 Load-compression curves of singlerod

3.2 單鋅柱試驗

試驗過程中，對鋅柱形狀進行了34次調(diào)整，參考表1及圖10。在試驗的第一階段，調(diào)整了鋅柱的尺寸（即3個小鋅柱和1個大鋅柱）、過盈、加載速率、加載形式（即荷載控制或位移控制）來觀察它們對反應(yīng)曲線的影響。在試驗的第二階段，嘗試在鋅柱的圓環(huán)面開槽，圓環(huán)面是與鋼底座接觸的面；并輕微地改變了鋅柱靠近壓板側(cè)的形狀。

表1 試驗工況Table1 Test operation condition

圖10 部分試驗結(jié)果Fig.10 Partial test results

最終，找到了符合記憶特性的鋅柱的形狀，詳細(xì)尺寸見圖11。

圖11 最終確定的鋅柱尺寸Fig.11 The finalized size of zinc rod

樣品壓縮試驗前后的照片如圖12。加載-壓縮量曲線見圖13?？梢?，單個鋅棒提供的記憶力為200～250 kN，極限壓縮量為35～40 mm。

圖12 鋅柱試驗前后照片F(xiàn)ig.12 Photosof zinc rods beforeand after the test

圖13 工況35加載-壓縮量曲線Fig.13 Load-compression test of scenario-35

考慮實際沉降也許是不連續(xù)的，補充測試了卸載再加載工況，如圖14，在該工況下，壓縮量-位移曲線仍然滿足記憶特征。

圖14 卸載再加載試驗的加載-壓縮量曲線Fig.14 Load-compression curveof the unloadingreloading test

開槽底座鋼表面的粗糙度對曲線有些影響，但是次要的。較粗糙的表面導(dǎo)致較高的恒定力。而且在兩家獨立的工廠購買了純鋅柱，試驗結(jié)果均滿足要求，兩者也無明顯區(qū)別。

3.3 鋅柱群組試驗

單個鋅柱的驗證試驗完成后，做了鋅柱的群組試驗。圖15為試驗照片。試驗加載-壓縮量曲線見圖16。

圖15 鋅柱群組試驗Fig.15 Zinc rod group test

圖16 鋅柱8個群組試驗加載-壓縮曲線Fig.16 Load-compression curve of 8 zinc rod groups

1）群組試驗中的單個鋅柱所貢獻的平均記憶值小于單柱試驗的記憶值?；趫D16曲線的拐點，假定群組使用時單個鋅柱記憶值為20 kN。

2）為了確保得到恒定的反力，鋅柱相對于底板不能過盈。如果過盈，則曲線的記憶段變得不穩(wěn)定，略微上升。

3）測試了3種加載速度，從0.5 kN/s至1.5 kN/s，試驗結(jié)果無明顯區(qū)別。

4 設(shè)計與應(yīng)用

記憶支座的安裝照片見圖17。以港珠澳沉管隧道為例，對照圖18論述設(shè)計與應(yīng)用。

圖17 記憶支座現(xiàn)場安裝Fig.17 Siteinstallations of the memory bearing

1）鋅柱的數(shù)量取決于記憶力的設(shè)置。港珠澳大橋沉管隧道每個豎向剪力鍵的承載能力6 000 kN。其相鄰結(jié)構(gòu)的承載力更高，不是控制因素。第3.3節(jié)已述，單個鋅柱在群組中的記憶力的貢獻約為150 kN。為了保護剪力鍵，記憶支座使用的鋅柱的最大數(shù)量為6 000/150=40個。每個記憶支座使用了28個鋅柱，所以記憶支座的記憶力約為28伊15=4 200 kN，小于結(jié)構(gòu)的承載力。所以，結(jié)構(gòu)能夠受到記憶支座的保護。

圖18 港珠澳大橋沉管隧道的記憶支座構(gòu)造（mm）Fig.18 The memory bearing configurations of HZMB immersed tunnel(mm)

2）壓載板需要足夠的厚，才能將壓力均勻地傳遞給各個鋅柱。需要注意壓載板的自重會對鋅柱產(chǎn)生一個初始的壓力。

3）開孔底座的總體尺寸必須與支座的安裝空間匹配。且開孔尺寸必須與試驗時的尺寸相同。

4）為了將鋅柱與水平力隔離，設(shè)置了鋼棒連接加載板與底座，且采用過盈的連接方式。

5）由于鋅與鋼的接觸表面之間會交換電流，這些部位需進行防腐涂裝處理。

6）考慮了附屬設(shè)施以方便安裝及支座壓縮量數(shù)值的讀取。

5 討論

記憶支座的目的是為了降低沉管管節(jié)之間的差異沉降帶來的結(jié)構(gòu)風(fēng)險，通過記憶支座記住隧道管節(jié)結(jié)構(gòu)能夠接受的荷載值。一旦超出這個限度，記憶支座就會通過自身的壓縮來釋放管節(jié)間的（可接受范圍內(nèi)的）差異沉降，而不是傳遞更多的壓力來損壞結(jié)構(gòu)。所以，記憶支座使得結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮它的承載力成為可能；這是有利于可持續(xù)發(fā)展的。從設(shè)計目標(biāo)來看，如果發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的承載力不足，可以進行結(jié)構(gòu)加強，但是當(dāng)結(jié)構(gòu)無法被加強時，記憶支座提供了另一種解決方法，即允許結(jié)構(gòu)發(fā)生一定量的相對位移。

記憶支座的設(shè)計至少需要一個輸入：結(jié)構(gòu)能夠接受的荷載。必要時，也可約束結(jié)構(gòu)能夠接受的最大的相對位移。

記憶支座不但可用于沉管隧道管節(jié)接頭的豎向剪力鍵之間，還可用于其它結(jié)構(gòu)物與建筑物的關(guān)鍵部位，只要該部位需要被保護，且允許發(fā)生一定量的相對位移。

[1] LIN Ming.Over and under-technical/Hongkong-Zhuhai-Macao Bridgeand Tunnel[J].Tunnel and Tunnelling International Edition,2018(4):41-45.

[2]林鳴，林巍.沉管隧道結(jié)構(gòu)選型的原理和方法[J].中國港灣建設(shè)，2016，36（1）：1-5，36.LINMing,LIN Wei.Principles and methods for structural-type selection of immersed tunnel[J].China Harbour Engineering,2016,36(1):1-5,36.

[3] LIN Ming.Semi-rigid element of immersed tunnel[C]//ITAAITRD world tunnel congress.Dubai:WTC 2018 DUBAI,MCI,2018.

[4]LUNNISSR,BABER J.Immersed tunnels[M].Boca Raton:CRC Press,2013:58.