周龍， 朱合華，2， 閆治國(guó)，2， 劉浩， 杜樂(lè)樂(lè)， 申玉坤

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000； 4.中鐵五局集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550003）

盾構(gòu)隧道目前廣泛地應(yīng)用于軌道交通、公路、鐵路、市政管道等工程中［1-2］。隨著盾構(gòu)隧道使用年限的增加，盾構(gòu)隧道病害逐漸增多；運(yùn)營(yíng)盾構(gòu)隧道多會(huì)出現(xiàn)襯砌環(huán)收斂變形過(guò)大、縱縫張開(kāi)過(guò)大以及由此引起的滲漏水等問(wèn)題［3-6］。內(nèi)部加固技術(shù)是控制盾構(gòu)襯砌環(huán)變形的有效方法，常用的加固技術(shù)多為在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部添加鋼板等結(jié)構(gòu)，與襯砌形成復(fù)合受力體系，提高結(jié)構(gòu)整體剛度及承載力［7-8］。

對(duì)于盾構(gòu)襯砌加固，現(xiàn)有研究多為對(duì)襯砌環(huán)整體和局部接縫進(jìn)行加固。在襯砌環(huán)加固研究方面，常用的方法為內(nèi)置鋼圈加固，可分為整環(huán)加固法和半環(huán)加固法［9-10］。畢湘利等［11］分析了整環(huán)和半環(huán)方式加固后盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，結(jié)果表明二者的受力性能相近。Zhao等［12］分析了環(huán)氧樹(shù)脂的膠接強(qiáng)度、粘貼鋼板的時(shí)機(jī)和鋼板尺寸對(duì)加固后復(fù)合結(jié)構(gòu)整體性能的影響，研究表明環(huán)氧樹(shù)脂的膠接強(qiáng)度最為重要，加固時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的塑性變形越小對(duì)加固后復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能越有利。劉庭金等［13］對(duì)廣州地鐵1號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)隧道鋼圈加固案例展開(kāi)了三維數(shù)值模擬，認(rèn)為發(fā)生病害的錯(cuò)縫拼裝盾構(gòu)隧道在進(jìn)行粘貼鋼圈作業(yè)后其承載力可提升約59.0%。此外，Liu等［14］、柳獻(xiàn)等［15］還分析了采用復(fù)合腔體及鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)加固襯砌環(huán)后結(jié)構(gòu)的極限承載能力。

在襯砌環(huán)局部接縫加固研究方面，周書(shū)揚(yáng)［16］分析了鋼板加固后縱縫的承載力，研究表明鋼板厚度及加固范圍對(duì)加固后接縫的抗彎剛度與極限承載能力影響顯著。柳獻(xiàn)等［17-18］對(duì)復(fù)合腔體及纖維增強(qiáng)加固材料（FRP）加固后的盾構(gòu)縱縫開(kāi)展了抗彎試驗(yàn)研究，提出了2種加固方式中結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)。Wu和Ou［19］、吳波等［20］分析了縱縫采用形狀記憶合金（SMA）螺栓和鋼管混凝土加固方式對(duì)接縫承載力和剛度的影響規(guī)律。

總體而言，現(xiàn)有加固技術(shù)均為在隧道襯砌環(huán)或局部接縫內(nèi)表面添加鋼板等結(jié)構(gòu)。此類(lèi)方法具有加固后遮擋襯砌表面、不利于觀察襯砌表面滲漏水、裂縫等病害的缺陷。同時(shí)，在襯砌環(huán)與接縫發(fā)生變形后，安裝此類(lèi)加固結(jié)構(gòu)時(shí)，其與襯砌環(huán)表面的貼合也會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題?；诖?，本文研發(fā)一種新型拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，其具有安裝后不會(huì)遮擋襯砌表面、安裝不會(huì)受襯砌結(jié)構(gòu)變形影響的優(yōu)勢(shì)。已有研究表明，盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)的破壞發(fā)展過(guò)程表現(xiàn)出連續(xù)性破壞特征，且最初始的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源于接縫位置的破壞［21-22］。因此，對(duì)拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)加固后的管片縱縫開(kāi)展正、負(fù)彎矩試驗(yàn)研究，分析拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)加固后縱縫的力學(xué)特性；同時(shí)，與未安裝拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的管片縱縫力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比。在此基礎(chǔ)上，對(duì)拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的加固效果進(jìn)行分析并提出結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。

1 管片襯砌縱縫抗彎試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)試件

試驗(yàn)試件采用濟(jì)南地鐵R2線(xiàn)管片結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)隧道外徑6.4m，內(nèi)徑5.8m，管片厚0.3m，環(huán)寬1.2m。每環(huán)由1塊封頂塊（K）、2塊鄰接塊（L1和L2）和3塊標(biāo)準(zhǔn)塊（A1，A2和A3）組成，封頂塊對(duì)應(yīng)的圓心角為22.5°，鄰接塊和標(biāo)準(zhǔn)塊對(duì)應(yīng)的圓心角均為67.5°?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C50。試驗(yàn)對(duì)象選取標(biāo)準(zhǔn)塊間的接縫，接縫尺寸如圖1所示。受限于試驗(yàn)加載裝置的尺寸，試驗(yàn)中無(wú)法將2塊完整標(biāo)準(zhǔn)塊拼裝后吊裝于試驗(yàn)設(shè)備上。因此，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備的尺寸對(duì)試驗(yàn)試件的大小進(jìn)行了調(diào)整。調(diào)整方法為：在澆筑試件前按照調(diào)整后試件的大小綁扎鋼筋籠，并在標(biāo)準(zhǔn)塊鋼模中焊接鋼板，隨后澆筑管片；當(dāng)管片脫模時(shí)，即形成調(diào)整后的管片，如圖2a和2b所示。試驗(yàn)管片厚度仍為0.3m不變，對(duì)應(yīng)的圓心角為22.5°（原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)塊的1/3）。接縫通過(guò)2根強(qiáng)度等級(jí)為6.8級(jí)的M27彎螺栓相連（見(jiàn)圖2c）。螺栓彈性模量為210GPa，屈服強(qiáng)度為480MPa；根據(jù)其彈性模量和屈服強(qiáng)度可知其屈服應(yīng)變?yōu)?.286×10-3。接縫止水槽處粘貼彈性橡膠密封墊，其材質(zhì)為三元乙丙橡膠（見(jiàn)圖2d）。

圖1 管片接縫尺寸（單位：mm）Fig.1 Dimension of segmental joint (unit: mm)

圖2 試驗(yàn)試件Fig.2 Test specimen

鑒于前述鋼板等加固方法的缺陷，提出了一種新型的盾構(gòu)襯砌拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。采用該結(jié)構(gòu)對(duì)縱縫加固，施工較為便捷且可更換，構(gòu)件可標(biāo)準(zhǔn)化制作；同時(shí)，對(duì)于盾構(gòu)隧道內(nèi)表面遮擋少，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)襯砌病害。結(jié)合濟(jì)南地鐵R2線(xiàn)管片襯砌的結(jié)構(gòu)特征，分別對(duì)安裝拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)及未安裝拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的管片縱縫開(kāi)展抗彎試驗(yàn)研究，以對(duì)比分析拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)管片縱縫的增強(qiáng)效果及安裝增強(qiáng)結(jié)構(gòu)后縱縫承載機(jī)制與破壞模式的變化規(guī)律。拼裝后的管片縱縫試件如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)管片縱縫Fig.3 Segmental joint

圖3a中所示的拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)由節(jié)點(diǎn)件、連桿、螺栓與膨脹螺栓等構(gòu)成，具體構(gòu)造如圖4所示。拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安裝步驟如下：①將2個(gè)節(jié)點(diǎn)件（圖4a）分別通過(guò)8根膨脹螺栓（圖4b）安裝在接縫2側(cè)的管片上；②通過(guò)4根螺栓（圖4c）將2根連桿（圖4d）連接在管片的2個(gè)節(jié)點(diǎn)件上。考慮到隧道在長(zhǎng)期承載過(guò)程中接縫位置會(huì)發(fā)生張開(kāi)、錯(cuò)臺(tái)等變形，將連桿設(shè)計(jì)成長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)，以便于加固時(shí)的安裝。每根連桿由1個(gè)套筒（圖4e）、2個(gè)桿件（圖4f）與2個(gè)接頭件（圖4g）組成。套筒與桿件間通過(guò)螺紋連接，因而連桿的長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)。

圖4 拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Assembly reinforced structure

盾構(gòu)襯砌環(huán)承載過(guò)程中，不同位置縱縫承受的彎矩荷載不同，部分接縫正彎矩承載（接縫內(nèi)弧面張開(kāi)），另一部分接縫負(fù)彎矩承載（接縫外弧面張開(kāi)）。針對(duì)縱縫不同的承載特征，開(kāi)展2類(lèi)接縫抗彎試驗(yàn)，即為正、負(fù)彎矩試驗(yàn)。在每類(lèi)抗彎試驗(yàn)中，分別采用2組試件，一組安裝拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，另一組未安裝拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。具體的試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案Tab.1 Experimental details

1.2 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)采用同濟(jì)大學(xué)盾構(gòu)管片接縫試驗(yàn)加載系統(tǒng)，加載控制系統(tǒng)包括自平衡反力框架、豎向加載作動(dòng)器（最大施加荷載1 500kN）、水平加載作動(dòng)器（最大施加荷載2 000kN）、加載支座和控制器等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道管片接縫的雙向加載。對(duì)試件1和試件2開(kāi)展正彎矩加載試驗(yàn)，試驗(yàn)中，將試件外弧面向上吊裝至試驗(yàn)加載系統(tǒng)上，如圖5a所示；對(duì)試件3和試件4開(kāi)展負(fù)彎矩加載試驗(yàn)，加載時(shí)，將試件內(nèi)弧面向上吊裝至試驗(yàn)加載系統(tǒng)上，如圖5b所示。試驗(yàn)中通過(guò)豎向作動(dòng)器施加豎向荷載P，通過(guò)水平向作動(dòng)器施加水平向荷載F。根據(jù)試驗(yàn)加載系統(tǒng)中豎向和水平加載作動(dòng)器及試件支座的位置，可知試件的受力情況（忽略試件自重），如圖6所示。試驗(yàn)主要考慮試件在彎矩M和軸力N作用下管片縱縫的抗彎性能及破壞模式；根據(jù)圖6中的荷載作用模式，可知：正彎矩試驗(yàn)（圖6a）中M=0.7P-0.093 6F，負(fù)彎矩試驗(yàn)（圖6b）中M=0.6P+0.07F；N=F。

圖5 試驗(yàn)加載布置Fig.5 Loading arrangement

圖6 試件受力（單位：mm）Fig.6 Load condition (unit: mm)

濟(jì)南地鐵管片襯砌的縱縫內(nèi)力采用修正慣用法設(shè)計(jì)計(jì)算，具體計(jì)算參數(shù)為：隧道頂部埋深25m，土層重度18kN·m-3，側(cè)壓力系數(shù)0.5，襯砌環(huán)剛度折減率為0.7，彎矩傳遞系數(shù)為0.3。正彎矩承載接縫的彎矩M和軸力N設(shè)計(jì)值分別為267kN·m和1 950kN，負(fù)彎矩承載接縫的彎矩M和軸力N設(shè)計(jì)值分別為186kN·m和1 640kN。正彎矩試驗(yàn)中，按偏心距e（e=M/N）不變的原則，保持偏心距為0.14分10級(jí)將接縫彎矩和軸力荷載分別施加至設(shè)計(jì)值。隨后，因水平加載作動(dòng)器基本達(dá)到最大加載能力，在保持接縫彎矩值267kN·m不變的前提下，按50kN每級(jí)的幅度逐漸減小接縫軸力，直至試件破壞（為使M=267kN·m保持不變，試驗(yàn)中水平荷載F和豎向荷載P同步減小，具體計(jì)算公式為M=0.7P-0.093 6F）。在負(fù)彎矩試驗(yàn)前，通過(guò)分析得出結(jié)論：若施加荷載至設(shè)計(jì)值，會(huì)造成管片支座破壞。因此，僅施加荷載至原設(shè)計(jì)值的0.67 倍，即彎矩125kN·m和軸力1 100kN；在加載過(guò)程中，同樣按偏心距不變（e=0.11）的原則分14級(jí)加載；隨后，在保持接縫軸力（1 100kN）不變的前提下，按10kN·m每級(jí)的幅度逐漸增大接縫彎矩，直至試件破壞。正、負(fù)彎矩試驗(yàn)中具體彎矩與軸力加載情況見(jiàn)圖7。

圖7 試件加載荷載Fig.7 Test loading

1.3 試驗(yàn)測(cè)試

在正彎矩試驗(yàn)中，試件1和試件2接縫內(nèi)弧面張開(kāi)、外弧面閉合，張開(kāi)量采用3個(gè)電測(cè)位移計(jì)測(cè)量。在試件每個(gè)螺栓上兩側(cè)分別開(kāi)槽并粘貼一對(duì)半橋連接的電阻應(yīng)變片，測(cè)試螺栓應(yīng)變。對(duì)于安裝拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的試件1，在結(jié)構(gòu)外側(cè)粘貼6個(gè)電阻應(yīng)變片測(cè)試其應(yīng)變；同時(shí)，在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)件周邊混凝土上粘貼8個(gè)電阻應(yīng)變片測(cè)試混凝土應(yīng)變。試件1具體的測(cè)點(diǎn)編號(hào)見(jiàn)圖8a（因部分測(cè)點(diǎn)在吊裝試件時(shí)損壞，圖中僅列出未損壞的測(cè)點(diǎn)）。試件1接縫張開(kāi)量測(cè)點(diǎn)編號(hào)為T(mén)X1、TX2和TX3；螺栓應(yīng)變測(cè)點(diǎn)編號(hào)為T(mén)L1和TL2；增強(qiáng)結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為T(mén)A1—TA6；混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)編號(hào)為T(mén)C5、TC6和TC7。試件2未安裝拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)中僅測(cè)試接縫張開(kāi)量和螺栓應(yīng)變值，其測(cè)點(diǎn)布置位置與試件1相同。接縫張開(kāi)量測(cè)點(diǎn)編號(hào)為ZX1、ZX2和ZX3；螺栓應(yīng)變測(cè)點(diǎn)編號(hào)為ZL1和ZL2。在負(fù)彎矩試驗(yàn)中，試件3和試件4接縫外弧面張開(kāi)、內(nèi)弧面閉合。試件3具體的測(cè)點(diǎn)編號(hào)見(jiàn)圖8b（同樣，圖中僅列出未損壞的測(cè)點(diǎn)）。試件3接縫張開(kāi)量測(cè)點(diǎn)編號(hào)為RX1、RX2和RX3；螺栓應(yīng)變測(cè)點(diǎn)編號(hào)為RL1和RL2；增強(qiáng)結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為RA1、RA3、RA4和RA6～RA12；混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)編號(hào)為T(mén)C1、TC2和TC4—TC8。試件4未安裝拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)中僅測(cè)試接縫張開(kāi)量和螺栓應(yīng)變值，其測(cè)點(diǎn)布置位置和試件3相同。接縫張開(kāi)量測(cè)點(diǎn)編號(hào)為FX1、FX2和FX3；螺栓應(yīng)變測(cè)點(diǎn)編號(hào)為FL1和FL2。

圖8 試件測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）Fig.8 Measuring point arrangement (unit: mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 縱縫正彎矩承載試驗(yàn)

2.1.1 接縫變形

試驗(yàn)過(guò)程中2組試件的接縫張開(kāi)量見(jiàn)圖9。

圖9 正彎矩試驗(yàn)接縫張開(kāi)量Fig.9 Joint opening in positive bending test

由圖9可知，加載至第14級(jí)荷載（彎矩267kN·m，軸力1 750kN）時(shí)，試件1和試件2基本處于閉合未張開(kāi)狀態(tài)。從第15級(jí)荷載開(kāi)始，2組試件張開(kāi)且隨軸力減小接縫張開(kāi)量逐漸增大。加載至第18級(jí)荷載（彎矩267kN·m，軸力1 550kN）時(shí)，未安裝拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的試件2破壞，此時(shí)其張開(kāi)量為5.48mm。而安裝拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的試件1此時(shí)張開(kāi)量為1.50mm。相較于未安裝拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的試件2在破壞時(shí)的張開(kāi)量，相同荷載等級(jí)時(shí)安裝拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的試件1接縫張開(kāi)量減小72.6%（從5.48mm減小至1.50mm）。保持彎矩267kN·m不變，持續(xù)減小軸力至1 250kN（第24級(jí)荷載）時(shí)，試件1破壞，此時(shí)其張開(kāi)量為9.39mm。其破壞時(shí)的軸力相較于試件2減小19.3%?？傮w而言，管片內(nèi)側(cè)安裝拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)限制正彎矩承載的接縫變形、提高承載力起到較強(qiáng)的作用。

2.1.2 螺栓與增強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變

試驗(yàn)過(guò)程中試件的螺栓及增強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變變化情況見(jiàn)圖10。

圖10 正彎矩試驗(yàn)螺栓與增強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變Fig.10 Strain of bolt and assembly reinforced structure in positive bending test

由圖10a可知，第1—14加載等級(jí)，因接縫處于閉合未張開(kāi)狀態(tài)，螺栓應(yīng)變基本為零。從第15級(jí)荷載開(kāi)始，隨著2組試件張開(kāi)量增大，螺栓應(yīng)變值逐漸增大。接縫張開(kāi)后，試件2的螺栓應(yīng)變值大于試件1，主要原因?yàn)樵嚰?的張開(kāi)量大于試件1。試件2破壞時(shí)2根螺栓的最大應(yīng)變值為1.961×10-3；對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)6.8級(jí)的M27螺栓，其屈服應(yīng)變?yōu)?.286×10-3，說(shuō)明螺栓的強(qiáng)度未得到充分利用。試件1安裝了拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在第15加載等級(jí)開(kāi)始承擔(dān)一定的荷載（見(jiàn)圖10b），即從該級(jí)荷載開(kāi)始，螺栓和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)共同受力。第15級(jí)荷載后，保持彎矩267kN·m不變、持續(xù)減小軸力至1 250kN時(shí)，試件1破壞；此過(guò)程中螺栓與增強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變值持續(xù)增大。在試件1破壞時(shí)，實(shí)測(cè)的螺栓最大應(yīng)變值達(dá)5.180×10-3，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變?yōu)?.546×10-3。因螺栓和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)共同受力、拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的作用得到發(fā)揮，接縫的張開(kāi)得到有效控制，同時(shí)接縫承載力得到提高。

2.1.3 接縫破壞特征

正彎矩承載時(shí)接縫內(nèi)弧面張開(kāi)、外弧面壓縮，受壓區(qū)位于接縫外弧面一側(cè)。試件1在第18加載等級(jí)（彎矩267kN·m，軸力1 550kN）時(shí)受壓區(qū)起裂，在第24加載等級(jí)（彎矩267kN·m，軸力1 250kN）時(shí)破壞；試件2在第16加載等級(jí)（彎矩267kN·m，軸力1 650kN）時(shí)受壓區(qū)起裂，在第18加載等級(jí)（彎矩267kN·m，軸力1 550kN）時(shí)破壞。2組接縫試件最終因張開(kāi)無(wú)法得到有效限制、失去承載能力而破壞，破壞時(shí)受壓區(qū)混凝土的破碎情況見(jiàn)圖11。圖11a中試件1的混凝土破碎范圍和程度大于圖11b中的試件2。主要原因是試件1安裝了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其與螺栓共同受力，在接縫張開(kāi)量較大時(shí)仍能起到限制接縫張開(kāi)的作用，因而其破壞時(shí)的張開(kāi)量（9.39mm）大于試件2（5.48mm），造成試件1受壓區(qū)的壓縮大于試件2。

圖11 接縫外弧面混凝土破碎Fig.11 Failure of concrete in outer arc surface of segmental joint

2.1.4 拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)破壞特征

拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)與管片之間的連接對(duì)于拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)加固效果的發(fā)揮極為重要。加載至第22級(jí)荷載時(shí)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)件周邊混凝土出現(xiàn)裂縫；加載至第24級(jí)荷載、試件破壞時(shí)，拼裝式增強(qiáng)式結(jié)構(gòu)與管片連接的節(jié)點(diǎn)件被拉出，該位置附近的混凝土同樣破碎，如圖12所示。在加載過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)件周邊混凝土應(yīng)變?nèi)鐖D13所示。

圖12 試件1節(jié)點(diǎn)件脫開(kāi)Fig.12 Disconnection of node component in Specimen 1

圖13 試件1節(jié)點(diǎn)件周邊混凝土應(yīng)變Fig.13 Strain of concrete around node component in Specimen 1

由圖13可知，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)件周邊混凝土應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，出現(xiàn)裂縫時(shí)實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)變最大值為0.651×10-3；最終破壞拉出時(shí)混凝土應(yīng)變最大值為0.928×10-3。

2.2 縱縫負(fù)彎矩承載試驗(yàn)

2.2.1 接縫變形

試驗(yàn)過(guò)程中2組試件的接縫張開(kāi)量見(jiàn)圖14。

圖14 負(fù)彎矩試驗(yàn)接縫張開(kāi)量Fig.14 Joint opening in negative bending test

由圖14可知，在第1—14級(jí)荷載作用時(shí)，接縫張開(kāi)量變化幅度不大，小于1.50mm；這主要是由于1—14級(jí)加載時(shí)采用等偏心距加載的方式加載，且僅加載至接縫荷載設(shè)計(jì)值的0.67倍。隨后從第15級(jí)荷載（彎矩135kN·m，軸力1 100kN）開(kāi)始，增大接縫彎矩、保持軸力不變；因軸力不變、彎矩增大（接縫偏心距增大）對(duì)接縫承載不利，2組試件的張開(kāi)量明顯增加。

加載至第21級(jí)荷載（彎矩195kN·m，軸力1 100kN）時(shí)，未安裝拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的試件4破壞，此時(shí)其張開(kāi)量為26.97mm。而安裝拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的試件3此時(shí)張開(kāi)量為22.19mm。相較于未安裝拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的試件4在破壞時(shí)的張開(kāi)量，相同荷載等級(jí)時(shí)安裝拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的試件1接縫張開(kāi)量減小17.7%（從26.97mm減小至22.19mm）。保持軸力1 100kN不變，持續(xù)增大彎矩至215kN·m（第23級(jí)荷載）時(shí)，試件3破壞，此時(shí)張開(kāi)量為29.04mm。其破壞時(shí)的彎矩相較于試件4增大10.3%。與正彎矩承載的接縫不同，在負(fù)彎矩試驗(yàn)過(guò)程中，接縫破壞時(shí)的張開(kāi)量較大，試件3和試件4破壞時(shí)的張開(kāi)量分別為29.04mm和26.97mm；而正彎矩承載接縫破壞時(shí)的張開(kāi)量分別為9.39mm和5.48mm。總體而言，管片內(nèi)側(cè)安裝拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)限制負(fù)彎矩承載的接縫變形、提高其承載力起到一定作用，但作用不如正彎矩承載時(shí)明顯。

2.2.2 螺栓與增強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變

試驗(yàn)過(guò)程中試件的螺栓及增強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變變化情況見(jiàn)圖15。

圖15 負(fù)彎矩試驗(yàn)螺栓與增強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變Fig.15 Strain of bolt and assembly reinforced structure in negative bending test

由圖15a可知，第1—14加載等級(jí)時(shí)，螺栓應(yīng)變最大不超過(guò)0.300×10-3，且變化幅度不大。從第15級(jí)荷載開(kāi)始，隨著2組試件接縫張開(kāi)的變化，螺栓應(yīng)變值增幅明顯。因試件4接縫的張開(kāi)量大于試件3，試件4的螺栓應(yīng)變值大于試件3。試件3和4破壞時(shí)2根螺栓的最大應(yīng)變值分別為3.951×10-3和2.543×10-3，均超過(guò)6.8級(jí)M27螺栓的屈服應(yīng)變2.286×10-3，螺栓強(qiáng)度得到充分利用。試件3中安裝了拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，從圖15b中監(jiān)測(cè)的應(yīng)變值可以看出，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變值為負(fù)，即承受壓力。雖然在承載過(guò)程中螺栓和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)也會(huì)共同受力，但由于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安裝在接縫內(nèi)弧面承受壓力，對(duì)接縫外弧面的張開(kāi)限制作用較??；其應(yīng)變值與試件中螺栓的應(yīng)變值相比明顯減小，最大值僅為0.656×10-3。因而負(fù)彎矩承載試驗(yàn)中，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)限制接縫變形及提升承載力的作用有限。

2.2.3 接縫破壞特征

負(fù)彎矩承載時(shí)接縫外弧面張開(kāi)、內(nèi)弧面壓縮，受壓區(qū)位于接縫內(nèi)弧面一側(cè)。試件3在第21加載等級(jí)（彎矩195kN·m，軸力1 100kN）時(shí)受壓區(qū)起裂，在第23加載等級(jí)（彎矩215kN·m，軸力1 100kN）時(shí)破壞；試件4在第20加載等級(jí)（彎矩185kN·m，軸力1 100kN）時(shí)受壓區(qū)起裂，在第21加載等級(jí)（彎矩195kN·m，軸力1 100kN）時(shí)破壞。與正彎矩試驗(yàn)相同，2組接縫試件最終因張開(kāi)無(wú)法得到有效限制、失去承載能力而破壞，試件破壞時(shí)混凝土的破碎情況見(jiàn)圖16。圖16a中試件3和圖16b中試件4的混凝土破碎范圍及程度大致相當(dāng)，主要原因是破壞時(shí)試件3的張開(kāi)量（29.04mm）與試件4的張開(kāi)量（26.97mm）差距不大，二者受壓區(qū)的壓縮基本相同。

圖16 接縫內(nèi)弧面混凝土破碎Fig.16 Failure of concrete in inner arc surface of segmental joint

與正彎矩試驗(yàn)相比，負(fù)彎矩承載試件張開(kāi)量達(dá)到26mm以上才破壞，而正彎矩承載試件破壞時(shí)接縫最大張開(kāi)量小于10mm。造成此差異的原因是選用的濟(jì)南地鐵R2線(xiàn)管片結(jié)構(gòu)僅在接縫內(nèi)弧面位置設(shè)置了嵌縫（見(jiàn)圖1）。在正彎矩承載時(shí)，受壓區(qū)位于接縫外弧面，由于外弧面未設(shè)置嵌縫，受壓區(qū)外側(cè)保護(hù)層的混凝土（無(wú)鋼筋）始終處于接觸狀態(tài)，當(dāng)試件張開(kāi)量不大時(shí)受壓區(qū)外側(cè)的混凝土即發(fā)生剪切破壞；而負(fù)彎矩承載時(shí)，受壓區(qū)位于接縫內(nèi)弧面，由于內(nèi)弧面嵌縫的設(shè)置，當(dāng)試件張開(kāi)量達(dá)到一定值之后，受壓區(qū)外側(cè)保護(hù)層的混凝土（無(wú)鋼筋）才會(huì)處于接觸狀態(tài)，即延緩了試件受壓區(qū)外側(cè)混凝土的接觸，因而其破壞時(shí)的張開(kāi)量大于正彎矩工況。

2.2.4 拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)破壞特征

第1—22級(jí)加載過(guò)程中，試件3增強(qiáng)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)件周邊的混凝土未出現(xiàn)裂縫；加載至第23級(jí)荷載、試件破壞時(shí)，拼裝式增強(qiáng)式結(jié)構(gòu)與管片連接的節(jié)點(diǎn)件被擠出，該位置附近的混凝土開(kāi)裂，如圖17所示。在承載過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)件周邊混凝土應(yīng)變?nèi)鐖D18所示。

圖18 試件3節(jié)點(diǎn)件周邊混凝土應(yīng)變Fig.18 Strain of concrete around node component in Specimen 3

由圖18可知，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)件周邊混凝土的應(yīng)變變化規(guī)律與正彎矩試驗(yàn)不同。在承載初期，因增強(qiáng)結(jié)構(gòu)承受壓力，其節(jié)點(diǎn)件周邊混凝土中的應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變。隨著增強(qiáng)結(jié)構(gòu)承受的壓力逐漸增大，節(jié)點(diǎn)件逐漸呈現(xiàn)出擠出的趨勢(shì)，因而混凝土應(yīng)變逐漸變化為拉應(yīng)變；最終擠裂時(shí)混凝土應(yīng)變最大值為0.429×10-3。

3 結(jié)論與建議

提出了一種拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，可對(duì)管片襯砌接縫進(jìn)行加固，具有安裝時(shí)不受襯砌結(jié)構(gòu)變形影響且安裝后不遮擋襯砌表面的優(yōu)勢(shì)。對(duì)采用拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)加固后的管片縱縫開(kāi)展了正、負(fù)彎矩試驗(yàn)研究，并與未安裝拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的管片縱縫力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比，具體結(jié)論與建議如下：

（1）拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)于正彎矩承載的縱縫加固作用較為明顯。在接縫張開(kāi)后，其會(huì)與接縫螺栓共同承受拉力荷載，接縫的張開(kāi)得到有效控制且承載力得到提高。在相同荷載作用下，當(dāng)未安裝增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的接縫破壞時(shí)，安裝增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的接縫張開(kāi)量減小72.6%；同時(shí)其破壞時(shí)的軸力相較于未安裝增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的接縫減小19.3%。

（2）拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)于負(fù)彎矩承載的縱縫加固作用較為有限，不如正彎矩承載時(shí)明顯；主要原因?yàn)殡m然在承載過(guò)程中螺栓和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)會(huì)共同受力，但增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安裝在接縫內(nèi)弧面承受壓力，對(duì)接縫外弧面的張開(kāi)限制作用較小。在相同荷載作用下，當(dāng)未安裝增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的接縫破壞時(shí)，安裝增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的接縫張開(kāi)量減小17.7%；同時(shí)其破壞時(shí)的彎矩相較于未安裝增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的接縫增大10.3%。

（3）在試驗(yàn)過(guò)程中，拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯的變形，監(jiān)測(cè)的最大應(yīng)變值為1.546×10-3；拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)件通過(guò)膨脹螺栓與管片間連接、傳力，縱縫兩側(cè)節(jié)點(diǎn)件周邊的管片混凝土均出現(xiàn)了破壞。說(shuō)明拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)與管片之間的連接方式還需進(jìn)一步優(yōu)化。后續(xù)研究需重新設(shè)計(jì)拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)與管片之間的連接方式并開(kāi)展分析。

作者貢獻(xiàn)聲明：

周 龍：設(shè)計(jì)拼裝式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)、開(kāi)展縱縫力學(xué)特性試驗(yàn)、撰寫(xiě)論文。

朱合華：提出研究思路、指導(dǎo)試驗(yàn)。

閆治國(guó)：提出研究思路、修改論文。

劉 浩：協(xié)助開(kāi)展試驗(yàn)、處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

杜樂(lè)樂(lè)：提供依托工程資料與資金支持。

申玉坤：提供試驗(yàn)試件與資金支持。