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装配式 | 附加张力装置对注浆式榫槽接头力学性能的影响研究

城市轨道交通网CCRM

2023-05-25

本文发布已获得《都市快轨交通》授权

原文发表于《都市快轨交通》

第 36 卷第 2 期 2023 年 4 月

如有转载请联系版权方，标明出处

摘要:为研究注浆式榫槽接头附加张力装置的作用特性，在论述接头附加张力装置构造的基础上，基于接头试验结果分析加力棒位于不同受力性质区域的特性，明确附加张力装置的作用是延缓破坏和增加接头延性；然后，以长春装配式地铁车站结构为例，对其所采用的各种类型接头的附加张力装置进行实际作用分析；最后，基于注浆式榫槽接头算法针对不同附加张力装置的设置从预紧力大小和加力棒位置两方面对接头承载性能影响进行研究。结果表明：对于设置附加张力装置的接头，建议将加力棒设置在受拉侧，轴力较小时，适当增大加力棒预紧力值可以提高接头后期承载能力；较大预紧力值对接头承载非线性段起到明显作用，但对线性段影响甚微。对于附加张力装置在受拉侧接头，当预紧力足够大时，接头构造允许范围内将加力棒设置在距中心轴一定距离处能够发挥加力棒对接头后期承载的提升作用；对于附加张力装置在受压侧接头，应避免较大加力棒预紧力并尽量设置在距离中心轴较近位置。

关键词:地铁车站；预制装配；注浆式榫槽接头；附加张力装置；加力棒

中图分类号:U231 文献标志码:A 文章编号:1672-6073(2023)02-0045-09

地铁车站装配化建造技术具有绿色、安全、高质和高效等突出优势[1-3]，在国家大力倡导建筑业转型和建筑工业化等政策下，装配化建造技术成为城市轨道交通结构建造方式的一个新的发展方向，特别是2018年国内第一批装配式地铁车站——长春地铁2号线双丰站、兴隆堡站、西环城路站和建设大街站通车运营之后，在国内地铁车站建造领域掀起了一股装配工业化热潮[4]。

接头是装配式结构区别于现浇结构最重要的特征，对结构整体受力和稳定性起到关键作用。以长春为代表的国内已建和在建全预制装配式地铁车站均采用注浆式榫槽接头型式。在对承载要求较高部分，注浆式榫槽接头亦可设置附加锁固张力装置以延缓破坏和增加接头延性。

注浆式榫槽接头组成要素众多[5]，笔者以及所在研究团队通过大量不同工况下的接头原型试验[6]已经掌握了注浆式榫槽接头的“变刚度”特性[7-8]和“变承载”性能[9-10]，明确了接头的弯曲抵抗作用效应[11]以及承载特征曲线[12]。附加张力装置的添加使得接头力学性能更加复杂，而且，注浆式榫槽接头的附加张力装置与盾构管片中螺栓的机理并不相同[13-17]。因此，为了研究附加张力装置的作用特性，本文结合前期注浆式榫槽接头试验，对位于受拉和受压侧的加力棒特性进行试验结果分析，并基于长春装配式车站实际工程详细介绍接头附加张力装置构造，然后根据带加力棒注浆式榫槽接头算法，计算分析外置张力装置对接头力学特性的影响，以明确附加张力装置的作用和设计要求。

1加力棒特性试验分析

1.1注浆式榫槽接头介绍

长春地铁装配式地铁车站主体结构为地下二层单拱大跨结构，宽20.5m，高17.45m，由7块环宽2m的闭腔薄壁构件拼装而成[1,5]，见图1(a)。注浆式榫槽接头由榫头、榫槽以及注浆段构成，见图1(b)，通过凹槽和凸榫对接之后，在接头接缝之间通过预留注浆孔灌注浆液，让榫头和榫槽接触面充分弥合，起到限位和传力的作用，属于干式连接接头的一种。附加张力装置由图1所示接头左侧的外加凸台以及加力棒共同组成。

1.2加力棒布置

针对带附加张力装置的双榫接头进行了不同轴力作用下，附加张力装置分别位于受压侧和受拉侧的抗弯承载能力试验研究，接头尺寸如图2所示，加载方式如图3所示，N提供轴力，FM提供弯矩。加力棒设置上下两根，布置有钢筋应变片29#～32#，如图4所示，本文主要关注加力棒的特性，试验详细方案和注浆式双榫接头的承载特征分别见参考文献[6]和[9]，此处不再赘述。

1.3不同加力棒位置试验结果分析

本文以1250kN轴力作用下加力棒分别位于受拉侧和受压侧接头举例说明加力棒作用，图5和图6绘制了加力棒不同位置钢筋应力发展曲线。为了便于分析，将钢筋应变片分为2个区域：①沿榫头榫槽所布置受力钢筋；②榫肩及其他位置所布置受力钢筋，图中数字为钢筋应变片编号。

从图中可以看到：

1)加力棒在受拉侧接头：加力棒(32#、30#、29#、31#)在承载末期才发挥作用，从750kN·m开始拉应力迅速增大；所有钢筋在弯矩620kN·m之前变化不大，后期出现拐点位置集中在780、800kN·m，分别对应裂缝发展为受拉侧榫头裂缝贯通和两榫槽间裂缝贯通阶段。

2)加力棒在受压侧接头：受拉侧榫头10#钢筋从460kN·m拉应力开始增大，其余大多数从600kN·m出现拉应力变大拐点，720kN·m出现第二个加速拐点，分别对应裂缝发展和两榫槽间裂缝贯通阶段；加力棒受力变化不大，两榫槽之间25#钢筋和受拉侧边缘17#钢筋拉应力变化最大。

可见，受拉侧加力棒在承载末期发挥作用，在两个榫头裂缝都贯通之后发展迅速，当加力棒位于受压侧，并未充分发挥其抗拉性能，到后期表现为压应力状态。

2接头附加张力装置实际作用分析

通过大量接头试验[8-9]发现，附加张力装置对接头的主要作用为延缓破坏和增加接头延性。本文以长春装配式车站结构所采用的几种注浆式榫槽接头进行实际作用分析，如图7所示。图7(a)～(c)中，红色虚线部分即为附加张力装置：凸台+加力棒，加力棒每2m环宽范围内设置2根，选用HRB400预应力螺纹钢筋，两端头用配套垫板锚头锁定。蓝色虚线部分亦为张力装置，由于尺寸原因，加力棒直接穿过其中一个凹凸榫，位于接头实际接触区域，如图7(d)中加力棒也为这种情况，不同于红色虚线外置凸台构造，加力棒位于实际接触区域外侧。对于BC、CD/E接头，采用双榫+外置张力装置，设置外侧凸台(图7(a)和(b))，外置张力装置的设计有利于预防施工期回填前无外部轴力作用时接头拼装施工误差造成的转动量，同时作为设计预留安全储备，凸台的设计便于工人拧紧加力棒作业。对于DE接头(图7(c))，外置张力装置的作用在施工期间构件DE拼装完成后就开始发挥：施工阶段并未肥槽回填时，DE接头受外部轴力作用影响较小(仅部分施工荷载)，双侧加力棒的设置可以预防微小轴力作用下，由于构件自重导致的接头转动过大，同时作为设计预留安全储备。

AB接头(图7(d))的外置张力装置为贯穿整个B块构件的外部连接钢棒，用于张拉、锁紧、定位AB块构件。AB块作为底座，对拼装的精准度要求非常高，其外部连接钢棒有助于底部拼装定位和锁紧，避免拼装施工误差造成的转动量。

3附加张力装置对接头承载性能的影响

3.1计算分析工况

利用注浆式榫槽接头算法[5,12,18]，针对不同轴力作用下双榫接头，采用图2接头试验的试件尺寸，从加力棒预紧力大小和加力棒位置两方面进行附加张力装置对接头的影响分析。计算分析工况如表1所示，施加单根加力棒预紧力p为0、20、40、60、8100、120、140、160、180、200MPa，探讨不同预紧力大小作用对承载性能的影响。试件中加力棒直径d为18mm，双根加力棒对应预紧力(T=2·p·π·d2/4)为0、10.18、20.36、30.54、40.72、50.90、61.07、71.25、81.43、91.61、101.79kN。另外，本文建立不同轴力作用下加力棒距离接触面中心位置683、583、483、383、283、183、83、0mm的几种工况(加力棒均设置在受拉侧)，探讨加力棒位置对接头承载性能的影响。

3.2预紧力大小对承载性能的影响

3.2.1不同预紧力作用下承载能力

图8展示了不同轴力作用下接头不同预紧力大小接头的弯矩与转角M-θ关系曲线变化规律，可以看到：1)不同预紧力对受压侧加力棒影响较小，加力棒在受压侧由于有负弯矩的作用，并不能提升承载能力，弯矩值较无加力棒作用略小。2)不同预紧力对加力棒在受拉侧接头比加力棒在压侧接头影响大，预紧力越大后期承载弯矩值越大。3)改变预紧力在轴力较小时(如500kN)作用比较明显，在大轴力作用下(如1250kN)影响明显减小。4)无论加力棒在受拉侧还是受压侧，承载前两阶段几乎一致，需要放大很多倍(阴影放大区域)才能看到预紧力增大后斜率的微小变化，即与无加力棒(0MPa)相比，加力棒预紧力在线性段几乎可以认为没有差异。

3.2.2不同预紧力作用下等效抗弯刚度图9分别展示了500、1000和1250kN轴力作用下，不同预紧力前两阶段等效抗弯刚度变化曲线。等效抗弯刚度kθ为图10蓝色实线的斜率，此处仅取三拐点四折线模型中用于设计承载的前两阶段[5,9]，即kθ所在的蓝色斜边与M2对应转角组成的三角形面积，此面积等于坐标原点、M1、M2以及M2对应转角组成的四边形面积。其中，M1～M3分别为阶段1线性段、阶段2类线性段和阶段3非线性段的承载极限弯矩，Mlim为最终承载极限弯矩。

由图9可以看到：

1)各种轴力作用下，对于加力棒在受拉侧时，接头等效抗弯刚度随着预紧力的增大而增大，对于加力棒在受压侧时，接头等效抗弯刚度随着预紧力的增大而减小。

2)轴力越大，同样变量因子条件下(预紧力、轴力)的等效抗弯刚度越大。

3)轴力越小，预紧力对等效抗弯刚度的影响越大，变化幅度越大，轴力相对较大时，改变预紧力对等效抗弯刚度影响幅度减小。可见，轴力较小时，在不引起加力棒位置应力集中和过大加力棒值引起大偏心作用情况下，对张力装置在受拉侧接头，适当增大加力棒预紧力值可以提高接头后期承载能力。

3.3加力棒位置对承载性能的影响

3.3.1不同加力棒位置承载能力

图11～图13分别展示了不同轴力作用下不同接力棒位置的M-θ关系曲线变化规律，可以看到：

1)如图11所示，500kN轴力作用下，不同加力棒位置在不同预紧力作用下影响不同，预紧力越大，加力棒位置影响越明显，预紧力为20MPa时，位置变化对曲线影响不大，当预紧力为200MPa时，能明显看到加力棒设置离中心轴越远，最终阶段的承载能力越强，即便加力棒位于中心轴位置，在承载后期也比无加力棒接头弯矩值大。

2)从1000kN轴力作用(见图12)和1250kN轴力作用(见图13)也能看到同样的规律，同时可以看到随轴力的增大降低了变化幅度，当轴力为1000kN和1250kN时，在20MPa预紧力作用下加力棒位置变化对接头承受弯矩几乎没有影响，M-θ曲线变化同无加力棒接头。

3)在不同轴力下，加力棒位置对线性段影响甚微，不同工况下曲线几乎一致。

3.3.2不同加力棒位置下等效抗弯刚度

图14展示了轴力500、1000、1250kN作用下，不同预紧力前两阶段的等效抗弯刚度随加力棒与接触面中心距离变化曲线。从图中可以看到：

1)随加力棒位置向接触面中心轴靠近，等效抗弯刚度在一个小幅度范围内减小，无加力棒比加力棒位于中心轴的接头等效刚度略小。

2)随着预紧力的增大，加力棒位置对等效抗弯刚度的影响变大，该影响随着轴力增大而减小。可见，对于加力棒在受拉侧接头，在接头构造允许范围内，将加力棒设置在距中心轴一定距离将增大加力棒对接头后期承载的提升作用，但是如果预紧力值较小，该项作用可以忽略。

4附加张力装置设计建议

根据上述不同位置和预紧力值的加力棒对接头承载性能影响分析，提出如下建议：

1)将附加张力装置设置在受拉侧；

2)当加力棒预紧力值特别大时，对非线性段起到明显作用，对线性段影响甚微。考虑到结构设计采用线性承载段为使用阶段，并且地下结构受天然土体包裹，通常接头受到的外荷载轴力较大。如果为了发挥加力棒作用，过大的预紧力以及将其设置在离接触中心较远位置易引起加力棒位置应力集中和大偏心作用。建议避免加力棒过大预紧力以及将其设置在离接触面中心过远位置；

3)如果附加张力装置设置在接头受压侧，建议在接头构造允许范围内将加力棒设置在距离中心轴较近的位置，并应避免过大的加力棒预紧力。

以长春装配式地铁车站结构几种型式注浆式榫槽接头为例，根据各个接头不同受力状态和需求，BC、CD/E接头加力棒拧紧要求为螺栓拧紧即可，大约在单根设置预紧力T为20～30kN(p=20～30MPa)左右；DE接头需要预防微小轴力作用下由于构件自重导致的接头转动过大，所以单根加力棒设置预紧力T为100kN(p=100MPa)左右。凸台设计满足构造需求即可。对于AB接头，贯穿整个B块的外部连接钢棒的预紧力较其他接头加力棒要大，大约在单根设置预紧力250kN(246MPa)左右。

5结论

1)附加张力装置在注浆式榫槽接头中的作用主要是延缓破坏和增加接头延性。

2)轴力较小时，适当增大加力棒预紧力值可以提高接头后期非线性段承载能力。

3)建议将附加张力装置设置在受拉侧，并且在接头构造允许范围内可将加力棒设置在距中心轴一定距离处，以更好发挥加力棒对接头后期承载的提升作用。

4)较大的加力棒预紧力值虽对非线性段作用明显，但对线性段影响甚微，需避免过大加力棒预紧力值造成的应力集中现象。5)附加张力装置位于接头受压区域时，建议取较小预紧力值，且加力棒宜设置在距离中心轴较近位置。

参考文献

[1] 杨秀仁, 黄美群. 地铁车站预制装配新技术研究策略[J]. 都市快轨交通, 2018, 31(1): 78-85. YANG Xiuren, HUANG Meiqun. Research strategies on new prefabricated technology of underground subway station[J]. Urban rapid rail transit, 2018, 31(1): 78-85.

[2] 杨秀仁. 地铁车站装配式结构建造技术研究与应用[J]. 隧道建设(中英文), 2022, 42(3): 345-354. YANG Xiuren. Research and application of prefabricated structure construction technology for metro station[J]. Tunnel construction, 2022, 42(3): 345-354.

[3] BAGHCHESARAEI O R, LAVASANI H H, BAGHCHESARAEI A. Behavior of prefabricated structures in developed and developing countries[J]. Bulletin de la société royale des sciences de liège, 2016: 1229-1234.

[4] 杨秀仁. 我国预制装配式地铁车站建造技术发展现状与展望[J]. 隧道建设(中英文), 2021, 41(11): 1849-1870. YANG Xiuren. Development status of and outlook for construction technology for prefabricated metro stations in China[J]. Tunnel construction, 2021, 41(11): 1849-1870.

[5] 杨秀仁. 明挖地铁车站预制装配结构理论与实践[D]. 北京: 北京交通大学, 2020. YANG Xiuren. Theory and application of prefabricated opencut metro station structure[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2020.

[6] 杨秀仁, 黄美群, 林放, 等. 地铁车站预制装配式结构注浆式榫槽接头试验方案研究[J]. 都市快轨交通, 2019, 32(5): 83-90. YANG Xiuren, HUANG Meiqun, LIN Fang, et al. Experimental method of grouted mortise-tenon joint for prefabricated metro station structure[J]. Urban rapid rail transit, 2019, 32(5): 83-90.

[7] 杨秀仁, 林放, 黄美群. 地铁车站预制装配式结构注浆式单榫接头抗弯刚度试验研究[J]. 土木工程学报, 2020, 53(3): 38-43. YANG Xiuren, LIN Fang, HUANG Meiqun. Experimental research on flexural rigidity of grouted single mortise-tenon joints for prefabricated metro station structures[J]. China civil engineering journal, 2020, 53(3): 38-43.

[8] YANG X R, LIN F, HUANG M Q. Experimental analysis of bending stiffness characteristics of grouted double mortisetenon joint for prefabricated metro station structure[J]. Advances in civil engineering, 2021, 2021: 1-13.

[9] YANG X R, LIN F, HUANG M Q. Experimental research on bending bearing capability of grouted double mortisetenon joint for prefabricated metro station structure[J]. Advances in civil engineering, 2021, 2021: 1-14.

[10] 杨秀仁, 林放, 黄美群. 地铁车站预制装配式结构注浆式单榫长接头抗弯承载性能试验研究[J]. 土木工程学报, 2020, 53(4): 111-118. YANG Xiuren, LIN Fang, HUANG Meiqun. Research on flexural bearing capability of long grouted single mortisetenon joints for prefabricated metro station structures[J]. China civil engineering journal, 2020, 53(4): 111-118.

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