CN106761816B - 一种用于超大直径盾构隧道管片间的螺栓接头连接结构 - Google Patents

一种用于超大直径盾构隧道管片间的螺栓接头连接结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于超大直径盾构隧道管片间的螺栓接头连接结构，用以在相邻的第一管片和第二管片间满足接头刚度和负弯矩性能要求，该连接结构包括设置在第一管片内弧面接缝侧的第一管片接头手孔、设置在第二管片内弧面接缝侧的第二管片接头手孔、对拉直螺栓和斜螺栓，所述的对拉直螺栓设置在第一管片接头手孔和第二管片接头手孔之间的直螺栓孔内，所述的斜螺栓设置在第二管片接头手孔处的斜螺栓孔内，所述的对拉直螺栓和斜螺栓均穿过第一管片和第二管片间的接缝，与现有技术相比，本发明具有优化受力、可靠性高、实用性好等优点。

Description

一种用于超大直径盾构隧道管片间的螺栓接头连接结构
技术领域
本发明涉及隧道盾构管片安装领域，尤其是涉及一种用于超大直径盾构隧道管片间的螺栓接头连接结构。
背景技术
接头形式的选择在盾构隧道的设计中有着重要的作用，既要考虑到承受的荷载、周围的地质情况及防水等要求，又要考虑到施工便捷度、经济合理性、工期压力，养护维修难度等方面。目前在接头结构中常采用的形式有：螺栓接头、铰接头、销插入式接头，楔形接头、榫接头等，其中，螺栓接头是纵向接头和环向接头中最为常用的接头结构。目前，常用的螺栓接头形式主要有三种：弯螺栓、直螺栓、斜直螺栓，各种接头使用性能的对比见表1。
表1螺栓接头使用性能对比表
结合现有工程实例，将既有接头设计结构应用于超大直径盾构隧道时，会出现以下问题：
(1)环缝接头刚度不能满足要求：盾构在地层中推进，施工工艺复杂多变，其影响和扰动地层的程度在沿隧道纵向长度范围内也有所不同。建设在这样地层内的装配式隧道，就会产生隧道纵向变形的问题，由于装配式隧道衬砌接缝密封状况不好，引起隧道底部漏水漏泥，从而产生隧道不均匀沉降和环面的相互错动。此外，隧道穿越建筑物，隧道立体交叉，盾构推进时千斤顶顶力引起的大偏心荷重，瞬时局部动荷载作用，都会引起隧道纵向变形，现有许多衬砌环缝接头刚度构造在长期使用阶段，往往未能完全满足上述的各种因素的要求，引发一系列工程问题。
(2)负弯矩下接头性能较差：单排螺栓接头设计中，螺栓通常布置在衬砌环偏内侧约三分之一管片厚度的位置，在负弯矩作用下，由于螺栓接头处受压，承载力仅仅取决于上部混凝土接触面强度，因而负弯矩接头强度较低，螺栓不能发挥作用，其承载能力较正弯矩接头处大幅降低。课题组曾进行双排短直螺栓接头试验表明，相同的衬砌管片结构，分别正弯矩和负弯矩两种工况下，其承载力有显著差异：在相同的轴力作用下，负弯矩工况中接头承载力大概只有正弯矩工况的40％。在此外，接头在在负弯矩作用下也更易张开，引起隧道负弯矩接头部位漏水漏泥，从而引起隧道环面刚度下降，接头相互错动。
(3)衬砌厚度较大，连接困难：大直径盾构隧道衬砌厚度往往偏大，现有接头处在衬砌厚度方向仅有靠近管片内侧的一排螺栓连接，对如此厚重的两块管片间可能无法形成良好的连接。
专利号为(CN105649648A)的中国发明专利：类矩形盾构隧道的管片连接结构及其施工方法考虑了针对正负弯矩接头采用不同的螺栓布置，主要是通过改变接头螺栓距离内弧面的距离来实现，设计依据有限元内力计算结果，不能有效应对施工及使用过程中正负弯矩属性发生改变的情况，且施工较为繁琐，对接头结构承载力提升作用有限。
综上所述，针对大直径盾构隧道接头，需要对既有接头形式进行优化以解决上述问题，保证接头结构在施工和使用过程中的可靠性。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种优化受力、可靠性高、实用性好的用于超大直径盾构隧道管片间的螺栓接头连接结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于超大直径盾构隧道管片间的螺栓接头连接结构，用以在相邻的第一管片和第二管片间满足接头刚度和负弯矩性能要求，该连接结构包括设置在第一管片内弧面接缝侧的第一管片接头手孔、设置在第二管片内弧面接缝侧的第二管片接头手孔、对拉直螺栓和斜螺栓，所述的对拉直螺栓设置在第一管片接头手孔和第二管片接头手孔之间的直螺栓孔内，所述的斜螺栓设置在第二管片接头手孔处的斜螺栓孔内，所述的对拉直螺栓和斜螺栓均穿过第一管片和第二管片间的接缝。
所述的第一管片接头手孔的内表面依次包括直螺栓混凝土端肋面、顶部弧面和尾部弧面，所述的第二管片接头手孔的内表面依次包括直螺栓混凝土端肋面、斜螺栓端肋面、顶部弧面和尾部弧面，所述的直螺栓孔设置在直螺栓混凝土端肋面处，所述的斜螺栓孔设置在斜螺栓端肋面处。
尾部弧面和顶部弧面设有圆倒角。
直螺栓混凝土端肋面上设有构造钢垫板，所述的构造钢垫板厚度为5mm。
所述的直螺栓混凝土端肋面和斜螺栓端肋面处的混凝土端肋的厚度为300mm。
所述的斜螺栓的倾斜角度为30°。
所述的斜螺栓在接缝上的螺栓孔距离密封垫沟槽的距离为200mm。
所述的斜螺栓端肋面、顶部弧面和尾部弧面在环相截面处共同形成拱轴线，该拱轴线为一悬链线。
所述的悬链线为：
其中，qc为竖向覆土压力，γ为混凝土重度，FH为水平推力。
所述的第一管片和第二管片内弧面上还设有中间手孔，所述的中间手孔位于第一管片接头手孔和第二管片接头手孔之间。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明充分发挥并结合直螺栓、斜螺栓两种接头连接方式的优势，并且上排斜螺栓插入角度可以根据有限元计算结果与实际工况进行调整，在正负弯矩处采用不同的布置方式，并且了优化手孔结构受力，设计采用混凝土端肋，相比接头盒连接方式，有效地增大了上排斜螺栓深入管片外弧面的深度，提高了管片接头结构的承载能力，尤其改善了负弯矩下接头承载力不足的现象，提高了管片衬砌结构在各种潜在荷载作用下的可靠性，具有很高的实用价值和经济效应。
附图说明
图1为本发明实施实例管片拼装示意图。
图2为本发明实施实例管片的正视图。
图3为本发明的结构示意图。
图4为本发明实施实例管片的内视图。
图5为本发明实施实例管片的接头手孔纵向截面剖面图。
图6为本发明实施实例管片的接头手孔环向截面剖面图。
图7为混凝土端肋作用示意图，其中，图(7a)采用混凝土端肋设计的结构示意图，图(7b)为未采用混凝土端肋设计的结构示意图。
图中，有关符号说明如下：
h——手孔最高点距离管片内弧面高度
b——手孔宽度
b1——斜螺栓接触面混凝土端肋宽度
b2——手孔截面最高点与斜螺栓接触面混凝土端肋间的距离
b3——手孔截面最高点与手孔边缘距离
t——混凝土端肋厚度
h1——直螺栓与混凝土接触面高度
h2——斜螺栓与混凝土接触面高度
R——受控与混凝土管片内弧面导圆角半径
1、第一管片，2、第二管片，3、对拉直螺栓，4、斜螺栓，5、，61、第一管片接头手孔，62、第二管片接头手孔，601、直螺栓混凝土端肋面，602、斜螺栓端肋面，603、顶部弧面，604、尾部弧面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
如图1-6所示，本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提出一种新型的组合螺栓接头形式，具体有以下改进：
(1)综合发挥各种螺栓接头优点，尽可能减小手孔尺寸，减少因开孔导致的管片损伤
综合对比几种现有的接头形式，基于各种螺栓接头形式的优劣，本发明采用直螺栓与斜螺栓结合的双排组合螺栓结构。
组合接头内弧面一侧布置对拉直螺栓3，用来抵抗正弯矩作用，保证正弯矩作用下的接头刚度。在对拉直螺栓3上部布置斜螺栓4，插入管片外弧面一侧，用以抵抗负弯矩，优化结构受力，同时增大接头刚度。相对于双短直螺栓接头，螺栓受力更加合理，手孔尺寸也明显减小。
(2)优化手孔结构形式，保证管片承受千斤顶顶力的承载能力。
本发明将手孔两侧边进行倒圆角处理，加大旁侧混凝土厚度同时减少应力集中，优化手孔结构受力，手孔形状设计为倒锥形并通过倒圆角及合理拱轴等方式优化受力，可以采用如下方式进行计算，也可依实际需要简化。
所谓合理拱轴线，即当拱的压力线与拱的轴线重合时，各界面形心到合力作用线为零，则各截面弯矩为零，从而各截面剪力也为零，仅受轴力作用，正应力沿截面均匀分布，拱处于无弯矩状态。
理论计算表明本例合理拱轴线为一悬链线：
式中，qc为竖向覆土压力，γ为混凝土重度，FH为水平推力。实际工程中为应用方便可以采用圆弧近似代替。
(3)设计混凝土端肋，提高管片接头结构的承载能力。
设计采用混凝土端肋，有效地增大了上排斜螺栓深入管片外弧面的深度，提高了管片接头结构的承载能力，尤其改善了负弯矩下接头承载力不足的现象，如图7所示。
根据具体工程设计要求，通过倒圆角，改变斜螺栓插入角度等操作，满足螺栓插入及预紧施工的要求。手孔形状设计为倒锥形并通过倒圆角及合理拱轴等方式优化受力。手孔结构通过预制模具成型。将手孔模具固定在钢模相应手孔位置，安放预先设计制作完成的钢筋笼，最后进行管片浇筑。
纵向、环向螺栓共用手孔，接头采用直螺栓与斜螺栓组合接头形式，端肋结构设计为混凝土端肋。混凝土端肋厚度设计为300mm，设置5mm厚构造钢垫板缓解应力集中。
本发明主要涉及新型接头主要涉及手孔结构设计优化及直、斜螺栓组合接头形式设计，通过在管片接头处安装手孔模具，在接头螺栓位置设置螺栓孔和螺帽，并通过钢模固定再进行管片的混凝土浇筑，待构件达到设计强度的70％后脱模并养护，待构件养护完毕后即可使用。
本发明除接头结构有关区域外，其余部分均与通用隧道管片构件设计相同。
本实例的实施步骤如下：
首先手制作孔模具。根据双排螺栓施工操作要求的空间要求，确定手孔尺寸，然后建立接头结构三维有限元模型，分析接头结构的力学变形性能，对应力集中区域采用倒圆角设计。上排斜螺栓应尽可能靠近管片外弧面，但需避开密封垫沟槽附近压应力集中区域，依具体工况而定。本实施例依据数值分析结果，取斜螺栓倾斜角度为30°，螺栓孔距离密封垫沟槽约200mm。
接着制作钢筋笼。管片的钢筋笼制作与通用隧道管片相同，但需在接头位置配筋预留手孔模具的安装位。为避让手孔结构，纵筋集中设计在管片结构两侧及中部，箍筋设计为三道环箍。
最后将钢筋笼结构、斜螺栓螺帽预埋件和新型手孔模具放入钢模中固定并进行管片的混凝土浇筑。浇筑前将新型沟槽模具安装在管片接头结构的相应位置；在上部斜螺栓插入处预埋斜螺栓螺帽，并设置锚固钢筋保证其与混凝土管片间的有效连接。待构件达到设计强度的70％后脱模并养护，待构件养护完毕后即可使用。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种用于超大直径盾构隧道管片间的螺栓接头连接结构，用以在相邻的第一管片(1)和第二管片(2)间满足接头刚度和负弯矩性能要求，其特征在于，该连接结构包括设置在第一管片(1)内弧面接缝侧的第一管片接头手孔(61)、设置在第二管片(2)内弧面接缝侧的第二管片接头手孔(62)、对拉直螺栓(3)和斜螺栓(4)，所述的对拉直螺栓(3)设置在第一管片接头手孔(61)和第二管片接头手孔(62)之间的直螺栓孔内，所述的斜螺栓(4)设置在第二管片接头手孔(62)处的斜螺栓孔内，所述的对拉直螺栓(3)和斜螺栓(4)均穿过第一管片(1)和第二管片(2)间的接缝，所述的第一管片接头手孔(61)的内表面依次包括直螺栓混凝土端肋面(601)、顶部弧面(603)和尾部弧面(604)，所述的第二管片接头手孔(62)的内表面依次包括直螺栓混凝土端肋面(601)、斜螺栓端肋面(602)、顶部弧面(603)和尾部弧面(604)，所述的直螺栓孔设置在直螺栓混凝土端肋面(601)处，所述的斜螺栓孔设置在斜螺栓端肋面(602)处，尾部弧面(604)和顶部弧面(603)设有圆倒角，所述的斜螺栓端肋面(602)、顶部弧面(603)和尾部弧面(604)在环相截面处共同形成拱轴线，该拱轴线为一悬链线。
2.根据权利要求1所述的一种用于超大直径盾构隧道管片间的螺栓接头连接结构，其特征在于，直螺栓混凝土端肋面(601)上设有构造钢垫板(5)，所述的构造钢垫板(5)厚度为5mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于超大直径盾构隧道管片间的螺栓接头连接结构，其特征在于，所述的直螺栓混凝土端肋面(601)和斜螺栓端肋面(602)处的混凝土端肋的厚度为300mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于超大直径盾构隧道管片间的螺栓接头连接结构，其特征在于，所述的斜螺栓(4)的倾斜角度为30°。
5.根据权利要求4所述的一种用于超大直径盾构隧道管片间的螺栓接头连接结构，其特征在于，所述的斜螺栓(4)在接缝上的螺栓孔距离密封垫沟槽的距离为200mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于超大直径盾构隧道管片间的螺栓接头连接结构，其特征在于，所述的悬链线为：
其中，qc为竖向覆土压力，γ为混凝土重度，FH为水平推力。
7.根据权利要求1所述的一种用于超大直径盾构隧道管片间的螺栓接头连接结构，其特征在于，所述的第一管片(1)和第二管片(2)内弧面上还设有中间手孔，所述的中间手孔位于第一管片接头手孔(61)和第二管片接头手孔(62)之间。
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