0 引 言
目前，我国地下综合管廊建设的总体长度已在20万km以上。地下综合管廊将城市各类管线整合集中，能够有效解决“空中蜘蛛网”、“拉链马路”等问题
［1］。常见的综合管廊施工方法主要有现浇法与预制法两种
［2］。随着我国新型城镇化战略的稳步推进，预制综合管廊以其特有的优势被广泛应用
［3，4］。然而，预制管廊接头是管廊的薄弱部位，其刚度比主体结构低，邻近工程扰动或地基不均匀沉降极易使接头产生张开或错台变形
［5，6］，严重威胁综合管廊自身结构安全和正常使用。
迄今，国内外学者针对预制综合管廊接头的力学性能开展了一些研究。胡翔等
［7］对预制预应力综合管廊接头进行抗弯试验，揭示了弯曲荷载作用下管廊接头的受力过程及破坏形态；闫鑫雨等
［8］通过分片预制装配式管廊接头的抗弯和抗剪试验，研究了管廊接头刚度的变化规律；王雪亮等
［9］根据预制预应力综合管廊接头抗弯试验结果，建立力学模型，推导出接头抗弯刚度的解析式；付伟庆等
［10］对预应力钢棒连接的足尺管廊进行接头抗弯试验，并结合数值模拟分析接头受力性能的影响因素；Wang等
［11］建立了高强螺栓连接的预制综合管廊接头有限元模型，结合理论推导对影响接头抗弯刚度的因素进行分析；凌同华等
［12，13］通过建立预制拼装综合管廊-土三维纵向数值模型，研究预制拼装综合管廊节段在剪切荷载下承插式接头的力学性能；陈小赞等
［14］考虑地层对管廊的影响，建立了企口型、平口型及剪力键型的管廊接头模型，研究这3种接头的力学特性；王鹏宇等
［15］建立了接头的力学模型，并将其与数值模拟结果进行对比，提出了管廊横向接头抗弯刚度的取值方法。
现有文献主要集中在研究管廊接头的抗弯特性方面，对于预制综合管廊承插接头抗剪性能方面的研究仍不系统，且缺乏剪切试验验证。因此，综合考虑管廊接头构造特征与地基的影响，通过模型试验研究不同地基条件下预制综合管廊接头的力学响应显得尤为迫切，且具有重要的工程实用价值。
因此，本文以包头市经十二路综合管廊工程为背景，以预制双舱综合管廊接头为研究对象，通过几何缩尺比为1∶4的模型试验，对不同地基条件下预制管廊承插接头的剪切变形规律及破坏特征开展研究，揭示地基对管廊接头抗剪性能的影响规律，该研究成果可为预制综合管廊接头的参数设计提供参考。
1 试验概况
1.1 模型设计
经十二路地下综合管廊项目位于包头市新都市区，管廊标准段结构形式为预制装配式钢筋混凝土结构，由大、小两个舱室组成，断面尺寸为3.5 m×7.22 m，管廊长度为6.42 m。管廊纵向接头采用承插接头，并使用预应力高强螺杆连接，综合管廊接头构造如
图1所示。
根据实验室加载条件及研究目的，并参考文献［
16，
17］中的试验方法，在保证综合管廊基本特征及其接头构造不变的基础上，将预制综合管廊模型按1∶4比例进行缩尺。最终确定双舱矩形综合管廊长、宽、高分别为1 605、1 805和875 mm，壁厚为150 mm，综合管廊断面尺寸如
图2所示。
为保证试验模型与原型管节的产品质量一致，在水泥管节预制厂进行模型制作。试验管节钢筋笼采用HRB400级冷弯热轧带肋钢筋绑扎成型，配筋率与原型配筋率一致
［18］，管廊配筋如
图3所示。采用C50商品混凝土一次浇筑成型，并将试件进行蒸汽养护以保证浇筑质量。纵向连接件采用直径为12 mm、长为1 100 mm的高强螺杆。各材料物理力学参数如
表1所示。
1.2 量测系统及测点布置
本次试验在内蒙古科技大学土木工程安全与耐久重点实验室进行，试验系统主要由伺服作动器、传感器、数据采集系统等构成。预制综合管廊接头剪切试验由3节管廊拼装而成，全长为4.8 m。在两端管廊安装限位装置进行竖向固定，调整伺服作动器至中间管廊上方，控制千斤顶-分配梁系统对管廊进行加载，从而完成接头剪切试验，试验装置如
图4所示。
本次试验量测内容包括施加荷载值、控制截面的位移、控制截面混凝土与纵向连接件的应变值。根据前期数值模拟结果及文献调查发现，在剪切荷载作用下接头处的顶板、倒角、中隔墙及螺栓孔附近的应变较大，因此在应变较大位置的附近布置测点，测点布置形式及纵向连接件位置如
图5所示。
图5（a）中D
1~D
8为位移计位置，位移计量程为100 mm，精度为0.01 mm；应变片电阻为120 Ω，灵敏系数为2.0±0.01，应变极限为20 000 μm/m。
1.3 试验工况
拟建场地地基以粉土、粉质黏土及密实状态的砾砂为主。为揭示上述地基对接头抗剪性能的影响，根据文献［
19，
20］可知，试验通过在中间管廊下方布置不同数量的弹簧模拟不同地基条件，弹簧布置形式如
图6所示。由于试验中所用管廊的大、小舱室不对称，为防止加载过程中管廊发生过大的扭转影响试验结果，将中间一排弹簧布置在管廊的中隔墙处。本次试验共分为3组工况，如
表2所示。根据地基发生单位位移所产生的地基反力相等的原则
［16］，按照
式（1）可计算得到单根弹簧刚度。
式中：n为等效地基弹簧数目；k为所用弹簧刚度，k=1.734 kN/mm；Kv为等效地基刚度系数；S为管廊底板面积。
1.4 加载制度
本次接头剪切试验采用位移控制加载。3种工况下伺服作动器中心距离接头25 cm，为防止中间管廊两侧竖向位移产生较大差异而导致接头发生弯曲、扭转变形，采用同时控制两个伺服作动器同步增长的方式进行竖向加载。加载开始前，对8根纵向连接件各施加30 kN的预紧力。控制伺服作动器每级加载2 mm，加载速率为1 mm/min，加载至接头产生较大破坏时停止试验。
2 接头剪切变形破坏特征分析
2.1 接头混凝土破坏
3种地基条件下，管廊接头的变形程度及破坏范围有所差异，但宏观上变形破坏特征与趋势较为相似，因此以工况CD-2为例进行分析。
图7为剪切荷载下预制综合管廊承插接头混凝土破坏特征。
加载初期，左接头承口端下部和右接头承口端上部的倒角处出现水平裂缝，如图7（a）（b）所示。这主要因为承口端混凝土厚度较小，接头刚度发生突变，倒角处应力集中现象更显著，该位置也更容易开裂。
随着加载位移的增大，水平裂缝转为45°方向继续发展，向顶、底板处延伸，如图7（a）（b）所示。这是由管廊插口端构造特征造成的，插口端的第二台阶与承口端混凝土最先相互挤压，随着接头的变形，插口端的第一台阶也与承口端接触，作用力方向变为斜向。
随着加载的持续进行，左接头侧壁裂缝沿着管廊底板逐渐发展贯通，而右接头侧壁裂缝沿着管廊顶板贯通，左、右接头的裂缝发展趋势和发展状况呈旋转对称分布；两接头顶板与底板处的裂缝均由大舱室向小舱室方向发展，最小、最大破坏区宽度分别出现在大舱室和小舱室的顶板处，分别为164、256 mm，如图7（c）（d）所示，破坏区宽度占管廊顶板长度的20%。受中隔墙位置的影响，小舱室刚度大于大舱室，大舱室方向的破坏则早于小舱室方向。
随着中间管廊错台量的增加，纵向连接件与螺栓孔发生挤压，插口端螺栓孔附近的混凝土被拉裂，上部螺栓孔附近裂缝向管廊外侧延伸，而下部螺栓孔附近裂缝向管廊内侧延伸，如
图7（e）所示。
总体上看，管廊主体裂缝出现较少，裂缝主要集中在接头处，承口端比插口端破坏严重，倒角位置、螺栓孔附近及顶板与底板处的裂缝最为集中，建议对这些位置进行局部加强，同时增加构造钢筋。3种地基条件下，管廊接头的破坏趋势和规律基本一致，但当接头产生相同错台量时，砾砂地基下倒角处的裂缝及破坏区裂缝最多，并且最小破坏区宽度与最大破坏区宽度差距更小，这说明地基越坚硬，管廊接头破坏越严重。
2.2 纵向连接件变形
图8为剪切荷载下预制综合管廊纵向连接件的变形情况。由
图8可以看出，试验结束后，纵向连接件中间出现明显的剪切变形，存在两个明显的塑性铰区，但连接件仍处于弹塑性阶段。连接件塑性铰区对应于螺栓孔端部，说明纵向连接件与混凝土接触部位的应力最为集中。
小舱室方向的纵向连接件变形比大舱室方向明显，LB-1变形最大，而RB-1变形最小，表明小舱室一侧受力比大舱室一侧更大，与接头混凝土的破坏现象相吻合。当承口端顶板或底板混凝土失效时，纵向连接件将承担更多剪力，使得管廊接头仍能承担外部荷载。其在提高接头抗剪能力及接头整体性方面发挥了重要作用。
3种地基条件下，纵向连接件的变形并非发生在螺杆最中间的位置，而是有一定的变形区域，最终变形区域长度约为连接件长度的16%。这是因为螺栓孔与纵向连接件之间存在一定的空隙，纵向连接件不仅受到剪力的作用，还受到拉力、弯矩与剪力的共同作用。砾砂地基条件下的纵向连接件的变形最大，其原因为相同错台量下接头混凝土破坏最严重，而混凝土破坏后，接头剪力转由纵向连接件承担。
2.3 管廊错台变形
图9为接头剪切试验过程中所观察到的管廊错台变形。由
图9可以看出，当受到剪切荷载及地基反力的作用时，中间管廊的错台变形较为明显。
随着基床系数的减弱，地基对管廊的支撑作用减弱，相同错台量下接头承担的剪力变小，混凝土裂缝数量及破坏范围也会减小。纵向连接件发挥作用对接头处能够起到一定的支撑作用，其通过自身的变形抵抗接头处的剪力，减缓错台变形。
3 试验结果分析
3.1 接头混凝土应变
图10为不同地基条件下接头混凝土表面应变变化规律。相对于其他测点处的混凝土应变，JC-4、SC-4和SC-7这3处测点的应变较小，为了更好地展现其他测点的应变规律，故省略这3处测点。由
图10可以看出，在3种地基下，当加载位移<8 mm时，插口端各测点混凝土应变较小；随着加载位移的增加，测点JC-2、JC-8附近的混凝土应变速率加快。这是因为测点附近混凝土被纵向连接件拉裂。因此，螺栓孔附近混凝土为插口端的薄弱处，需要增加配筋。
加载开始时，测点SC-2处混凝土应变速率最先加快；当加载至7.5 mm时，测点SC-3处混凝土应变速率开始加快，其原因为承口端顶板的混凝土裂缝贯穿至测点处。当管廊承受剪切荷载时，承口端最先发生破坏，承口端顶板与底板在靠近倒角处的应变值最大，与试验中的接头破坏现象相吻合。
总体来说，当不同地基下预制双舱综合管廊接头发生剪切破坏时，接头处各舱室的顶板和底板向管内变形，管廊侧壁向管外变形，中隔墙向小舱室方向发生弯曲变形。插口端螺栓孔附近的混凝土应变要远大于承口端，这是因为插口端螺栓孔附近混凝土的厚度小于承口端，并且插口端螺栓孔附近混凝土受拉，而混凝土的抗拉能力较弱。随着基床系数的降低，插口端螺栓孔附近的混凝土会更早被破坏，而承口端顶板的混凝土裂缝会更晚贯穿。
3.2 纵向连接件应变
图11为不同地基条件下纵向连接件应变变化规律。由
图11可以看出，在3种地基下，当加载至6 mm时，插口端LB-2与LB-3处的纵向连接件拉应变出现短暂下降，LB-1与LB-4处的纵向连接件压应变达到最大；随后LB-1与LB-4处的纵向连接件由受压转为受拉。这是因为随着中间管廊错台量的增加，纵向连接件与螺栓孔壁开始接触，此时接头混凝土承担了大部分剪力，纵向连接件起到的作用相对较小。
随着剪切荷载的增大，插口端纵向连接件的应变速率会出现短暂的降低，其原因为插口端螺栓孔附近混凝土逐渐开裂，导致螺栓孔对此处纵向连接件的作用力减小；而承口端RB-1与RB-4处纵向连接件的应变曲线会出现拐点，此时承口端顶板的混凝土裂缝开裂至螺栓孔附近。随着接头混凝土的开裂，纵向连接件逐渐成为接头抵抗剪切变形的主要受力构件。
不同地基下，最终所有纵向连接件均未发生屈服，插口端的纵向连接件应变大于承口端，同一接头小舱室一侧的纵向连接件应变大于大舱室。这说明插口端受力大于承口端，小舱室一侧受力大于大舱室一侧，与纵向连接件变形情况相符。
3.3 接头延性及变形能力
管廊的接头截面从屈服开始至发生最大承载能力产生的变形称为接头的延性
［19］，常用延性系数表示结构的变形能力，其计算公式为：
式中：μ为接头延性系数；为接头极限位移；为接头屈服位移。
图12为3种地基下管廊接头剪力-错台量曲线。由
图12可以看出，根据剪力-错台量曲线斜率的变化，每种地基下接头的剪力-错台量曲线可近似分为3个阶段。其中，第二阶段为接头的屈服阶段，接头进入屈服阶段时的错台量为接头屈服位移，屈服阶段结束时的错台量为接头极限位移。
图12中，
A、
B、
C为屈服位移点，
A'、
B'、
C'为屈服位移点。
经计算得出3种地基下的接头延性系数见
表3。由
表3可知，当基床系数减小时，管廊接头的延性系数减小，这主要是因为地基的减弱增大了管廊接头的相对刚度，导致管廊接头的变形能力降低。但3种地基下管廊接头的延性系数均在3.0以上，表明带连接件预制综合管廊的承插式接头具有良好的变形能力，可以很好地满足使用要求。
4 接头受剪过程分析
分析试验结果可知，预制综合管廊接头的抗剪性能总体呈现以下4个阶段的变化：
第一阶段，当上部荷载较小时，接头各部位开始接触，间隙逐渐闭合，接头剪力小于装配压力产生的静摩擦力。此时剪力完全由接头处的静摩擦力承担，接头基本不发生错台变形。
第二阶段，剪力逐渐增大，大于接头的静摩擦力，接头出现剪切错台，此时接头错台量较小，错台变形速率较慢，承口端与插口端的混凝土开始挤压。此阶段接头抗剪能力主要由接头混凝土提供。
第三阶段，剪力继续增大，接头混凝土的裂缝逐渐发展，接头错台量逐渐增大，纵向连接件与螺栓孔壁开始接触。此阶段接头混凝土的抗剪能力逐渐下降，纵向连接件通过发生弯曲变形提供额外的抗剪能力。
第四阶段，接头混凝土不再出现新的裂缝，已经出现的裂缝逐渐变宽，且混凝土开始脱落。此阶段接头混凝土逐渐失效，接头剪力主要由纵向连接件承担。
在上述接头受剪过程中，承口端、插口端混凝土挤压发挥抗剪作用与纵向连接件发生弯曲变形发挥抗剪作用的先后顺序并不固定，这取决于承口端与插口端混凝土间隙和纵向连接件与螺栓孔间隙的大小关系
［21］。若纵向连接件与螺栓孔间隙大于承口端与插口端混凝土间隙，则接头混凝土首先发挥抗剪作用；反之，纵向连接件首先发挥抗剪作用。因此，在选择纵向连接件时，纵向连接件与螺栓孔的间隙应小于接头混凝土的间隙，这样纵向连接件才能更早参与接头抗剪中，减少接头混凝土的损伤。
5 结 论
（1）当预制综合管廊在砾砂、粉质黏土、黏土地基下发生剪切变形时，带纵向连接件的承插式接头具有较好的延性，可以很好地满足使用要求。
（2）3种地基条件下，当管廊接头承受剪切荷载时，砾砂地基的管廊接头抵抗作用最强，但随着荷载增大，其破坏范围最大，产生的裂缝最多，最终接头损伤区域约占管廊整体的15%。
（3）当剪切荷载较小时，接头混凝土承担了大部分剪力，而纵向连接件起到的作用相对较小；随着接头混凝土的开裂，纵向连接件逐渐成为接头抵抗剪切变形的主要受力构件，在提高接头抗剪能力及接头整体性方面发挥了重要作用。
（4）不同地基条件下，当管廊受到剪切破坏时，主体裂缝出现较少，裂缝主要集中在接头处，承口端比插口端破坏严重，倒角位置、螺栓孔附近及顶板与底板处的裂缝最为集中，需要对这些位置进行局部加强和保护。
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