薄壁鋼管混凝土拱架在隧道支護(hù)中的受力特性

侯和濤，馬素，王琦，金延俊，朱文燦，陳磊

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薄壁鋼管混凝土拱架在隧道支護(hù)中的受力特性

侯和濤1，馬素1，王琦2，金延俊3，朱文燦1，陳磊1

(1. 山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南，250061；2. 山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程中心，山東濟(jì)南，250061；3. 綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，四川綿陽，621000)

結(jié)合濟(jì)南某電纜隧道工程實(shí)例，設(shè)計(jì)5榀薄壁鋼管混凝土拱架與1榀格柵鋼架。試驗(yàn)探討鋼管壁厚、鋼管拼接節(jié)點(diǎn)形式、有無混凝土填充對薄壁鋼管混凝土拱架力學(xué)性能的影響，并與傳統(tǒng)的格柵鋼架進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明：在較短時間內(nèi)，薄壁鋼管混凝土拱架即能使圍巖達(dá)到穩(wěn)定，其抗變形能力要優(yōu)于傳統(tǒng)的格柵鋼架；與普通套管相比，采用新型插入式灌漿節(jié)點(diǎn)連接的支架具有較強(qiáng)的抗變形能力；拱頂、節(jié)點(diǎn)以及柱腳位置應(yīng)變的絕對值較大。采用有限元程序ABAQUS對試件進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，計(jì)算模型及參數(shù)選取合理，可應(yīng)用于類似工程。

薄壁鋼管混凝土；隧道支護(hù)；灌漿套管；有限元分析

目前，隧(巷)道支護(hù)多采用格柵鋼架、型鋼拱架等形式，但對軟巖大變形的控制很難達(dá)到理想的效果。近年來逐漸興起的鋼管混凝土拱架具有塑性好、承載力高等優(yōu)點(diǎn)，在隧(巷)道支護(hù)上具有廣闊的應(yīng)用前 景[1?3]。鋼管混凝土受壓時，核心混凝土可有效防止鋼管凹陷失穩(wěn)；同時在鋼管的約束下，混凝土處于三向受壓狀態(tài)，具有更高的強(qiáng)度和塑性，2種材料在力學(xué)性能上存在“共生”現(xiàn)象[4]。高延法等[5?9]主要開展了鋼管混凝土拱架及約束混凝土拱架的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼管混凝土拱架具有較強(qiáng)的剛度，能有效抵抗圍巖變形。然而，該類拱架仍然存在著鋼材用量大、節(jié)點(diǎn)處焊接量大、施工工時長等方面的問題，有待進(jìn)一步優(yōu)化。為解決上述問題，本文作者采用薄壁鋼管混凝土拱架代替普通鋼管混凝土拱架進(jìn)行試驗(yàn)研究，并設(shè)計(jì)一種新型柔性節(jié)點(diǎn)即插入式灌漿節(jié)點(diǎn)。同時，以往人們對于薄壁鋼管混凝土拱架力學(xué)性能等方面的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，而將其作為隧道支護(hù)的現(xiàn)場試驗(yàn)研究較少[10?12]。為深入研究薄壁鋼管混凝土拱架在隧道支護(hù)中的應(yīng)用，本文作者在濟(jì)南某電纜隧道工程中進(jìn)行了現(xiàn)場支護(hù)試驗(yàn)，并采用ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值分析。

1 試驗(yàn)概況

1.1 工程概況

試驗(yàn)位于濟(jì)南某電纜隧道施工現(xiàn)場。該隧道基本處于強(qiáng)風(fēng)化巖層中，覆土厚度為6.5~8.0 m，長度為150.0 m。隧道采用超前小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，導(dǎo)管縱距1.5 m，然后噴射C25早強(qiáng)混凝土進(jìn)行全斷面初期支護(hù)，隨后進(jìn)行格柵鋼架或薄壁鋼管混凝土支護(hù)，最后進(jìn)行二次襯砌，采用C30防水混凝土，抗?jié)B等級不小于P8。

1.2 試件設(shè)計(jì)及加工

圖1所示為鋼管混凝土拱架尺寸及分段。為了減輕構(gòu)件自重以及方便運(yùn)輸安裝，本試驗(yàn)將整個鋼管支護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)成多段，每段鋼管一端封死一端開口，待每段鋼管填充混凝土振搗密實(shí)后，再用預(yù)制的封頭板將其封死進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，最后將各段運(yùn)輸至現(xiàn)場拼接。根據(jù)工程前期土質(zhì)勘察情況，未在本試驗(yàn)中的ST-1~ST-5拱架試件中設(shè)置反拱段[13?14]。

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6榀試驗(yàn)構(gòu)件，分別為5榀薄壁鋼管混凝土拱架和1榀格柵鋼架，薄壁鋼管混凝土試件參數(shù)見表1，GS鋼架截面見圖2。其中，ST代表薄壁鋼管，GS代表格柵。

數(shù)據(jù)單位：mm

表1 薄壁鋼管混凝土試件參數(shù)

數(shù)據(jù)單位：mm

圖3所示為插入式灌漿節(jié)點(diǎn)大樣。由圖3可見：針對隧道內(nèi)的鋼管對接，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種新型節(jié)點(diǎn)即插入式灌漿節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)在王震等[15]對預(yù)應(yīng)力灌漿套管的研究基礎(chǔ)之上加以改進(jìn)。此種連接方式與傳統(tǒng)的套管連接及法蘭連接等方式相比，具有一定的伸縮性；同時采用微膨脹水泥砂漿進(jìn)行灌漿可減少支護(hù)安裝時的現(xiàn)場施焊，并避免因鋼管對接而產(chǎn)生的隧道超開挖。

數(shù)據(jù)單位：mm

按GB/T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》的有關(guān)規(guī)定對試件用鋼進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，所用鋼材均為Q235B鋼板，測得鋼管屈服強(qiáng)度f=255.3 MPa，抗拉強(qiáng)度f=330.7 MPa，彈性模量=2.06×105MPa，泊松比= 0.30。

試驗(yàn)采用C40混凝土，材料配合比及力學(xué)性能如表2所示。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)監(jiān)測及分析

2.1 試驗(yàn)監(jiān)測方案

2.1.1 位移監(jiān)測

本試驗(yàn)位移監(jiān)測包含支架兩幫收斂監(jiān)測與頂部沉降監(jiān)測。支架兩幫收斂值采用收斂計(jì)測定，頂部沉降量采用水準(zhǔn)儀測定。

2.1.2應(yīng)變監(jiān)測

由于試件為左右對稱結(jié)構(gòu)，故僅在一側(cè)設(shè)置光纖和電阻應(yīng)變片，如圖4所示。測點(diǎn)布置可分為拱頂測區(qū)(1，1，1)、最大彎角測區(qū)(2，2)、直墻段頂端測區(qū)(3，1)、節(jié)點(diǎn)測區(qū)(1~4)及直墻段測區(qū)(2)，其中1，2和3為光纖光柵布測點(diǎn)[16]。

圖4 光纖和電阻應(yīng)變片布置圖

2.1.3 壓力監(jiān)測

每榀支架設(shè)置3個壓力計(jì)(Y1~Y3)，壓力計(jì)布置如圖5所示。壓力計(jì)布置在支架和圍巖之間，并用鋼筋綁扎至支護(hù)外表面的設(shè)計(jì)位置。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 位移監(jiān)測結(jié)果分析

圖6所示為兩幫收斂?時間曲線。10 d后，隧道的水平和垂直變形基本達(dá)到穩(wěn)定，因此，后期不明顯變形未在圖中體現(xiàn)。隧道的兩幫收斂值均小于1.7 mm，前3 d各拱架收斂值較為接近，后期鋼管拱架(ST2除外)收斂值均低于格柵鋼架。在第8天之后，出現(xiàn)ST2拱架收斂值與GS鋼架收斂值較接近的現(xiàn)象，推測是由于ST2拱架中的混凝土填充不夠均勻?qū)е隆T1~ST3拱架的收斂值并未隨壁厚降低而減少，說明具有可縮行的新型節(jié)點(diǎn)對兩幫收斂值影響較大。圖7所示為拱頂沉降量?時間曲線，薄壁鋼管混凝土拱架ST-1~ST-3、空心鋼管拱架ST-4和GS鋼架的拱頂最大沉降量分別小于5.0，7.5和7.0 mm。

表2 混凝土材料用量及力學(xué)性能

圖5 壓力計(jì)布置圖

1—ST-1；2—ST-2；3—ST-3；4—ST-4；5—ST-5；6—GS。

1—ST-1；2—ST-2；3—ST-3；4—ST-4；5—ST-5；6—GS。

圖8所示為兩幫荷載?收斂曲線。從圖8可見：各曲線的斜率基本未發(fā)生變化；空心鋼管拱架ST-4的斜率明顯低于其他拱架的曲線斜率，說明是否填充混凝土均對支架剛度具有顯著的影響；隨著管壁的加厚，ST-1~ST-3拱架直線斜率增大，水平變形降低；在相同荷載作用下，由于GS鋼架水平方向剛度有所提高(下部由反拱段連成一體)，使得薄壁鋼管混凝土拱架的水平變形值略比GS鋼架的大。

1—ST-1；2—ST-2；3—ST-3；4—ST-4；5—ST-5；6—GS。

圖9所示為拱頂荷載?沉降曲線。從圖9可見：受荷初期，ST-1~ST-3拱架曲線出現(xiàn)下凹段，一方面是由于新型節(jié)點(diǎn)具有一定的可縮性，另一方面是由于拱架與圍巖之間的空隙受到擠壓，此后近似為直線段；隨著壁厚減小，拱架的垂直變形增大；ST-4拱架為空心鋼管，因此，空隙壓密以及節(jié)點(diǎn)壓縮的時間很短，故雖采用新型節(jié)點(diǎn)但未出現(xiàn)明顯下凹段，同時曲線斜率最低，產(chǎn)生了較大的沉降量；采用普通套管連接的ST-5拱架與GS鋼架的曲線圖均未出現(xiàn)下凹段，說明曲線的下凹是由于新型節(jié)點(diǎn)的可縮性導(dǎo)致的；與ST-1拱架相比，ST-5拱架直線段斜率較小，可見新型節(jié)點(diǎn)的抗變形能力較強(qiáng)；在相同荷載作用下，薄壁鋼管混凝土拱架ST-1~ST-3的拱頂沉降量明顯比GS鋼架的低。

1—ST-1；2—ST-2；3—ST-3；4—ST-4；5—ST-5；6—GS。

2.2.2 應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果分析

試驗(yàn)分別監(jiān)測了ST-1~ST-5拱架的外側(cè)、中軸線、內(nèi)側(cè)及節(jié)點(diǎn)處的切向應(yīng)變。

圖10所示為支架外側(cè)應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果。由圖10可見：各測點(diǎn)(ST-2中的2除外)的應(yīng)變曲線近似為直線，可見試驗(yàn)期間支架基本處于彈性工作階段。推測ST-2支架的鋼管存在一定缺陷或者產(chǎn)生了局部應(yīng)力集中(內(nèi)部混凝土填充空隙引起)，使得最大彎角2處產(chǎn)生了正應(yīng)變。試件1處受拉，2(ST-2除外)和3處受壓，1處和3處外側(cè)最大應(yīng)變絕對值均小于200×10?6，2處外側(cè)最大應(yīng)變絕對值小于120×10?6。

(a) 拱頂C1處外側(cè)應(yīng)變測試結(jié)果；(b) 最大彎角C2處外側(cè)應(yīng)變測試結(jié)果；(c) 直墻段頂端S3處外側(cè)應(yīng)變測試結(jié)果

圖11所示為支架中軸線的切線應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果。由圖11可以發(fā)現(xiàn)：各測點(diǎn)的曲線基本為直線，拱頂1處和直墻段2處均受壓，1處中軸線最大應(yīng)變絕對值小于100×10?6，2處中軸線最大應(yīng)變絕對值小于 200×10?6。

(a) 支架拱頂A1處中軸線應(yīng)變測試結(jié)果；(b) 直墻段A2處中軸線應(yīng)變測試結(jié)果

圖12所示為支架內(nèi)側(cè)的切線應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果。由圖12可見：各測點(diǎn)的曲線斜率基本變化不大，試件處于彈性工作階段。1處最大應(yīng)變絕對值小于275×10?6，2處和1處最大應(yīng)變絕對值小于250×10?6，內(nèi)側(cè)各測點(diǎn)均受壓?？招匿摴芄凹躍T-4的斜率明顯小于其他實(shí)心鋼管混凝土拱架(ST-1~ST-3)，說明鋼管內(nèi)部填充的混凝土能顯著提高支架剛度。支架內(nèi)側(cè)應(yīng)變曲線受節(jié)點(diǎn)形式及壁厚的影響較小。

圖13所示為支架節(jié)點(diǎn)處應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果。由圖13可見：ST-1~ST-4拱架采用新型插入式灌漿節(jié)點(diǎn)連接，其曲線大致可劃分為前期平緩段與后期增長段，說明新型節(jié)點(diǎn)在受荷前期表現(xiàn)出一定的柔性。ST-5拱架采用普通套管連接，則沒有明顯的前期平緩段，說明該節(jié)點(diǎn)剛度較大。除節(jié)點(diǎn)1處受拉之外，其余節(jié)點(diǎn)處均受壓，1節(jié)點(diǎn)處的最大應(yīng)變絕對值小于200×10?62~4節(jié)點(diǎn)處的最大應(yīng)變絕對值小于250×10?6。

(a) 支架拱頂S1處內(nèi)側(cè)應(yīng)變測試結(jié)果；(b) 最大彎角S2處內(nèi)側(cè)應(yīng)變測試結(jié)果；(c) 直墻段頂端B1處內(nèi)側(cè)應(yīng)變測試結(jié)果

(a) 節(jié)點(diǎn)D1處應(yīng)變測試結(jié)果；(b) 節(jié)點(diǎn)D2處應(yīng)變測試結(jié)果；(c) 節(jié)點(diǎn)D3處應(yīng)變測試結(jié)果；(d) 節(jié)點(diǎn)D4處應(yīng)變測試結(jié)果

2.2.2.5 內(nèi)、外邊緣應(yīng)變分布曲線

由于試件為對稱結(jié)構(gòu)，本試驗(yàn)只對試件左半邊的內(nèi)、外邊緣最大應(yīng)變分布曲線進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖14與15所示。從圖中可以看出：5榀支架的內(nèi)邊緣均受壓，拱頂、節(jié)點(diǎn)以及柱腳附近壓應(yīng)變較大；除采用普通套管連接的拱架ST-5的最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在上部節(jié)點(diǎn)附近之外，其余ST-1~ST-4拱架的最大壓應(yīng)邊均出現(xiàn)在拱架頂部區(qū)域。試件的外邊緣由拱頂向柱腳方向逐漸由最大拉應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變，最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在下部節(jié)點(diǎn)附近。

3 數(shù)值計(jì)算與對比分析

3.1 薄壁鋼管混凝土支架的有限元模型

采用通用有限元軟件ABAQUS對ST-1~ST-3薄壁鋼管混凝土試件進(jìn)行數(shù)值分析。鋼管單元采用具有8個結(jié)點(diǎn)的殼單元，每個結(jié)點(diǎn)有5個自由度。鋼材彈性模量取206 GPa，泊松比為0.3?；炷劣?jì)算采用塑性損傷模型，單元采用具有20個結(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元, 每個結(jié)點(diǎn)有3個自由度。混凝土彈性模量取(其中，為混凝土圓柱體的抗壓強(qiáng)度，泊松比為0.2)。采用摩擦模型定義混凝土與鋼管之間的接觸關(guān)系，摩擦因數(shù)取0.25。

由于試驗(yàn)支架為對稱結(jié)構(gòu)，故僅需建立1/2模型進(jìn)行計(jì)算分析，如圖16所示。將試驗(yàn)期間監(jiān)測的位移值取為模型荷載，隨后將有限元模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析。

3.2 有限元計(jì)算結(jié)果與對比分析

圖17所示為支架內(nèi)邊緣應(yīng)變有限元計(jì)算分布曲線，圖18所示為支架外邊緣應(yīng)變有限元計(jì)算分布曲線。支架最大應(yīng)變的試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果對比如表3所示。

數(shù)據(jù)為應(yīng)變，單位為10?6

數(shù)據(jù)為應(yīng)變，單位為10?6

(a) 隧道整體網(wǎng)格；(b) 襯砌與支護(hù)部分網(wǎng)格

數(shù)據(jù)為應(yīng)變，單位為10?6

數(shù)據(jù)為應(yīng)變，單位為10?6

表3 支架最大應(yīng)變有限元與試驗(yàn)結(jié)果對比

注：FEM為最大應(yīng)變有限元結(jié)果；T為最大應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果；拉應(yīng)變?yōu)檎瑝簯?yīng)變?yōu)樨?fù)。

由表3可知：支架應(yīng)變的試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果較相符，具有相似的曲線分布形式。ST-1~ST-3薄壁鋼管混凝土拱架外邊緣各測點(diǎn)(柱角、直墻段頂、最大彎角處、拱頂)的平均誤差率分別為7.2%，5.5%，7.1%和6.4%，內(nèi)邊緣各測點(diǎn)(柱角、直墻段頂、最大彎角處、拱頂)的平均誤差率分別為6.1%，6.2%，3.0%和6.0%，拱架各測點(diǎn)最大誤差率為10.2%。對比分析結(jié)果表明：本文所選取的有限元模型及參數(shù)較合理，可用于對類似的鋼管混凝土支護(hù)工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

4 結(jié)論

1) 試驗(yàn)期間所有試件均處于彈性工作階段。

2) 薄壁鋼管混凝土拱架可有效抵抗圍巖變形，與格柵鋼架相比，具有較強(qiáng)的剛度。

3) 隨著壁厚增加，薄壁鋼管混凝土拱架的抗變形能力增強(qiáng)；實(shí)心鋼管混凝土拱架的剛度明顯高于空心鋼管拱架的剛度。

4) 受荷前期，新型插入式灌漿節(jié)點(diǎn)具有一定的柔性，與普通套管相比，新型節(jié)點(diǎn)連接的支架具有更強(qiáng)的抗變形能力。

5) ST-1~ST-5拱架的內(nèi)邊緣均受壓，拱頂、節(jié)點(diǎn)以及柱腳附近壓應(yīng)變較大；試件的外邊緣由拱頂向柱腳方向逐漸由最大拉應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變，最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在下部節(jié)點(diǎn)附近。

6) 薄壁鋼管混凝土拱架內(nèi)、外邊緣應(yīng)變分布有限元計(jì)算結(jié)果，與試驗(yàn)結(jié)果較吻合，最大誤差率為10.2%，模型及參數(shù)選取合理，可用于對類似支護(hù)工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

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(編輯 陳愛華)

Experimental study on mechanical behavior of concrete-filled thin-walled steel tube supported in tunnel

HOU Hetao1, MA Su1, WANG Qi2, JIN Yanjun3, ZHU Wencan1, CHEN Lei1

(1. School of Civil Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China;2. Research Center of Geotechnical and Structural Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China;3. Department of Building Engineering, Mianyang Vocational and Technical College, Mianyang 621000, China)

Five concrete-filled thin-walled steel tubes (CTST) and one steel grid were designed as supports, and they were tested in a cable tunnel in Jinan. Test parameters included thickness of steel tube, connection type of steel tube and concrete-filled in steel tube or not. In addition, the CTST mechanical behaviors were compared with that of the steel grid. The results show that in a short period of time, the CTST support can ensure the stability of surrounding rock and its resistance is superior to the traditional steel grid. With the increase of deformation of the rock and soil in the tunnel, the CTST supports with the new connection have good compression resistance. The absolute strain values of vault, connections and tube foot are larger. The finite element (FE) analysis by ABAQUS program is conducted, the analysis results agree well with the test results.The FE model and parameters are proved to be reliable. It can be applied in the engineering projects.

concrete-filled thin-walled steel tube; support used in tunnel; cementitious grouted sleeve connection; finite element analysis

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.05.026

TU94+2

A

1672?7207(2017)05?1316?10

2016?06?29；

2016?08?15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51674154，51474095)；山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2016EEM07)；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016M590150，2016M602144) (Projects(51674154, 51474095) supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(ZR2016EEM07) supported by the National Natural Science Foundation of Shandong Province; Projects(2016M590150, 2016M602144) supported by China Postdoctoral Science Foundation)

王琦，博士(后)，副教授，從事巖土工程方向的研究；E-mail: wangqi@sdu.edu.cn