隧道初期支護型鋼格柵節(jié)點受力性能影響研究

劉 軍,楊志男,王利民,高辛財,韓 旭

(1.北京建筑大學土木與交通工程學院,北京 100044； 2.北京建工土木工程有限公司,北京 100015； 3.北京市政工程設計研究總院有限公司,北京 100082)

引言

鋼拱架是隧道初期支護中重要組成部分，其可分為鋼格柵及型鋼兩種[1]。針對其支護特性及設計方法，國內外學者做了大量研究。馬棟等[2-4]通過現(xiàn)場試驗研究了在隧道初期支護結構中采用高強鋼筋，發(fā)現(xiàn)其可提供更好的支護效果。Seungjun Kim等[5]通過理論分析、室內試驗方法對采用四角格柵初期支護結構的力學性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)其可解決支護局部失穩(wěn)問題。張德華等[6-10]通過現(xiàn)場試驗與室內試驗相結合的方式，分析型鋼與格柵的適應條件。張厚江等[11]提出全封閉格柵鋼架支護體系，闡述其優(yōu)勢，并通過室內試驗及現(xiàn)場試驗驗證其可行性。梁中勇等[12]提出型鋼拱架協(xié)同支護方案，并通過數(shù)值模擬進行驗證，結果顯示使用該方案后支護效果得到顯著提升。也有很多專家改變型鋼、格柵設計參數(shù)并對相應支護效果進行了研究[13-20]。盡管有如此多關于型鋼格柵的研究，但遺憾的是，還是存在一些盲區(qū)：在隧道工程實際施工中，受施工條件影響，鋼拱架不得不分節(jié)，施作時再進行分部拼裝。支護結構鋼架的受力薄弱點為鋼架連接節(jié)點處，目前鋼架節(jié)點處基本采用鋼板螺栓連接，但是，節(jié)點連接強度對于鋼架整體受力性能的影響，或者說節(jié)點連接對于鋼架剛度的減少有多少仍不清楚，需要通過試驗進行研究。初支聯(lián)拱二襯獨立的新型礦山法隧道支護體系，是將大跨度的多心圓斷面轉化為兩個跨度的小斷面，初期支護采用型鋼，二襯和防水獨立施作，該方法具有施工工序簡單、支撐拆除量少、造價低等優(yōu)點[21]。基于上述問題，按照初支二襯連拱隧道形式——鋼筋網(wǎng)+鋼拱架或型鋼+噴射混凝土，設置型鋼格柵分節(jié)及不分節(jié)四類混凝土梁構件，考慮隧道襯砌主要承壓，即使受拉，荷載也很小，通過室內加載試驗對比，得到如下結論，設置節(jié)點會導致減小結構極限承載力，降低結構的強度、剛度，構件整體性下降；削弱型鋼、格柵自身性能，降低型鋼、格柵與混凝土間的協(xié)同作用，混凝土提前脫離工作；開裂提前，裂縫開裂、構件變形程度加重，構件出現(xiàn)斜拉破壞；對型鋼混凝土類初期支護構件的影響要更顯著，從結構內部來看，該影響體現(xiàn)在對鋼架的影響。該結論可為隧道型鋼格柵比選時，以及在實際施工考慮設置節(jié)點提供一定的參考價值。

1 試驗概況

1.1 構件設計

型鋼及格柵鋼架節(jié)點受力性能對比試驗試件編號X，試驗室制作型鋼噴混構件：尺寸0.44 m(寬)×2.5 m(長)，見圖1；格柵混凝土梁構件：0.3 m(寬)×2.5 m(長)，見圖2。試件高度均為300 mm，構件節(jié)點布置如下。

(1)鋼架采用I20a，型鋼不分節(jié)，記為A組構件；

(2)鋼架采用I20a，型鋼中間分節(jié)，記為B組構件；

(3)鋼架采用H170格柵鋼架，鋼架不分節(jié)，記為C組構件；

(4)鋼架采用H170格柵鋼架，鋼架中間分節(jié)，記為D組構件。

圖1 型鋼鋼架混凝土梁(單位：mm)

圖2 格柵鋼架混凝土示意(單位：mm)

1.2 加載方案

考慮隧道襯砌主要承壓，即使受拉，荷載也很小，試驗采用四分點荷載加載，加載裝置如圖3所示。支座應具有500 mm以上高度。圖中支座及墊板長度應大于試件寬度，圖4為支座截面示意，支座采用Q345鋼材，縱向長度為1 800 mm。此外考慮到試件在加載過程中支座可能出現(xiàn)滑移，在底座梁上安裝防滑裝置，如圖5所示。

圖3 加載裝置示意

圖4 支座截面(單位：mm)

圖5 支座防滑措施

試驗構件主要受力由一榀鋼拱架承擔。不考慮混凝土作用，以一榀工字鋼拱架為對象計算荷載。構件為I20a型鋼(材質Q235)，材料屈服強度fy=215 MPa、抗剪強度fv=125 MPa，四分點荷載狀態(tài)下(假設每個四分點荷載均為F)，在跨中、支座分別出現(xiàn)彎矩最大值、剪力最大值，由于工字鋼澆筑在混凝土內部(不考慮其整體穩(wěn)定性)，為使構件破壞，經(jīng)計算，在僅考慮工字鋼梁的情況下，試驗加載千斤頂至少需要提供177.24 kN。

考慮到上述荷載計算為考慮鋼筋網(wǎng)片以及混凝土作用，且未減去加載梁和分配梁自重，最終確定選用最大荷載為500 kN(選用500 kN千斤頂)。

采用單調分級加載為該試驗加載機制。在加載至荷載計算值以前，每級加載值為荷載計算值的20%，達到此值后，每級加載值降至荷載計算值的10%，當構件出現(xiàn)明顯彎曲現(xiàn)象后設置每級加載值降至荷載計算值的5%。此外，每級加載時間相等，每級荷載加載完成后持荷15 min。首次試驗每級加載值為荷載計算值的10%，出現(xiàn)明顯彎曲現(xiàn)象后，每級加載值適當放慢以防止出現(xiàn)意外狀況。

1.3 數(shù)據(jù)量測

通過直接加載的方式對試驗構件加載，并通過荷載傳感器讀取施加于試件的荷載值，在后期數(shù)據(jù)處理過程中，試件所承擔的荷載應加上分配梁自重和試件自重。

試驗開始前應在試件側面涂刷白色石灰漿，并繪制100 mm×100 mm的網(wǎng)格以便在試驗過程中在側面上畫出混凝土裂縫。添加位移傳感器測得跨中撓度，位移傳感器量測范圍為±50 mm，梁跨中底部安裝1個位移計進行量測。應變通過安裝應變片測得，其安裝示意見圖6。

圖6 應變片安裝位置示意(單位：mm)

2 設置節(jié)點對型鋼構件性能影響

2.1 構件變形開裂過程

圖7為構件A、B的開裂情況，圖8為荷載-撓度曲線。

構件裂縫擴展情況：在破壞荷載作用下，裂縫首先在彎矩較大處構件跨中部位出現(xiàn)開裂。然后由于不同軸拉拔導致被迫放置的墊塊引起局部應力，致使隨著荷載的增加端部和混凝土局部裂縫數(shù)量逐漸增加，當達到極限荷載時裂縫數(shù)量不再增加，但裂縫長度與寬度逐漸變寬，當裂縫達到混凝土受壓區(qū)不再擴展，寬度達到2～3 mm，符合構件的破壞特征。

圖7 A、B構件開裂情況

構件變形分3階段，加載初期，構件荷載值隨撓度增加呈線性增長，處于彈性階段。繼續(xù)加載，當構件開始出現(xiàn)垂直于構件沿軸向方向的裂縫時，構件處在攜帶裂縫工作階段，于此階段，構件強度、剛度降低，構件裂縫呈對稱出現(xiàn)并增多，變形發(fā)展速度加快。加載至一定程度時，構件的荷載不再增加，撓度急劇增加，混凝土脫離工作，型鋼承受主要荷載，此階段為第三階段，混凝土脫離工作階段。

圖8 A、B構件荷載-撓度曲線

加載早期，構件A、B均處于彈性階段，二者撓度及承載力水平接近。繼續(xù)加載，構件開始出現(xiàn)垂直裂縫，進入帶裂縫工作階段，A構件加載至70 kN，占極限荷載的23.3%，撓度達到1.25 mm，3條較短裂縫在構件A跨中純彎段部位出現(xiàn)，裂縫延伸長度達到構件截面高的1/5。加載至110 kN，達到極限荷載的36.7%時，撓度達到2 mm，在離加載位置較遠處剪彎段呈對稱出現(xiàn)兩條新的垂直裂縫。繼續(xù)加載，裂縫向上延展，加載至280 kN，所占比達到極限荷載的93.3%，撓度達到7.1 mm，裂縫延展到構件高度的3/4，靠近受壓區(qū)，構件撓度的增長速率驟增，混凝土脫離工作，加載至300 kN，撓度達到11 mm，此時荷載值為構件A的極限荷載值。

構件B加載至41 kN，所占比達到極限荷載20%，撓度達到0.5 mm，在構件跨中純彎段出現(xiàn)2條裂縫，裂縫延伸長度達到構件截面高的1/5。加載至102.5 kN，所占比達到極限荷載50%，撓度達到1.85 mm，在剪彎段出現(xiàn)2條裂縫，且有斜裂縫出現(xiàn)，裂縫長度達到構件寬度的1/3。加載至184.5 kN，所占比達到極限荷載90%，撓度達到4.8 mm，裂縫延展到構件高度3/4，接近受壓區(qū)，混凝土基本喪失工作能力。加載至205 kN，撓度達到6.15 mm，此時荷載值為構件B的極限荷載。

型鋼混凝土構件，設置節(jié)點，加載早期對構件的影響較小，二者撓度相差很小，構件未出現(xiàn)明顯開裂。加載至構件攜帶裂縫工作階段，出現(xiàn)裂縫荷載值及其占極限荷載值的百分比更小，構件提早出現(xiàn)裂縫，構件裂縫延展、變形發(fā)展更快，伴有斜裂縫出現(xiàn)。到達混凝土脫離工作能力時，其對應荷載值及其占極限荷載值的百分比更小，混凝土提前脫離工作，屈服極限到承載力極限區(qū)域也變短。達到屈服時，極限承載力降低44.4%。在整個加載過程，設置節(jié)點，構件的強度、剛度均顯著降低，表現(xiàn)出較差的延性，伴有斜拉破壞。

2.2 應變-荷載關系

圖9為構件型鋼應變-荷載曲線及混凝土應變-荷載曲線。A、B構件中型鋼在加載過程中應變呈穩(wěn)定增長趨勢，構件B型鋼應變一直高于構件A，在150 kN位置，構件B型剛應變達到構件A的143%。A、B構件的混凝土應變隨加載二者間差距越來越大，在200 kN位置，構件B應變最大達到了構件A的276%，構件A、B分別在加載至300，200 kN時，混凝土應變劇增，混凝土脫離工作，此值與在構件開裂變形觀測到的混凝土脫離工作能力荷載值相近。設置節(jié)點會降低型鋼、混凝土自身承載力水平和抵抗變形能力。

圖9 應變-荷載曲線

在加載過程中，在構件中的混凝土與型鋼間產(chǎn)生剪切力，也即黏結力，使得型鋼與混凝土間的內力得到傳遞，保證二者共同作用。然而在實際加載過程中，二者間有相對滑移趨勢，削弱二者間的傳力效果。綜合分析構件混凝土應變、型鋼應變，二者差距越大，滑移現(xiàn)象越明顯，構件A型鋼應變最小可達到混凝土應變的20%，構件B則達到13%，可見，設置節(jié)點，型鋼與混凝土間滑移現(xiàn)象加重，型鋼與混凝土間的黏結作用減小，減弱二者間的傳力效果，使構件型鋼與混凝土的協(xié)同作用變弱。

3 設置節(jié)點對格柵構件性能影響

3.1 構件變形破壞過程

格柵混凝土構件整體裂縫擴展趨勢及變形趨勢同型鋼混凝土構件。圖10為構件C、D開裂情況，圖11為構件的荷載-撓度曲線。

圖10 構件開裂情況

圖11 構件C、D荷載-撓度曲線

構件C、D在加載早期，構件承受荷載值隨撓度增加呈線性增長趨勢，處于彈性階段，且相同撓度值下，構件C對應荷載值高于構件D，最大可達到構件D的136%。構件C加載至70 kN，達到極限荷載的31.1%，撓度達到0.5 mm，出現(xiàn)2條垂直裂縫在構件跨中位置的純彎段，裂縫長度延伸至構件高度的1/4。加載至110 kN，達到極限荷載的48.9%，撓度達到1.79 mm，呈對稱出現(xiàn)4條垂直裂縫在構件的剪彎段，裂縫長度延伸至構件高度的1/3。加載至210 kN，達到構件極限荷載93.3%，撓度達到7.69 mm，裂縫長度延伸至構件高度的2/3，構件混凝土喪失工作能力，構件裂縫擴展、變形發(fā)展加快。加載至225 kN，撓度達到8.55 mm，達到構件B的極限荷載。

構件D由于記錄人員疏忽，荷載實際對應裂縫值為圖片中所記錄荷載值1/2。構件D加載至36.16 kN，達到極限荷載的24.6%，出現(xiàn)2條垂直裂縫在跨中純彎段，撓度達到0.86 mm，裂縫長度延伸至構件的1/3。加載至56.74 kN，達到極限荷載的30.9%，撓度達到1 mm，出現(xiàn)1條斜裂縫、2條垂直裂縫在剪彎段，裂縫長度最長延伸至構件高度的1/2。加載至158.63 kN，達到極限荷載的86.4%時，撓度達到6.95 mm，混凝土脫離工作，裂縫延伸至構件頂部。加載至184.79 kN時，撓度達到9.06 mm，荷載值達到構件的極限承載力。

格柵混凝土構件設置節(jié)點，在加載早期就有影響，在彈性工作階段相同撓度條件下最多降低26.4%的承載力。在構件加載第二階段攜帶裂縫工作階段，出現(xiàn)裂縫時的荷載值及其占極限荷載比率更小，構件提早出現(xiàn)裂縫，裂縫延展、構件變形發(fā)展更快，也伴有斜裂縫出現(xiàn)。到達混凝土脫離工作能力時，其對應荷載值及其占極限荷載值比率更小，混凝土提前脫離工作，屈服極限到承載力極限區(qū)域變短。在整個加載過程，構件D相比構件C減少17.9%的極限承載力，設置節(jié)點，構件的強度、剛度均顯著降低，表現(xiàn)出較差的延性，出現(xiàn)斜拉破壞，且隨加載產(chǎn)生的構件開裂、變形相比型鋼混凝土構件，設置節(jié)點對格柵混凝土構件削弱效果更小。

3.2 應變-荷載關系

圖12 應變-荷載曲線

圖12為構件的格柵應變-荷載曲線、混凝土應變-荷載曲線。加載過程中構件D型鋼應變一直高于構件C，且構件D的應變增長速率要高于構件C，在175 kN位置處構件D格柵應變可達到構件C的113%。構件D的混凝土應變在加載過程高于構件C，在170 kN位置，構件C混凝土應變達到了構件D的282%。格柵設置節(jié)點，會降低構件型鋼、混凝土承載力水平以及抗變形能力。其中，對比型鋼混凝土類構件與格柵混凝土類構件，設置節(jié)點對構件中鋼架變形的影響，型鋼混凝土類構件更顯著，對混凝土變形影響，兩類構件差異不大。

綜合分析構件混凝土應變、格柵應變，在混凝土未失去工作能力前，構件C型鋼應變最小可達到混凝土應變的18%，構件D型鋼應變最小可達到混凝土應變的12%。對格柵混凝土構件，設置節(jié)點，也會降低格柵與混凝土間的黏結力，削弱格柵與混凝土協(xié)同作用，且與型鋼混凝土構件相比，對構件混凝土與鋼架間共同工作能力的影響二者差異不大。

4 結論

在隧道工程實際施工中，受施工條件影響，鋼拱架不得不分節(jié)，施作時再進行分部拼裝。通過室內加載試驗，研究設置節(jié)點對型鋼、格柵混凝土初期支護結構力學性能的影響，得到如下結論。

(1)設置節(jié)點，會減小型鋼混凝土構件44.4%極限承載力，減小格柵混凝土構件17.9%極限承載力，降低初期支護結構構件的強度、剛度。降低型鋼、格柵自身性能，型鋼、格柵與混凝土間的黏結作用變差，對型鋼、格柵與混凝土的協(xié)同工作性能不利，提早使混凝土脫離工作。

(2)設置節(jié)點，使構件開裂提前，加載時，加快結構變形、裂縫擴展，構件開裂程度更嚴重，在剪彎段出現(xiàn)斜裂縫，構件出現(xiàn)斜拉破壞。

(3)在設置節(jié)點對初期支護結構影響中，對型鋼混凝土構件影響體現(xiàn)在加載后期構件帶裂縫工作階段，對格柵混凝土類構件影響體現(xiàn)在加載全過程。設置節(jié)點對型鋼混凝土構件性能影響要顯著強于格柵混凝土類構件。

(4)從結構內部來看，對比型鋼格柵混凝土類構件，設置節(jié)點對構件鋼架影響顯著，但對構件混凝土結構變形及鋼架混凝土共同工作能力削弱程度，兩類構件相近。

(5)隧道工程實際施工時，在可能的情況下，少設置節(jié)點，選用型鋼拱架支護，應著重考慮節(jié)點設置對隧道的影響，建議在工程允許的情況下優(yōu)先使用格柵拱架支護。