基于ANSYS的復(fù)合材料隧道區(qū)間加固分析

鐘 洋，楊春旭，李先一

(1.中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 511400; 2.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,廣西 柳州 545006; 3.南昌交通學(xué)院,江西 南昌 330000)

0 引言

地鐵盾構(gòu)隧道受到外部作用影響后,管片的應(yīng)力狀態(tài)將產(chǎn)生變化,導(dǎo)致盾構(gòu)管片橫縱變形增加,進(jìn)而產(chǎn)生裂縫[1]。故工程實(shí)例中,需對(duì)既有隧道進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),針對(duì)已發(fā)生病害的隧道管片,需采取必要的加固措施[2]。粘貼纖維布加固法和粘貼鋼板加固法是目前盾構(gòu)隧道加固的兩種傳統(tǒng)方法[3-4]。纖維布只能受拉而無(wú)法受壓,只能在管片拱頂和拱底產(chǎn)生作用。傳統(tǒng)的粘貼鋼板加固法對(duì)管片拱腰內(nèi)側(cè)受壓區(qū)作用有限,且具有構(gòu)件自重大、施工難度高等缺點(diǎn),故亟需設(shè)計(jì)一種新型加固體系[5-6]。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

新型復(fù)合加固材料中心為C60混凝土,混凝土外側(cè)包裹一層鋼材,最外層為復(fù)合纖維材料。加固材料具體尺寸及加固方式如圖1所示。

復(fù)合鋼環(huán)的彈性模量和抗壓強(qiáng)度應(yīng)滿足表1要求。

表1 復(fù)合型材力學(xué)性能

2 荷載取值

為了全面分析新型復(fù)合型材在不同荷載水平下的加固效果并得到安全經(jīng)濟(jì)的加固方案,分別計(jì)算埋深為12 m,15 m,17 m及20 m的隧道模型。計(jì)算出各方向荷載如表2所示。

表2 隧道不同埋深的荷載水平

3 有限元分析

3.1 無(wú)加固措施

隧道埋深增加時(shí),其側(cè)壓力也隨之增加,使得隧道管片的變形量增加。故為了更加直觀地反映高強(qiáng)復(fù)合鋼環(huán)加固的效果,以埋深為20 m的盾構(gòu)隧道為例進(jìn)行分析,采用實(shí)體單元進(jìn)行建模,同時(shí)為了保證計(jì)算結(jié)果的精確性將網(wǎng)格劃分為若干個(gè)四邊形,得到的計(jì)算模型如圖2所示。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到隧道管片的變形情況如圖3所示。從圖3中可知,盾構(gòu)隧道管片受到側(cè)壓力作用后,隧道管片將產(chǎn)生明顯的收斂變形,最大橫向變形位于隧道拱腰處,其值為15.5 mm。最大縱向變形位于隧道的底部,其值為17.4 mm。地鐵盾構(gòu)隧道的長(zhǎng)期堆載較大,故實(shí)際的收斂變形更大。隧道管片的收斂變形若不及時(shí)處理,變形量會(huì)逐漸增加,因此有必要對(duì)該區(qū)段進(jìn)行加固。

3.2 盾構(gòu)隧道高強(qiáng)復(fù)合鋼環(huán)加固

為了研究不同加固間距對(duì)隧道加固效果的影響,建立了復(fù)合鋼環(huán)間距為1.2 m,0.6 m,0.4 m的模型,如圖4所示。

3.2.1 隧道復(fù)合鋼環(huán)加固間距為1.2 m分析結(jié)果

對(duì)圖4(a)中的單環(huán)模型進(jìn)行非線性分析,得到加固結(jié)果如圖5所示。

從圖5可知,加固一榀后水平變形最大值為12 mm,相較于未加固的管片,變形減少了22%。豎向變形最大值為13.5 mm,相較于未加固的管片,變形減少了21%。加固材料的von Mises應(yīng)力最大值出現(xiàn)在管片的拱腰處,其值為125 MPa。從結(jié)果來(lái)看,采用復(fù)合鋼環(huán)加固后,管片的水平變形量和豎向變形量都明顯減小,從而說(shuō)明采用復(fù)合鋼環(huán)加固盾構(gòu)隧道是有效的。

3.2.2 隧道加固間距為0.6 m分析結(jié)果

對(duì)圖4(b)中的雙環(huán)加固模型進(jìn)行分析,得到結(jié)果如圖6所示。

從圖6可知,加固兩榀后水平變形最大值為10.4 mm,相較于未加固的管片,變形減少了33%。豎向變形最大值為11.5 mm,相較于未加固的管片,變形減少了32%。加固材料的von Mises應(yīng)力最大值出現(xiàn)在管片的拱腰處,其值為94 MPa。將以上結(jié)果與單環(huán)加固的結(jié)果進(jìn)行比較可知,采用兩榀復(fù)合鋼環(huán)加固后,隧道管片水平變形減少了9%,豎向變形減少了15.5%,復(fù)合鋼環(huán)的應(yīng)力減小了25%。從以上結(jié)果可知,復(fù)合鋼環(huán)加固效果與加固間距之間有明顯的正相關(guān)關(guān)系。

3.2.3 隧道加固間距為0.4 m分析結(jié)果

對(duì)圖4(c)中的三環(huán)加固模型進(jìn)行分析,得到管片的變形及鋼環(huán)的應(yīng)力如圖7所示。

從圖7可知,加固兩榀后水平變形最大值為8.7 mm,相較于未加固的管片,變形減少了43.8%。豎向變形最大值為9.8 mm,相較于未加固的管片,變形減少了42.3%。加固材料的von Mises應(yīng)力最大值出現(xiàn)在管片的拱腰處,其值為87 MPa,最大應(yīng)力進(jìn)一步減小。與加固兩榀鋼環(huán)的情況相比,水平變形減少了16.3%,豎向變形減少了14.7%,復(fù)合鋼環(huán)的應(yīng)力減少了8%。

4 復(fù)合鋼環(huán)加固效果分析

將管片未加固的變形量與加固后的變形量進(jìn)行比較,其結(jié)果如表3所示。

表3 各加固方案對(duì)比

對(duì)表3的加固環(huán)數(shù)與橫/縱向變形減小量進(jìn)行線性擬合,得出的關(guān)系如圖8和圖9所示。

從圖8,圖9可知,隨著管片加固榀數(shù)的增加,橢圓度和收斂位移均減小,加固效果逐漸提高,復(fù)合鋼環(huán)加固數(shù)與隧道管片變形量之間存在正相關(guān)關(guān)系。相同加固榀數(shù)下,隨著隧道埋深的增大,加固效果也逐漸提高,上圖直線的斜率也在逐漸增加。所以淺埋隧道進(jìn)行復(fù)合鋼環(huán)加固時(shí),可以采用單環(huán)或雙環(huán)進(jìn)行加固,此時(shí)這種加固方式較為經(jīng)濟(jì)。對(duì)于深埋較大的隧道則采用三環(huán)加固的方法,此時(shí)效果更明顯。

5 結(jié)論

1)本文對(duì)采用復(fù)合材料加固的管片進(jìn)行有限元分析,得到了管片應(yīng)力和應(yīng)變變化情況。分析結(jié)果顯示,采用復(fù)合材料對(duì)盾構(gòu)隧道管片進(jìn)行加固,可以明顯提高管片的極限承載力,且可以減小管片變形。

2)隨著管片加固榀數(shù)的增加,其橫縱變形量逐漸減小,復(fù)合鋼環(huán)的應(yīng)力也隨之減小,加固環(huán)數(shù)與橫縱變形減小量之間呈線性正相關(guān)關(guān)系。隨著隧道埋深的增加,變形減小量也隨之增加,加固效果越好。

3)本文僅進(jìn)行了有限元分析,而未進(jìn)行試驗(yàn),還需對(duì)采用復(fù)合鋼環(huán)加固的管片進(jìn)行監(jiān)測(cè)。