考虑承载-破坏全过程的钢筋网力学行为分析与预测_孙克国.pdf

文章编号：1000-4750(2023)03-0175-14考虑承载-破坏全过程的钢筋网力学行为分析与预测孙克国1，张宇1，许炜萍1，赵旭伟1,2，秦晋行1，刘欢1，曹勇2(1.西南交通大学土木工程学院，交通隧道工程教育部重点实验室，四川，成都610031；2.中铁上海设计院集团有限公司，上海200070)摘要：考虑钢筋网承载-破坏全过程，探明锚网喷结构中钢筋网的力学行为，可切实指导钢筋网选型与参数设计。采用已有的试验结果对计算模型与参数的合理性进行验证，在此基础上完成承载-破坏全过程的钢筋网力学行为分析，并利用多元非线性回归和 BP 神经网络方法对钢筋网的最大应力和竖向位移进行预测与分析。研究发现：单一荷载作用下钢筋网的应力分布呈现分区现象，1 区和 2 区特定范围的钢筋应力基本处于单轴拉伸状态，2 区其余区域的应力处于拉-剪复合状态；钢筋网的力学行为受钢材型号影响显著：由 HPB300、HPB400、HPB500 钢筋制成的钢筋网存在流幅现象，由 1650 级、1770 级高强不锈钢丝制成的钢筋网无流幅现象；BP 神经网络模型预测精度明显优于多元非线性回归方法，对于最大应力和竖向位移两个指标，采用 BP 神经网络预测的平均相对误差分别为 1.31%和 1.67%，而多元非线性回归方法的预测误差为 7.39%和 8.19%。关键词：隧道工程；联合支护；钢筋网；承载特性；应力分区中图分类号：U25；O39文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0724ANALYSISANDPREDICTIONOFMECHANICALBEHAVIOROFSTEELMESHCONSIDERINGTHEWHOLELOADING-FAILUREPROCESSSUNKe-guo1,ZHANGYu1,XUWei-ping1,ZHAOXu-wei1,2,QINJin-hang1,LIUHuan1,CAOYong2(1.SouthwestJiaotongUniversity,SchoolofCivilEngineering,KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineeringofMinistryofEducation,Chengdu,Sichuan610031,China;2.ChinaRailwayShanghaiDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Shanghai200070,China)Abstract:Consideringthewholeloading-failureprocessofasteelmesh,themechanicalbehaviorofthesteelmeshinthebolt-mesh-shotcretestructurecanbeverified,whichcanguidetheselectionandparameterdesignofthesteelmeshpractically.Theexistingexperimentalresultswereusedtoverifytherationalityofthecalculationmodelandparameters.Onthisbasis,themechanicalbehavioranalysisofthesteelmeshinthewholeprocessofloading-failurewascompleted.ThemaximumstressandverticaldisplacementofthesteelmeshwerepredictedandanalyzedbymultivariatenonlinearregressionandBPneuralnetworkmethod.Itisfoundthat:Thestressdistributionofthesteelmeshunderasingleloadpresentsazoningphenomenon.Thesteelstressinthespecificrangeofarea1andarea2isbasicallyintheuniaxialtensilestate,andthestressintheotherareasofarea2isinatensile-shearcompositestate.ThemechanicalbehaviorofthesteelmeshissignificantlyaffectedbythesteeltypesuchasthesteelmeshmadeofHPB300,HPB400andHPB500barshasplasticflowrangephenomenon.Thereis收稿日期：2021-09-18；修改日期：2022-03-31基金项目：国家自然科学基金项目(52178396，51678495)通讯作者：孙克国(1981)，男，山东青岛人，副教授，博士，博导，主要从事隧道结构设计与灾害防控研究(E-mail:).作者简介：张宇(1997)，男，河南商丘人，硕士生，主要从事隧道主动支护研究(E-mail:);许炜萍(1981)，女，山东德州人，副教授，博士，硕导，主要从事隧道工程动力学研究(E-mail:);赵旭伟(1981)，男，吉林辽源人，高工，博士生，主要从事隧道工程的设计与研究工作(E-mail:);秦晋行(1997)，男，河北邯郸人，硕士生，主要从事寒区隧道冻害发生机理与防控研究(E-mail:);刘欢(1998)，男，山西大同人，硕士生，主要从事隧道震动作用下机理的研究(E-mail:);曹勇(1983)，男，山东郓城人，高工，硕士，主要从事隧道工程的设计与研究工作(E-mail:).第40卷第3期Vol.40No.3工程力学2023 年3月Mar.2023ENGINEERINGMECHANICS175noplasticflowrangeinthesteelmeshmadeof1650gradeandof1770gradehighstrengthstainlesssteelwire.ThepredictionaccuracyofBPneuralnetworkmodelisbetterthanthatofmultivariatenonlinearregressionmethodobviously.TheaveragerelativeerrorsofmaximumstressandverticaldisplacementpredictedbyBPneuralnetworkare1.31%and1.67%,respectively.Thepredictionerrorsofmultivariatenonlinearregressionmethodare7.39%and8.19%.Keywords:tunnelengineering;combinedsupport;steelmesh;bearingcharacteristics;stresspartition鉴于城镇化的快速发展和人们对资源需求的迅速增加，城市地下空间开发、中西部交通基础设施建设和各种矿产资源的开采力度逐年加大12。地下工程的埋深越来越大、环境越来越复杂，因围岩失稳导致的坍塌、冒顶等事故屡见不鲜35。锚网喷联合支护可以充分发挥围岩的自承能力，均衡隧道各部分的变形和受力状态，与围岩形成统一支护体系，从而达到提高围岩稳定性的效果6，并因其具有快速、高效、可靠等特点而被广泛采用7。锚杆约束围岩变形，使围岩处于三向受力状态8；喷射混凝土与围岩密贴，施与围岩表面以抗力和剪力9；钢筋网允许围岩在一定范围内发生移动，便于发挥围岩的自承能力，并且将围岩荷载传递给锚杆及稳定岩层，将单根锚杆的点支护转换为面支护10，但钢筋网的承载与失效机制，尚未系统建立，在实际工程中存在一定的应用潜力。随着隧道与地下工程埋深的增大，在地质条件及围岩的应力状态更加复杂的情况下11，科学选取钢筋网具有重要的理论意义和工程价值12。隧道初期支护采用锚网喷联合支护时，钢筋网选型与布置多根据类似工程的经验进行设计，各种钢筋网的使用条件尚无明确的参考标准，缺乏对钢筋网几何参数、力学性能及支护机理的系统研究13，造成现场钢筋网盲目滥用、施工质量不佳等问题层出不穷，导致现场施工不能保证使用钢筋网的效果及造成事故的发生。因此深入探究钢筋网的承载特性对洞室的稳定至关重要。ORTLEPP 等14于 20 世纪 80 年代初期对不同类型金属网的力学性能进行了初步研究。研究结果表明：金属网的破坏均出现在网丝的交叉点或附近区域，这些部位会发生不同程度的应力集中和材料强度损伤；TANNANT15在对焊接钢筋网的试验中发现，焊接网的刚度随着锚杆托盘相对于网的方向以及托盘之间网丝数量的不同而有所变化，且网丝直径越大，所能承受峰值荷载也越大。THOMPSON 等16则在 TANNANT(1995)工作的基础上进行拓展，提出钢筋网由锚杆所固定情况下的理论计算公式。MORTON 等17强调测试过程中钢筋网边界条件的重要性，不同的边界条件下可得到不同的响应，且试验边界条件还可影响网片的破坏机制。康红普等18针对深部及复杂困难巷道条件提出锚网支护系统并成功应用于千米深井巷道。姜彦军等19研究了锚网结构中钢筋网的强力护表作用。林健等20通过分析钢筋网和锚杆的相互作用，提出提高金属网的预张力可以提高锚网支护效果。苟晓梅等6对锚网支护进行研究提出强度和刚度越大的钢筋网提供的最大护表力越大。数值模拟可研究不同条件下的钢筋网受力状态，实现网片力学性能量化分析。该手段已被广泛应用于模拟钢筋网在荷载作用下的力学行为21。SHAN 等22通过 FLAC3D中的梁单元集合模拟焊接钢丝网。ROTH 等23使用FLAC3D中的桩单元来模拟不同载荷条件下的钢筋网变形。KARAMPINOS等24使用 3DEC 的梁结构单元探究钢筋网在其网片边缘的力学行为。YADE 最近也用于研究 TECCO高强格栅网的位移响应2526。总体来说，国内外学者在锚网喷联合支护的力学特征与行为方面作出一定成果，但尚未系统掌握钢筋网的承载特性与规律，难以明确指导钢筋网选型和参数设计。本文基于前人研究成果完成计算模型可靠性验证，考虑钢筋网的弹塑性和损伤断裂过程，分析不同性能钢筋网在荷载作用下承载-破坏全过程的变形和应力表征，以期指导钢筋网在联合支护体系中的设计与应用。1钢筋网简化分析理论国外学者 THOMPSON 等16在 TANNANT 工作的基础上进行拓展，在满足力和力矩的平衡及网丝交叉点位移协调的基础上，仅限于托板顶部范围内的钢筋承受绝大多数载荷且受力对称，并进一步假设钢筋相对于其轴向刚度具有较低的弯曲刚度，在此基础上提出钢筋网由锚杆固定情况176工程力学下的理论计算公式。取锚杆之间钢筋网的一半作为研究对象，钢筋网受力和变形如图 1 所示。锚杆加载板托板钢筋网(a)整体图a/2wp/2L0/2ws/2NwrNwpFwpFwrTbTwFwsNwsf托板Tw(b)受力分析图图1对称约束、荷载情况下的钢筋网变形和受力Fig.1Deformationandforceofsteelmeshundersymmetricalrestraintandload建立钢筋网、托板与围岩三者在垂直方向上的平衡关系，可得：Nwr=NwpTwsin(1)Twsin=Nws(2)建立钢筋网、托板与围岩三者在水平方向上的平衡关系，可得：Twcos=Fwr+Fwp(3)Twcos=Fws+Tw(4)f L0式中：a 为相邻锚杆之间的距离；ws为加载区域的长度；wp为托板尺寸；L0为托板与加载板之间网丝的初始长度；为 arctan(/)；f 为加载后钢筋网变形；Tw为托板与加载之间网丝张力；Tw为加载之间的网丝张力；Tb为锚杆的预紧力；Fwp为钢筋网与托板之间的摩擦力；Nwp为钢筋网与托板之间的压力；Fwr为钢筋网与围岩之间的摩擦力；Nwr为