钢筋混凝土地铁管片抗裂分析_徐闯.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年2月第30卷 第2期FEB 2023Vol.30 No.2DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.02.013作者简介：徐闯（1984-），男，硕士，工程师，主要从事轨道交通工程技术研究。E-mail：0引言大城市由于土地资源有限，地铁通常在地面以下建设。其中，盾构隧道是地下铁道最为常见的一种结构形式。地铁管片由于常年处于地下恶劣环境中，随着使用年限的增长，部分地铁管片出现一定程度的病害，主要反映出其抗裂性能不足，导致耐久性较差。因此，管片的抗裂性研究在地铁建设中显得至关重要。目前，不少学者从理论和试验方面对盾构管片及连接部位受力做了大量研究工作，并取得了丰硕成果。如李京爽等人1对北京地铁5号线工程盾构管片进行了抗弯能力试验，给出弯矩与变形能力曲线，与理论分析比较，提出工程用管片弯曲能力简化公式；朱阿祥等人2采用对称倾角钢筋混凝土梁受弯试件模拟盾构管片的受弯性能，并与管片杆件内力法比较，结果表明，对称倾角钢筋混凝土梁可用来代替管片做抗弯性能分析，但未进行有限元数值分析比较；张晓光3对小直径盾构隧道管片进行了抗弯承载试验研究，根据 混凝土结构设计规范（2015年版）：GB500102010 计算了不同荷载工况下的裂缝宽度，与实测数据吻合较好，并采用有限元软件Abaqus弥散裂缝模型对管片进行了受弯全过程模拟。本文对广州地铁18号线和22号线地铁工程盾构管片抗弯性能进行理论计算和试验研究，并采用混凝土损伤塑性模型对管片进行了有限元数值模拟分析。1管片抗裂理论分析对于钢筋混凝土结构而言，开裂荷载及裂缝宽度限值（通常为0.2 mm）所对应的荷载是结构设计两个关键控制要素。本文所试验管片为标准型圆弧管片，内径7 700 mm，内弧长3 806 mm，外径8 500 mm，外弧长4 210 mm，厚度400 mm，环宽1 600 mm，圆弧弦长L为3 855 mm。管片截面如图1所示。管片混凝土强度等级为 C60，钢筋等级为 HRB400。为双筋矩形截面，b=1 600 mm，h=400 mm，h0=337 mm，布置1025受拉钢筋和 1022 受压钢筋，拉筋至受拉区边缘距离as=63 mm，压筋至受压区边缘距离as=63 mm。对于钢筋混凝土开裂荷载的研究，刘运林等人4对几种开裂荷载理论计算公式做了比较，认为过镇海提出的计算方法与试验值最为接近。给出开裂荷载计算公式为：Mcr=mW0ft钢筋混凝土地铁管片抗裂分析徐闯（中铁二十三局集团轨道交通工程有限公司上海201399）摘要：地铁管片的抗裂性能对工程结构的安全性与耐久性起着决定作用，有必要对其进行分析计算与试验验证。首先通过换算截面并应用开裂公式计算得到管片的理论开裂弯矩为294.47 kNm，采用钢筋混凝土裂缝宽度验算公式反推得到裂缝宽度0.2 mm时对应的弯矩值为337.49 kNm。接着对管片结构进行静载抗裂试验，加载到载荷设计值时管片未开裂，满足使用要求。最后采用大型有限元软件Abaqus对管片进行了三维数值仿真分析，与试验结果比较，两者数据吻合较好，验证了模拟的有效性。通过上述三方面的研究分析，验证了管片具有较好的抗裂性能，满足使用要求。关键词：地铁管片；抗裂性能；理论和试验研究；数值仿真分析中图分类号：U25文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）02-054-04Anti-cracking Analysis of Reinforced Concrete Subway SegmentsAnti-cracking Analysis of Reinforced Concrete Subway SegmentsXU Chuang（China Railway 23 Bureau Group Rail Transit Engineering Co.，Ltd.Shanghai 210399，China）AbstractAbstract：The crack resistance of subway segments plays a decisive role in the safety and durability of engineering structures，and it isnecessary to analyze，calculate and test them.First，by converting the section and applying the cracking formula，the theoretical cracking moment of the segment is 294.47 kNm，and the corresponding bending moment is 337.49 kNm when the crack width is 0.2 mm using the reinforced concrete crack width checking formula.Then，the static load crack resistance test is carried out on the segment structure.When theload is loaded to the design value，the segment does not crack，which meets the requirements for use.Finally，the large-scale finite elementsoftware Abaqus is used to conduct a three-dimensional numerical simulation analysis of the segment.Compared with the test results，thetwo data are in good agreement，which verifies the effectiveness of the simulation.Through the research and analysis of the above three aspects，it is verified that the segment has good crack resistance and meets the requirements of use.Key wordsKey words：subway segment；crack resistance；theoretical and experimental research；numerical simulation analysis54徐闯：钢筋混凝土地铁管片抗裂分析FEB 2023 Vol.30 No.22023年2月 第30卷 第2期式中：m为截面抵抗矩塑性影响基本系数，按 混凝土结构设计规范（2015年版）取值1.55，通常需考虑截面高度影响对其进行修正=（0.7+120/h）m；ft为混凝土抗拉强度，这里取拉伸试验数据平均值 4 MPa；W0为截面抵抗矩，W0=I0/（h-x0）；I0为换算截面惯性矩。对于本文所试验的管片，这里给出 I0的计算过程。首先将受拉和受压钢筋换算为混凝土，受拉钢筋面积 I0=10490.9=4 909 mm2，受压钢筋面积 As=10380.1=3 801 mm2。它们换算为混凝土面积分别为nAs和nAs，其中，n=Es/E0=2105/（3.6104）=5.56，得到换算面 积 分 别 为 nAs=5.564 909=27 272.22 mm2，nAs=5.563 801=21 116.67 mm2。总换算面积为A0=bh+nAs+nAs=1 600400+27 272.22+2 116.67=688 388.69 mm2。换算截面形心至受压区边缘距离：x0=bh22+nAsh0+nAsasA0代入相关数据，计算得受压区高度x0=201.23 mm。换算截面对形心轴的惯性矩：I0=bx303+b()h-x033+nAs()h0-x02+nAs()x0-as2代入相关数据，计算得惯性矩x0=9440511329.83mm4。进一步计算得截面抵抗矩W0=9 440 511 329.83/（400-201.23）=47 494 648.74 mm3。修正的截面抵抗矩塑性影响系数=（0.7+120/400）1.55=1.55。将、W0、ft代入式算得管片开裂荷载Mcr=1.5547 494 648.744=294 466 822.19 Nmm=294.47 kNm。下面再考察管片裂缝宽度达到0.2 mm时所对应的弯矩M0.2。根据袁锦根等人5给出的钢筋混凝土受弯构件裂缝验算公式，反推弯矩值。=crsEs()1.9Cs+0.08deqte其中：=1.1-0.65ftkte，deq=nid2iniidi，te=As+ApAte；acr为构件受力特征系数，对受弯构件取1.9；为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数。按式计算，ftk=4 MPa，As=4 909 mm2；Ap为受拉区纵向预应力筋截面面积，此处等于0；Ate为有效受拉混凝土截面面积：对受弯构件，Ate=0.5bh+（bf-b）hf，此处，bf=b，因此Ate=0.5bh=0.51 600400=320 000 mm2。代入相关数据得：te=AsAte=4909320 000=0.015=1.1-0.65ftktes=1.1-0.6540.015s=1.1-177.33s式中：s为按荷载准永久组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉普通钢筋应力，按s=M0.2/（0.87h0As）计算，此处h0=337 mm。代入相关数据得到：s=M0.2/1 439 269.71，=1.1-249 473 416.4/M0.2；Es为钢筋弹性模量，取2.0e5MPa；Cs为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离，为63 mm；deq为受拉区纵向钢筋的等效直径，deq=10252/（1025）=25 mm。将以上所有参数代入式，得=1.9()1.1-249473416.4M0.2M0.21439269.71 2.0 105()1.9 63+0.08 250.015=M0.2544319483.27-0.42将w=0.2 mm代入上式，得到裂缝宽度0.2 mm对应的弯矩为M0.2=337 478 079.63 Nmm=337.49 kNm。2管片抗裂试验研究2.1试验方案管片抗裂试验在如图2所示的试验装置上进行，试验中所用到的主要仪器及要求如表1所示。2.2试验结果本次试验结果如表 2 所示，加载至载荷设计值315 kN时管片未见裂纹。此时，所对应截面最大弯矩图1钢筋混凝土管片截面Fig.1Reinforced Concrete Segment Section立剖面侧剖面ASAS图2管片抗裂试验装置示意图Fig.2Diagram of Segment Crack Resistance Test Device立面平面反力架横梁千斤顶传力钢梁圆钢管片角铁垫块D4450450D2900D5D1D7D3D6带滚轮小车钢路轨梁管片D4D2D5D1D7D3D6带滚轮小车55广东土木与建筑FEB 2023 Vol.30 No.22023年2月 第30卷 第2期值为：M=F2()L-9002=31523855-9002=232.71kNm3管片抗裂有限元分析3.1有限元模型的建立采用大型通用有限元软件Abaqus建立管片的几何模型并划分网格，钢筋与混凝土采用分离式建模的方式，采用节点耦合将钢筋单元嵌入混凝土单元。6由于未加载到破坏，所以无须考虑钢筋与混凝土之间的粘结滑移。为提高计算收敛性，采用位移加载模式7，即在加载点施加位移边界条件uy=-2 mm。管片其余边界条件设为一端固定，一端铰支。8建立的几何模型如图3所示，混凝土