基于ANSYS的復合材料隧道區間加固分析

鐘 洋，楊春旭，李先一

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

0 引言

地鐵盾構隧道受到外部作用影響后,管片的應力狀態將產生變化,導致盾構管片橫縱變形增加,進而產生裂縫[1]。故工程實例中,需對既有隧道進行長期監測,針對已發生病害的隧道管片,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隧道加固的兩種傳統方法[3-4]。纖維布只能受拉而無法受壓,只能在管片拱頂和拱底產生作用。傳統的粘貼鋼板加固法對管片拱腰內側受壓區作用有限,且具有構件自重大、施工難度高等缺點,故亟需設計一種新型加固體系[5-6]。

1 設計參數

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

復合鋼環的彈性模量和抗壓強度應滿足表1要求。

表1 復合型材力學性能

2 荷載取值

為了全面分析新型復合型材在不同荷載水平下的加固效果并得到安全經濟的加固方案,分別計算埋深為12 m,15 m,17 m及20 m的隧道模型。計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 無加固措施

隧道埋深增加時,其側壓力也隨之增加,使得隧道管片的變形量增加。故為了更加直觀地反映高強復合鋼環加固的效果,以埋深為20 m的盾構隧道為例進行分析,采用實體單元進行建模,同時為了保證計算結果的精確性將網格劃分為若干個四邊形,得到的計算模型如圖2所示。

經過計算得到隧道管片的變形情況如圖3所示。從圖3中可知,盾構隧道管片受到側壓力作用后,隧道管片將產生明顯的收斂變形,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。地鐵盾構隧道的長期堆載較大,故實際的收斂變形更大。隧道管片的收斂變形若不及時處理,變形量會逐漸增加,因此有必要對該區段進行加固。

3.2 盾構隧道高強復合鋼環加固

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

3.2.1 隧道復合鋼環加固間距為1.2 m分析結果

對圖4(a)中的單環模型進行非線性分析,得到加固結果如圖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應力最大值出現在管片的拱腰處,其值為125 MPa。從結果來看,采用復合鋼環加固后,管片的水平變形量和豎向變形量都明顯減小,從而說明采用復合鋼環加固盾構隧道是有效的。

3.2.2 隧道加固間距為0.6 m分析結果

對圖4(b)中的雙環加固模型進行分析,得到結果如圖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應力最大值出現在管片的拱腰處,其值為94 MPa。將以上結果與單環加固的結果進行比較可知,采用兩榀復合鋼環加固后,隧道管片水平變形減少了9%,豎向變形減少了15.5%,復合鋼環的應力減小了25%。從以上結果可知,復合鋼環加固效果與加固間距之間有明顯的正相關關系。

3.2.3 隧道加固間距為0.4 m分析結果

對圖4(c)中的三環加固模型進行分析,得到管片的變形及鋼環的應力如圖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應力最大值出現在管片的拱腰處,其值為87 MPa,最大應力進一步減小。與加固兩榀鋼環的情況相比,水平變形減少了16.3%,豎向變形減少了14.7%,復合鋼環的應力減少了8%。

4 復合鋼環加固效果分析

將管片未加固的變形量與加固后的變形量進行比較,其結果如表3所示。

表3 各加固方案對比

對表3的加固環數與橫/縱向變形減小量進行線性擬合,得出的關系如圖8和圖9所示。

從圖8,圖9可知,隨著管片加固榀數的增加,橢圓度和收斂位移均減小,加固效果逐漸提高,復合鋼環加固數與隧道管片變形量之間存在正相關關系。相同加固榀數下,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。所以淺埋隧道進行復合鋼環加固時,可以采用單環或雙環進行加固,此時這種加固方式較為經濟。對于深埋較大的隧道則采用三環加固的方法,此時效果更明顯。

5 結論

1)本文對采用復合材料加固的管片進行有限元分析,得到了管片應力和應變變化情況。分析結果顯示,采用復合材料對盾構隧道管片進行加固,可以明顯提高管片的極限承載力,且可以減小管片變形。

2)隨著管片加固榀數的增加,其橫縱變形量逐漸減小,復合鋼環的應力也隨之減小,加固環數與橫縱變形減小量之間呈線性正相關關系。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)本文僅進行了有限元分析,而未進行試驗,還需對采用復合鋼環加固的管片進行監測。