隧道初期支护型钢格栅节点受力性能影响研究

2020-02-26杨志男王利民高辛财

铁道标准设计 2020年2期

刘军,杨志男,王利民,高辛财,韩旭

(1.北京建筑大学土木与交通工程学院,北京 100044； 2.北京建工土木工程有限公司,北京 100015； 3.北京市政工程设计研究总院有限公司,北京 100082)

引言

钢拱架是隧道初期支护中重要组成部分，其可分为钢格栅及型钢两种[1]。针对其支护特性及设计方法，国内外学者做了大量研究。马栋等[2-4]通过现场试验研究了在隧道初期支护结构中采用高强钢筋，发现其可提供更好的支护效果。Seungjun Kim等[5]通过理论分析、室内试验方法对采用四角格栅初期支护结构的力学性能进行了研究，发现其可解决支护局部失稳问题。张德华等[6-10]通过现场试验与室内试验相结合的方式，分析型钢与格栅的适应条件。张厚江等[11]提出全封闭格栅钢架支护体系，阐述其优势，并通过室内试验及现场试验验证其可行性。梁中勇等[12]提出型钢拱架协同支护方案，并通过数值模拟进行验证，结果显示使用该方案后支护效果得到显著提升。也有很多专家改变型钢、格栅设计参数并对相应支护效果进行了研究[13-20]。尽管有如此多关于型钢格栅的研究，但遗憾的是，还是存在一些盲区：在隧道工程实际施工中，受施工条件影响，钢拱架不得不分节，施作时再进行分部拼装。支护结构钢架的受力薄弱点为钢架连接节点处，目前钢架节点处基本采用钢板螺栓连接，但是，节点连接强度对于钢架整体受力性能的影响，或者说节点连接对于钢架刚度的减少有多少仍不清楚，需要通过试验进行研究。初支联拱二衬独立的新型矿山法隧道支护体系，是将大跨度的多心圆断面转化为两个跨度的小断面，初期支护采用型钢，二衬和防水独立施作，该方法具有施工工序简单、支撑拆除量少、造价低等优点[21]。基于上述问题，按照初支二衬连拱隧道形式——钢筋网+钢拱架或型钢+喷射混凝土，设置型钢格栅分节及不分节四类混凝土梁构件，考虑隧道衬砌主要承压，即使受拉，荷载也很小，通过室内加载试验对比，得到如下结论，设置节点会导致减小结构极限承载力，降低结构的强度、刚度，构件整体性下降；削弱型钢、格栅自身性能，降低型钢、格栅与混凝土间的协同作用，混凝土提前脱离工作；开裂提前，裂缝开裂、构件变形程度加重，构件出现斜拉破坏；对型钢混凝土类初期支护构件的影响要更显著，从结构内部来看，该影响体现在对钢架的影响。该结论可为隧道型钢格栅比选时，以及在实际施工考虑设置节点提供一定的参考价值。

1 试验概况

1.1 构件设计

型钢及格栅钢架节点受力性能对比试验试件编号X，试验室制作型钢喷混构件：尺寸0.44 m(宽)×2.5 m(长)，见图1；格栅混凝土梁构件：0.3 m(宽)×2.5 m(长)，见图2。试件高度均为300 mm，构件节点布置如下。

(1)钢架采用I20a，型钢不分节，记为A组构件；

(2)钢架采用I20a，型钢中间分节，记为B组构件；

(3)钢架采用H170格栅钢架，钢架不分节，记为C组构件；

(4)钢架采用H170格栅钢架，钢架中间分节，记为D组构件。

图1 型钢钢架混凝土梁(单位：mm)

图2 格栅钢架混凝土示意(单位：mm)

1.2 加载方案

考虑隧道衬砌主要承压，即使受拉，荷载也很小，试验采用四分点荷载加载，加载装置如图3所示。支座应具有500 mm以上高度。图中支座及垫板长度应大于试件宽度，图4为支座截面示意，支座采用Q345钢材，纵向长度为1 800 mm。此外考虑到试件在加载过程中支座可能出现滑移，在底座梁上安装防滑装置，如图5所示。

图3 加载装置示意

图4 支座截面(单位：mm)

图5 支座防滑措施

试验构件主要受力由一榀钢拱架承担。不考虑混凝土作用，以一榀工字钢拱架为对象计算荷载。构件为I20a型钢(材质Q235)，材料屈服强度fy=215 MPa、抗剪强度fv=125 MPa，四分点荷载状态下(假设每个四分点荷载均为F)，在跨中、支座分别出现弯矩最大值、剪力最大值，由于工字钢浇筑在混凝土内部(不考虑其整体稳定性)，为使构件破坏，经计算，在仅考虑工字钢梁的情况下，试验加载千斤顶至少需要提供177.24 kN。

考虑到上述荷载计算为考虑钢筋网片以及混凝土作用，且未减去加载梁和分配梁自重，最终确定选用最大荷载为500 kN(选用500 kN千斤顶)。

采用单调分级加载为该试验加载机制。在加载至荷载计算值以前，每级加载值为荷载计算值的20%，达到此值后，每级加载值降至荷载计算值的10%，当构件出现明显弯曲现象后设置每级加载值降至荷载计算值的5%。此外，每级加载时间相等，每级荷载加载完成后持荷15 min。首次试验每级加载值为荷载计算值的10%，出现明显弯曲现象后，每级加载值适当放慢以防止出现意外状况。

1.3 数据量测

通过直接加载的方式对试验构件加载，并通过荷载传感器读取施加于试件的荷载值，在后期数据处理过程中，试件所承担的荷载应加上分配梁自重和试件自重。

试验开始前应在试件侧面涂刷白色石灰浆，并绘制100 mm×100 mm的网格以便在试验过程中在侧面上画出混凝土裂缝。添加位移传感器测得跨中挠度，位移传感器量测范围为±50 mm，梁跨中底部安装1个位移计进行量测。应变通过安装应变片测得，其安装示意见图6。

图6 应变片安装位置示意(单位：mm)

2 设置节点对型钢构件性能影响

2.1 构件变形开裂过程

图7为构件A、B的开裂情况，图8为荷载-挠度曲线。

构件裂缝扩展情况：在破坏荷载作用下，裂缝首先在弯矩较大处构件跨中部位出现开裂。然后由于不同轴拉拔导致被迫放置的垫块引起局部应力，致使随着荷载的增加端部和混凝土局部裂缝数量逐渐增加，当达到极限荷载时裂缝数量不再增加，但裂缝长度与宽度逐渐变宽，当裂缝达到混凝土受压区不再扩展，宽度达到2～3 mm，符合构件的破坏特征。

图7 A、B构件开裂情况

构件变形分3阶段，加载初期，构件荷载值随挠度增加呈线性增长，处于弹性阶段。继续加载，当构件开始出现垂直于构件沿轴向方向的裂缝时，构件处在携带裂缝工作阶段，于此阶段，构件强度、刚度降低，构件裂缝呈对称出现并增多，变形发展速度加快。加载至一定程度时，构件的荷载不再增加，挠度急剧增加，混凝土脱离工作，型钢承受主要荷载，此阶段为第三阶段，混凝土脱离工作阶段。

图8 A、B构件荷载-挠度曲线

加载早期，构件A、B均处于弹性阶段，二者挠度及承载力水平接近。继续加载，构件开始出现垂直裂缝，进入带裂缝工作阶段，A构件加载至70 kN，占极限荷载的23.3%，挠度达到1.25 mm，3条较短裂缝在构件A跨中纯弯段部位出现，裂缝延伸长度达到构件截面高的1/5。加载至110 kN，达到极限荷载的36.7%时，挠度达到2 mm，在离加载位置较远处剪弯段呈对称出现两条新的垂直裂缝。继续加载，裂缝向上延展，加载至280 kN，所占比达到极限荷载的93.3%，挠度达到7.1 mm，裂缝延展到构件高度的3/4，靠近受压区，构件挠度的增长速率骤增，混凝土脱离工作，加载至300 kN，挠度达到11 mm，此时荷载值为构件A的极限荷载值。

构件B加载至41 kN，所占比达到极限荷载20%，挠度达到0.5 mm，在构件跨中纯弯段出现2条裂缝，裂缝延伸长度达到构件截面高的1/5。加载至102.5 kN，所占比达到极限荷载50%，挠度达到1.85 mm，在剪弯段出现2条裂缝，且有斜裂缝出现，裂缝长度达到构件宽度的1/3。加载至184.5 kN，所占比达到极限荷载90%，挠度达到4.8 mm，裂缝延展到构件高度3/4，接近受压区，混凝土基本丧失工作能力。加载至205 kN，挠度达到6.15 mm，此时荷载值为构件B的极限荷载。

型钢混凝土构件，设置节点，加载早期对构件的影响较小，二者挠度相差很小，构件未出现明显开裂。加载至构件携带裂缝工作阶段，出现裂缝荷载值及其占极限荷载值的百分比更小，构件提早出现裂缝，构件裂缝延展、变形发展更快，伴有斜裂缝出现。到达混凝土脱离工作能力时，其对应荷载值及其占极限荷载值的百分比更小，混凝土提前脱离工作，屈服极限到承载力极限区域也变短。达到屈服时，极限承载力降低44.4%。在整个加载过程，设置节点，构件的强度、刚度均显著降低，表现出较差的延性，伴有斜拉破坏。

2.2 应变-荷载关系

图9为构件型钢应变-荷载曲线及混凝土应变-荷载曲线。A、B构件中型钢在加载过程中应变呈稳定增长趋势，构件B型钢应变一直高于构件A，在150 kN位置，构件B型刚应变达到构件A的143%。A、B构件的混凝土应变随加载二者间差距越来越大，在200 kN位置，构件B应变最大达到了构件A的276%，构件A、B分别在加载至300，200 kN时，混凝土应变剧增，混凝土脱离工作，此值与在构件开裂变形观测到的混凝土脱离工作能力荷载值相近。设置节点会降低型钢、混凝土自身承载力水平和抵抗变形能力。

图9 应变-荷载曲线

在加载过程中，在构件中的混凝土与型钢间产生剪切力，也即黏结力，使得型钢与混凝土间的内力得到传递，保证二者共同作用。然而在实际加载过程中，二者间有相对滑移趋势，削弱二者间的传力效果。综合分析构件混凝土应变、型钢应变，二者差距越大，滑移现象越明显，构件A型钢应变最小可达到混凝土应变的20%，构件B则达到13%，可见，设置节点，型钢与混凝土间滑移现象加重，型钢与混凝土间的黏结作用减小，减弱二者间的传力效果，使构件型钢与混凝土的协同作用变弱。

3 设置节点对格栅构件性能影响

3.1 构件变形破坏过程

格栅混凝土构件整体裂缝扩展趋势及变形趋势同型钢混凝土构件。图10为构件C、D开裂情况，图11为构件的荷载-挠度曲线。

图10 构件开裂情况

图11 构件C、D荷载-挠度曲线

构件C、D在加载早期，构件承受荷载值随挠度增加呈线性增长趋势，处于弹性阶段，且相同挠度值下，构件C对应荷载值高于构件D，最大可达到构件D的136%。构件C加载至70 kN，达到极限荷载的31.1%，挠度达到0.5 mm，出现2条垂直裂缝在构件跨中位置的纯弯段，裂缝长度延伸至构件高度的1/4。加载至110 kN，达到极限荷载的48.9%，挠度达到1.79 mm，呈对称出现4条垂直裂缝在构件的剪弯段，裂缝长度延伸至构件高度的1/3。加载至210 kN，达到构件极限荷载93.3%，挠度达到7.69 mm，裂缝长度延伸至构件高度的2/3，构件混凝土丧失工作能力，构件裂缝扩展、变形发展加快。加载至225 kN，挠度达到8.55 mm，达到构件B的极限荷载。

构件D由于记录人员疏忽，荷载实际对应裂缝值为图片中所记录荷载值1/2。构件D加载至36.16 kN，达到极限荷载的24.6%，出现2条垂直裂缝在跨中纯弯段，挠度达到0.86 mm，裂缝长度延伸至构件的1/3。加载至56.74 kN，达到极限荷载的30.9%，挠度达到1 mm，出现1条斜裂缝、2条垂直裂缝在剪弯段，裂缝长度最长延伸至构件高度的1/2。加载至158.63 kN，达到极限荷载的86.4%时，挠度达到6.95 mm，混凝土脱离工作，裂缝延伸至构件顶部。加载至184.79 kN时，挠度达到9.06 mm，荷载值达到构件的极限承载力。

格栅混凝土构件设置节点，在加载早期就有影响，在弹性工作阶段相同挠度条件下最多降低26.4%的承载力。在构件加载第二阶段携带裂缝工作阶段，出现裂缝时的荷载值及其占极限荷载比率更小，构件提早出现裂缝，裂缝延展、构件变形发展更快，也伴有斜裂缝出现。到达混凝土脱离工作能力时，其对应荷载值及其占极限荷载值比率更小，混凝土提前脱离工作，屈服极限到承载力极限区域变短。在整个加载过程，构件D相比构件C减少17.9%的极限承载力，设置节点，构件的强度、刚度均显著降低，表现出较差的延性，出现斜拉破坏，且随加载产生的构件开裂、变形相比型钢混凝土构件，设置节点对格栅混凝土构件削弱效果更小。

3.2 应变-荷载关系

图12 应变-荷载曲线

图12为构件的格栅应变-荷载曲线、混凝土应变-荷载曲线。加载过程中构件D型钢应变一直高于构件C，且构件D的应变增长速率要高于构件C，在175 kN位置处构件D格栅应变可达到构件C的113%。构件D的混凝土应变在加载过程高于构件C，在170 kN位置，构件C混凝土应变达到了构件D的282%。格栅设置节点，会降低构件型钢、混凝土承载力水平以及抗变形能力。其中，对比型钢混凝土类构件与格栅混凝土类构件，设置节点对构件中钢架变形的影响，型钢混凝土类构件更显著，对混凝土变形影响，两类构件差异不大。

综合分析构件混凝土应变、格栅应变，在混凝土未失去工作能力前，构件C型钢应变最小可达到混凝土应变的18%，构件D型钢应变最小可达到混凝土应变的12%。对格栅混凝土构件，设置节点，也会降低格栅与混凝土间的黏结力，削弱格栅与混凝土协同作用，且与型钢混凝土构件相比，对构件混凝土与钢架间共同工作能力的影响二者差异不大。