基于实测应力的二衬结构安全性评价方法研究及加固处治

发布时间：2020-11-07 12:36

　　 公路隧道作为高速公路运营线路上的重要基础设施,其技术状态直接影响着公路行车安全。新奥法施工的隧道中常常出现诸如二衬厚度不足、钢筋缺失等质量缺陷。按照现有行业评定标准,缺陷段一般都需要重新返工。但事实上按照荷载结构法的设计理论,设计围岩压力是可能承受的最大松动压力;而实际工程中由于超前支护及锚杆作用,围岩未必会松动,故二衬实际承受的压力会比较小。本文拟采用应力释放法测试二衬混凝土应力,反算二衬结构承受的荷载,再与实际二衬结构的承载能力相比较,作为质量缺陷段二衬结构的评价依据。最后结合工程实际对质量缺陷段进行加固补强处治。论文所做的主要工作及获得的成果如下:(1)采用ANSYS有限元软件对偏心受压混凝土构件进行应力释放模拟,当所开方形槽的深度达到44mm时,测点混凝土应力能完全释放;采用切割两条横槽与分边切割方形环槽的方式所需的应力完全释放深度相同;开横槽间距越大,应力完全释放的深度越大,槽间距100mm为合理间距;应力完全释放深度与其上部作用荷载大小无关。(2)开展了5个混凝土构件的试验研究,与有限元分析结果进行对比,重点关注应力完全释放深度的应变。试验研究开槽顺序、开槽方式、各级荷载和不加载情况下的开槽应力释放情况;总结出扰动引起的残余应变为一个绝对值,残余应变平均值在-40με左右;扣除扰动后的试验误差在±10με左右,满足试验精度要求,可以将45mm作为开槽法应力完全释放深度。(3)采用MIDAS有限元软件对标准两、三车道和Ⅳ、Ⅴ级围岩组合下的四种工况在不同荷载作用下的二衬表面应变规律进行分析,选取了拱顶、左右拱腰、左右边墙、拱底6个关键应变测试点。基于ANSYS软件平台开发反分析程序,通过建立表面应变与荷载之间的反演关系对标准两、三车道隧道二衬结构荷载进行反分析,文中设计算例证实了反演的可行性,该反分析程序具有一定的推广性。结合压弯构件应力释放研究,给出了对二衬结构安全性评价更为有效的方法。(4)对某隧道二衬结构进行现场检测,主要检测结论为二衬厚度最薄处与原设计厚度相差9.8cm;采用围岩注浆、粘贴钢板两种加固方式对缺陷隧道进行处治;建议围岩注浆预加固厚度取4m,粘贴钢板加固厚度取2cm。
【学位单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U451.4
【部分图文】：

在残余应力场内任一处钻孔（其中环孔直径为ｄ，环孔深度为ｈ），测点应力得??到释放并导致构件发生应力重分布，通过应变释放量Ａｓ计算出该点残余应力。??由图２＿２所示的应变计粘贴方式，通过量测的应变释放量计算应力为：??＝?￣Ｌ４＾?＿?４０＾１?－＾）２?＋（２ｅ２－ｅ］－ｅ３）２??？?＜＾２?＝?＼?；?３?＿￡－３）２?＋（＾ｅ２－ｓ１?－ｅ３）２?（２－１０）??４＾４?４ｘ＞??ｔａｎ?＝??ｓ，＋ｓ３??式中Ａ、＆、Ａ为残余应变释放量；Ａ、Ｂ为待求参数；ＣＴｉ、〇＞２表示主应??力。??参数Ａ、Ｂ可由Ｋｉｒｓｃｈ理论解得到：??＾?１?＋?ｖ?ｄ１??２Ｅ?４ｒ，／－，??＼?斤丨２」?（２－１１）??Ｂ＿?ｄｌ?ｘ?，?＼?＋?ｖ?ｄ＼ｔ，２＋ｒ，ｒ２＋ｒ２２）??２Ｅｒ＇ｒ２?４?４?ａ；?Ｖ２２??式中构件材料的弹性模量和泊松比分别表示为五、Ｖ，?ｑ、￣分别表示??钻孔中心到应变计近端和远端的距离。??这里需要说明的是，参数Ａ、Ｂ需要由试验测定。盲孔法测试残余应力过程??比较繁琐，并且参数Ａ、Ｂ需要由试验测定，难免会给测试工作带来误差。??２．?２．?３钻孔法??钻孔法是一种常见测试残余应力的方法，其工作原理是通过量测孔边应变释??放量来计算残余应力

在残余应力场内任一处钻孔（其中环孔直径为ｄ，环孔深度为ｈ），测点应力得??到释放并导致构件发生应力重分布，通过应变释放量Ａｓ计算出该点残余应力。??由图２＿２所示的应变计粘贴方式，通过量测的应变释放量计算应力为：??＝?￣Ｌ４＾?＿?４０＾１?－＾）２?＋（２ｅ２－ｅ］－ｅ３）２??？?＜＾２?＝?＼?；?３?＿￡－３）２?＋（＾ｅ２－ｓ１?－ｅ３）２?（２－１０）??４＾４?４ｘ＞??ｔａｎ?＝??ｓ，＋ｓ３??式中Ａ、＆、Ａ为残余应变释放量；Ａ、Ｂ为待求参数；ＣＴｉ、〇＞２表示主应??力。??参数Ａ、Ｂ可由Ｋｉｒｓｃｈ理论解得到：??＾?１?＋?ｖ?ｄ１??２Ｅ?４ｒ，／－，??＼?斤丨２」?（２－１１）??Ｂ＿?ｄｌ?ｘ?，?＼?＋?ｖ?ｄ＼ｔ，２＋ｒ，ｒ２＋ｒ２２）??２Ｅｒ＇ｒ２?４?４?ａ；?Ｖ２２??式中构件材料的弹性模量和泊松比分别表示为五、Ｖ，?ｑ、￣分别表示??钻孔中心到应变计近端和远端的距离。??这里需要说明的是，参数Ａ、Ｂ需要由试验测定。盲孔法测试残余应力过程??比较繁琐，并且参数Ａ、Ｂ需要由试验测定，难免会给测试工作带来误差。??２．?２．?３钻孔法??钻孔法是一种常见测试残余应力的方法，其工作原理是通过量测孔边应变释??放量来计算残余应力

ＳＹＳ有限元软件。???３方形环孔应力释放有限元分析??ＡＮＳＹＳ软件是一款大型通用有限元分析程序，对求解各类结构的静力、动??、线性和非线性等问题具有很好的效果。本文采用ＡＮＳＹＳ软件对压弯构件进??应力释放模拟研究，现对模拟过程中的关键单元作简要介绍。???３．１单元简介??３．１．１?混凝土单元－ＳＯＬＩ?Ｄ６５??混凝土工程数值分析中一般采用ＳＯＬＩＤ６５单元来对三维实体模型进行结构??析。图２－５所示，该单元为八节点各向同性材料，且每个节点都含有Ｘ、Ｙ、Ｚ??个方向线位移的３个自由度。该单元可以用来模拟混凝土材料的徐变、塑性变??、开裂和压碎；也可以用来模拟具有单向刚度的钢筋材料。本文建模过程中采??该单元来模拟混凝土。??
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本文编号：2873954