岩石围岩盾构钢筋混凝土内衬高内压输水隧洞受力简化分析方法
发布时间：2021-06-24 16:48
长距离输水工程在穿越城市群时,往往需要深埋以规避地表及浅层地下的各类建（构）筑物。这种情况下盾构隧洞成为极具优势的选择方案。当这种深埋隧洞的围岩具有较好承载能力时,可以采用钢混凝土内衬与盾构组成复合衬砌,与围岩一起共同承担管道内的高内水压力。而这种隧道结构的内衬往往会发生开裂,进而改变其受力特征,此时内衬、盾构管片与围岩如何共同受力成为了工程设计的重点和难点,对此目前还没有成熟的计算方法和规程。针对钢筋混凝土受内水压开裂后的受力变形特点,提出了钢筋混凝土内衬开裂后刚度减少的等效刚度计算方法,计算在内水压力作用下复合衬砌与围岩共同作用的受力特点。结果表明:当围岩弹性模量达到2 GPa时,这种结构可以具有较好的承载能力;当围岩弹性模量达到5 GPa时,可以承担1 MPa以上的内水压力,围岩具有较好的利用价值。研究结果为盾构钢筋混凝土内衬高压输水隧洞联合受力提供了简化的计算方法。
【文章来源】：长江科学院院报. 2020,37(05)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
复合衬砌受力示意图
以6 m盾构隧洞(盾构管片厚300 mm)内衬300 mm厚的C30钢筋混凝土为例,计算设定围岩弹性模量为2 GPa,内水压力分别为0.7,0.9,1.1 MPa时的联合受力情况。当不考虑钢筋混凝土内衬由于开裂造成的弹性模量的改变时,计算结果如图2所示。图2中:3条实线为围岩、外衬和内衬在不同分担内压下的径向位移;3条虚线与3条实线的交点分别代表不同内压下各层结构分担的内水压力。从图2可知:若内水压力为1.1 MPa,则复合衬砌径向位移0.51 mm,内衬分担0.77 MPa,此时对应内衬内侧的环向拉应力为6.43 MPa>[σ]=1.43 MPa(C30混凝土轴心抗拉强度设计值);若内水压力为0.9 MPa,则复合衬砌径向位移0.41 mm,内衬分担0.62 MPa,此时对应内衬内侧的环向拉应力为5.26 MPa>[σ]=1.43 MPa;若内水压力为0.7 MPa,内衬分担为0.48 MPa,对应内衬内侧的环向拉应力为4.09 MPa>[σ]=1.43 MPa。可见,这时内衬混凝土环向应力较大,会产生开裂。混凝土开裂后,在开裂附近混凝土失去作用,内衬的力则由钢筋承担,这时钢筋混凝土内衬的刚度降低,复合结构各构件的荷载分担重新调整。关键是内衬开裂后,如果还能保证盾构管片的应力安全和接头的防渗安全,则隧道结构的功能还是安全的。因此,研究混凝土内衬开裂后盾构结构的受力和变形安全性至关重要。
在没有试验的情况下,可以参照受拉钢筋临界锚固长度[20],取裂缝两侧每侧影响长度为(17.5～35)d来进行计算,其中d为钢筋的直径,受力(拉力N)影响范围示意图如图3所示。该范围内混凝土分担拉力和变形能力可忽略不计,仅考虑钢筋的作用。实际上受拉钢筋的长度应该是裂缝宽度与钢筋锚固(影响)长度之和,但对于一般的工程,裂缝宽度远远小于钢筋影响范围的长度,因此计算时可以忽略裂缝宽度的影响。
【参考文献】：
期刊论文
[1]盾构隧洞复合衬砌的荷载结构共同作用模型[J]. 杨光华,李志云,徐传堡,贾恺,姜燕. 水力发电学报. 2018(10)
[2]胶东调水明渠混凝土衬砌结构破坏问题原因分析及对策[J]. 孙佑光,王兵. 中国水运. 2018(08)
[3]PCCP在国内大型调水工程中的应用与发展[J]. 辛福选,朱宗河,张华. 中国建材科技. 2016(05)
[4]长距离调水明渠冬季输水冰情分析与安全调度[J]. 段文刚,黄国兵,杨金波,刘孟凯. 南水北调与水利科技. 2016(06)
[5]ABAQUS混凝土塑性损伤模型概述[J]. 孙庆昭. 重庆建筑. 2014(11)
[6]大伙房水库输水工程（二期）PCCP管道工程进度管理与实践[J]. 李占东,黄忠佳. 水利发展研究. 2014(06)
[7]ABAQUS中混凝土本构模型用于模拟结构静力行为的比较研究[J]. 聂建国,王宇航. 工程力学. 2013(04)
[8]西江引水工程之钢管水下对接技术[J]. 郑淑秋,彭小林,胡小冲. 广东土木与建筑. 2012(05)
[9]ABAQUS中的混凝土塑性损伤模型[J]. 张战廷,刘宇锋. 建筑结构. 2011(S2)
[10]引松隧洞预应力钢筋混凝土衬砌结构计算分析[J]. 刘阳,王倩,刘阳. 长江科学院院报. 2011(05)
本文编号：3247468
【文章来源】：长江科学院院报. 2020,37(05)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
复合衬砌受力示意图
以6 m盾构隧洞(盾构管片厚300 mm)内衬300 mm厚的C30钢筋混凝土为例,计算设定围岩弹性模量为2 GPa,内水压力分别为0.7,0.9,1.1 MPa时的联合受力情况。当不考虑钢筋混凝土内衬由于开裂造成的弹性模量的改变时,计算结果如图2所示。图2中:3条实线为围岩、外衬和内衬在不同分担内压下的径向位移;3条虚线与3条实线的交点分别代表不同内压下各层结构分担的内水压力。从图2可知:若内水压力为1.1 MPa,则复合衬砌径向位移0.51 mm,内衬分担0.77 MPa,此时对应内衬内侧的环向拉应力为6.43 MPa>[σ]=1.43 MPa(C30混凝土轴心抗拉强度设计值);若内水压力为0.9 MPa,则复合衬砌径向位移0.41 mm,内衬分担0.62 MPa,此时对应内衬内侧的环向拉应力为5.26 MPa>[σ]=1.43 MPa;若内水压力为0.7 MPa,内衬分担为0.48 MPa,对应内衬内侧的环向拉应力为4.09 MPa>[σ]=1.43 MPa。可见,这时内衬混凝土环向应力较大,会产生开裂。混凝土开裂后,在开裂附近混凝土失去作用,内衬的力则由钢筋承担,这时钢筋混凝土内衬的刚度降低,复合结构各构件的荷载分担重新调整。关键是内衬开裂后,如果还能保证盾构管片的应力安全和接头的防渗安全,则隧道结构的功能还是安全的。因此,研究混凝土内衬开裂后盾构结构的受力和变形安全性至关重要。
在没有试验的情况下,可以参照受拉钢筋临界锚固长度[20],取裂缝两侧每侧影响长度为(17.5～35)d来进行计算,其中d为钢筋的直径,受力(拉力N)影响范围示意图如图3所示。该范围内混凝土分担拉力和变形能力可忽略不计,仅考虑钢筋的作用。实际上受拉钢筋的长度应该是裂缝宽度与钢筋锚固(影响)长度之和,但对于一般的工程,裂缝宽度远远小于钢筋影响范围的长度,因此计算时可以忽略裂缝宽度的影响。
【参考文献】：
期刊论文
[1]盾构隧洞复合衬砌的荷载结构共同作用模型[J]. 杨光华,李志云,徐传堡,贾恺,姜燕. 水力发电学报. 2018(10)
[2]胶东调水明渠混凝土衬砌结构破坏问题原因分析及对策[J]. 孙佑光,王兵. 中国水运. 2018(08)
[3]PCCP在国内大型调水工程中的应用与发展[J]. 辛福选,朱宗河,张华. 中国建材科技. 2016(05)
[4]长距离调水明渠冬季输水冰情分析与安全调度[J]. 段文刚,黄国兵,杨金波,刘孟凯. 南水北调与水利科技. 2016(06)
[5]ABAQUS混凝土塑性损伤模型概述[J]. 孙庆昭. 重庆建筑. 2014(11)
[6]大伙房水库输水工程（二期）PCCP管道工程进度管理与实践[J]. 李占东,黄忠佳. 水利发展研究. 2014(06)
[7]ABAQUS中混凝土本构模型用于模拟结构静力行为的比较研究[J]. 聂建国,王宇航. 工程力学. 2013(04)
[8]西江引水工程之钢管水下对接技术[J]. 郑淑秋,彭小林,胡小冲. 广东土木与建筑. 2012(05)
[9]ABAQUS中的混凝土塑性损伤模型[J]. 张战廷,刘宇锋. 建筑结构. 2011(S2)
[10]引松隧洞预应力钢筋混凝土衬砌结构计算分析[J]. 刘阳,王倩,刘阳. 长江科学院院报. 2011(05)
本文编号：3247468
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