碳纤维筋加固隧道衬砌性能试验与数值分析

摘要

随着越来越多的既有隧道进入运营维护期，如何更有效的延长隧道的使用寿命、提高危险隧道的改造翻新技术，是当前面临且急需解决的问题。碳纤维筋补强加固技术因具有施工干扰小、加固效果好、附加荷载轻、占用空间小等明显优点，有必要对其施工工艺及加固效果进行研究，为碳纤维筋在隧道结构加固的更深层次的应用提供理论支持。本文分析了目前隧道衬砌普遍发生的病害以及机理，以南瓦隧道工程为依托，针对其现有的病害提出碳纤维筋补强加固修复技术，采用理论分析、模型试验与有限元数值分析相结合的方法，对隧道衬砌使用碳纤维筋加固效果进行了研究和探讨，得到的主要研究成果为： 1、对隧道衬砌病害特征、产生原因及发生机理进行了分析，依托南瓦隧道工程，总结了隧道既有病害类型，评定了其技术状况等级，参考传统混凝土加固方法，针对性地提出了碳纤维筋补强加固隧道技术。 2、进行了碳纤维筋加固材料性能试验，碳纤维筋的抗拉试验测得了碳纤维筋的应力-应变关系和最大抗拉强度以及设计抗拉强度；高强聚合物砂浆的压缩强度试验测得了其抗压强度标准值、粘结强度和弹性模量。在完成碳纤维筋和聚合物砂浆粘结性能试验后确定了碳纤维筋的最小锚固长度。 3、采用有限元软件ANSYS模拟分析了在裂缝深度a=7.5cm、15cm和22.5cm时，衬砌拱顶加固和全断面加固等不同加固方案下使用碳纤维筋加固隧道衬砌前后的应力应变变化。对比分析发现，使用碳纤维筋加固后效果良好，衬砌变形和应力控制在合理范围之内，有效提高隧道衬砌刚度和承载能力。 4、依据隧道专项检测和数值模拟分析结果，对南瓦隧道进行了碳纤维筋加固设计，并提出了相应的施工工艺及建议措施。

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1绪论

1.1问题的提出

1.2研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3本文研究的主要内容

2隧道病害检测与机理分析

2.1隧道常见病害与分析[44]

2.1.1二次衬砌裂损

2.1.2拱背空洞或不密实

2.1.3渗漏水

2.1.4内空侵限

2.2南瓦隧道病害检测与分析

2.2.1工程概况

2.2.2检测项目及结果

2.2.3病害分析

2.3隧道传统加固方法

2.4碳纤维筋加固方法

2.5本章小结

3碳纤维筋加固材料性能试验

3.1碳纤维筋加固工艺介绍

3.1.1 碳纤维筋

3.1.2 高强聚合物砂浆

3.1.3碳纤维筋加固工艺

3.2碳纤维筋拉伸性能试验

3.3高强聚合物砂浆的物理力学性能试验

3.4碳纤维筋和高强聚合物砂浆的粘结性能试验

3.5本章小结

4南瓦隧道数值模拟分析

4.1隧道衬砌有限元分析概述

4.1.1.有限元软件ANSYS简介

4.1.2.有限元模型单元的选取[57]

4.1.3.材料本构关系

4.1.4.材料参数

4.1.5.网格的划分

4.1.6.载荷计算

4.2隧道衬砌结构加固前数值模拟

4.2.1隧道衬砌结构力学分析

4.2.2带裂缝的隧道衬砌力学分析

4.3隧道衬砌结构加固后数值模拟

4.3.1碳纤维筋补强拱顶数值模拟

4.3.2碳纤维筋补强全断面数值模拟

4.4衬砌不同裂缝深度加固前后数值模拟

4.4.1隧道衬砌裂缝深度a=15cm时数值模拟

4.4.2隧道衬砌裂缝深度a=22.5cm时数值模拟

4.5本章小结

5隧道补强加固的设计与施工措施

5.1南瓦隧道加固设计

5.1.1隧道渗水整治方案

5.1.2隧道碳纤维筋加固设计

5.2隧道加固施工

5.3本章小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

附录