修补带压剪裂缝衬砌的板式短锚组合结构力学机理研究

摘要

随着我国交通隧道运营里程的增长，隧道衬砌裂缝类病害问题日益凸显。传统衬砌裂缝修补方法存在特定条件下的不适应性及经济性弊端，因此提出了具有预制方便、现场组合、施工快速等优点的板式短锚组合结构对衬砌裂缝进行修补。已有学者对于组合结构修补大偏心受压状态衬砌的力学机理进行了研究，而更多情况下衬砌因形变压力而处于小偏心受压状态且产生压剪开裂、破坏。鉴于此，本文依托于国家重点研发计划子课题“既有城市隧道结构损伤快速微创修缮技术”和国家自然科学基金“既有交通隧道衬砌裂损快速修补组合结构受力机理研究”，结合文献调研、模型试验和数值模拟的方法，从构件的角度对板式短锚组合结构修补带压剪裂缝衬砌的力学机理进行研究。本文主要结论和成果如下：　　(1)设计并开展了完好构件的小偏心受压模型试验，得到了其极限承载力，并在数值模拟中，得到了较吻合的结果，两者得到了相互印证。　　(2)得到了小偏心受压条件下，采用板式短锚组合结构修补的构件破坏形态。修补构件破坏形态总体表现为压剪破坏。其破坏形态表现为与构件上表面大致呈45°的压剪破裂面和构件上表面破裂面右侧的压损伤。修补构件和完好构件破坏形态上主要有两点差别。其一，修补构件破坏程度更严重，压剪破裂面宽度和深度均更大；其二，修补构件在钻孔处出现集中压损伤，且外排钻孔处压损伤较内排钻孔处更严重。　　(3)得到了小偏心受压条件下，板式短锚组合结构修补构件时的变形及受力特征。修补构件和完好构件的变形趋势均表现为在压剪破裂面处的剪切滑移，修补构件在钻孔处均出现拉压应力集中。修补钢板均表现出和构件变形相协调的整体挠曲变形，两侧表现出翘曲和剥离混凝土趋势，且在钻孔部位表现出局部变形，钢板整体受拉且在钻孔处出现应力集中。短锚受力变形主要集中在外排短锚，表现为和构件、钢板变形相协调的弯曲变形，且在构件钢板连接界面处出现反弯，并在反弯处出现应力集中。板式短锚组合结构的设计是合理的，钢板的抗拉能力和短锚的抗剪、抗拉拔能力均能得到较好地发挥。　　(4)得到了三个设计参数对构件极限承载力的影响规律、建议取值和影响评价。构件极限承载力随各设计参数的增强均先表现为明显上升后逐渐趋于平稳。当承载力趋于平稳时的参数取值即是建议值。修补钢板厚度建议取10mm；短锚强度等级建议取M8.8级；短锚锚固深度采取内外排短锚差异化布置，内排为8cm，外排为12cm。三个参数的影响程度评价为：短锚锚固深度影响最为显著，修补钢板厚度影响比较显著，而短锚强度等级影响相对较小。　　(5)得到了组合结构“峰前修补”和“峰后修补”时构件荷载-变形曲线的差异，并给出了建议的最晚修补时机。当组合结构在“峰前修补”时，曲线表现为三个阶段：线性上升阶段、屈服破坏阶段和稳定承载阶段。而当组合结构为更符合实际的“峰后修补”时，曲线表现为：线性上升阶段、第一屈服破坏阶段、屈服上升阶段、第二屈服破坏阶段和稳定承载阶段共五个阶段。组合结构对于构件承载力及延性等指标的提升是通过峰后极限承载力点的出现和峰后残余承载力点的坐标提升实现的。随着修补时机延后，构件峰后极限承载力、峰后残余承载力和延性提升比例均会下降，因此建议最晚修补时机为构件变形达到完好构件极限承载力对应变形量的144.44%时。　　(6)从“围岩-结构”体系的角度看，构件外荷载随变形增大而发展变化的五个阶段即是受形变压力的衬砌和围岩相互作用、最终达到稳定状态的过程。对于受形变压力而产生压剪裂缝的衬砌而言，随着衬砌破坏的发展，来自围岩的能量被吸收或释放，形变压力会逐渐减小，当衬砌残余承载力能和形变压力相当时，“围岩-结构”体系便达到了新的稳定状态。这就是板式短锚组合结构能在“峰后修补”以及构件峰后残余承载力仍能够被利用的原因。

目录

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第一章 绪 论

1.1选题背景及意义

1.2国内外研究现状及存在的问题

1.2.1衬砌修补方法的研究现状

1.2.2组合结构的研究现状

1.2.3存在的问题

1.3本文研究内容及研究方法

1.3.1研究内容

1.3.2研究方法

1.4研究技术路线

第二章 板式短锚组合结构的构件模型试验

2.1试验目的

2.2试验设计

2.2.1构件设计及制作

2.2.2加载装置及加载制度

2.2.3量测指标及方法

2.3试验结果及分析

2.3.1极限承载力

2.3.2荷载-应变曲线

2.4本章小结

第三章 板式短锚组合结构参数研究

3.1构件及板式短锚组合结构形式

3.1.1构件形式

3.1.2板式短锚组合结构形式

3.2板式短锚组合结构参数设计

3.3有限元模型的建立

3.3.1材料本构模型及单元类型

3.3.2接触关系模拟

3.3.3全过程数值模拟的实现

3.3.4计算参数

3.3.5边界条件及荷载

3.3.6模型网格划分

3.4修补钢板厚度研究

3.4.1计算工况

3.4.2构件承载力及破坏形态

3.4.3变形趋势分析

3.4.4应力状态分析

3.5短锚强度等级研究

3.5.1计算工况

3.5.2构件承载力及破坏形态

3.5.3变形趋势分析

3.5.4应力状态分析

3.6短锚锚固深度研究

3.6.1计算工况

3.6.2构件承载力及破坏形态

3.6.3变形趋势分析

3.6.4应力状态分析

3.7本章小结

第四章 板式短锚组合结构力学机理

4.1组合结构修补时机研究

4.1.1计算工况

4.1.2构件峰后承载力

4.1.3构件峰后荷载-变形曲线分析

4.1.4应力状态分析

4.2板式短锚组合结构力学机理

4.2.1构件“峰后修补”荷载-变形曲线

4.2.2组合结构变形趋势

4.2.3组合结构受力状态

4.2.4组合结构参数影响评价及优化建议

4.3本章小结

第五章 结论及展望

5.1结论

5.2展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与科研项目

发明专利