华南理工大学学报(自然科学版第35卷第7期Journa l o f South C hina U niversity o f Techno l o g y

V o.l 35 N o.7 2007年7月 (N atura l Science Editi o n Jul y 2007 文章编号:1000 565X (200707 0116 06 收稿日期:2006 09 06 作者简介:莫海鸿(1955 ,男,教授,博士生导师,主要从事岩土工程和地下结构的研究.E m ai:l cvhh m o@scut .edu .cn

钢纤维掺入对混凝土管片局部力学性能的改善 莫海鸿 陈俊生 梁 松 杨医博 苏 轶 (华南理工大学建筑学院,广东广州510640 摘 要:为评价钢纤维掺入对盾构隧道混凝土管片局部力学性能的改善情况,采用通用有限元软件AD I N A,分别对盾构隧道钢纤维混凝土管片在千斤顶顶力作用及管片接头在正常运营阶段的开裂荷载、应力分布及裂缝分布进行了三维有限元数值试验.结果表明:掺入钢纤维能有效改善管片表面、手孔和螺栓孔部位的局部力学性能;钢纤维混凝土管片的初裂荷载比普通混凝土管片提高13 3%~22 7%,说明管片的抗裂性能有较大提高.关键词:钢纤维;混凝土;盾构隧道;管片;力学性能中图分类号:U 455 文献标识码:A 盾构隧道管片在运输、安装及正常运营过程中出现的局部开裂、破损或裂缝等问题,都会使管片结构的整体性被破坏、发生渗漏和腐蚀现象,对隧道结构的安全性和耐久性产生不利影响

[1 2] .从文献[2] 的研究成果可知,钢筋混凝土管片的破损大多发生在管片表层,并没有深入管片内部.当管片出现裂缝时,钢筋的应力仍处于较低的水平.

从文献[3]对管片局部破损产生机理的讨论可知,管片表面混凝土在各种施工作用荷载下产生较大的拉应变是当前钢筋混凝土管片破损的主要原因.钢纤维掺入能明显提高混凝土的抗折、抗拉和抗冲击能力

[4] .因此,在钢筋混凝土管片中掺入钢纤 维,可望能改善混凝土管片素混凝土保护层的局部力学性能,降低损坏率,提高管片的抗裂性能.国外已有应用钢纤维混凝土制造管片的成功实例

[5 6] . 在国内,尽管钢纤维混凝土材料的研究与应用已相当成熟,但钢纤维混凝土材料在盾构隧道管片中的应用仍处于起步阶段,仅在广州进行了钢纤维混凝土管片的材料试验

[7] ,在上海轨道交通M 6号线建 立了钢纤维少筋混凝土管片试验段,但缺乏完整、可 靠的试验数据及资料 [8] . 本研究在前人研究的基础上,以广州地铁盾构隧道管片为对象,利用通用有限元软件AD I N A,采用简化的钢纤维混凝土计算方法,探讨钢纤维的加入对混凝土管片局部力学性能的改善,以期为后续的钢纤维混凝土管片试验提供参考,也为钢纤维混凝土管片在实际工程中的应用提供依据.

1 钢纤维混凝土简化计算方法 1.1 简化计算方法的理论基础 从已有的研究成果可知,钢纤维混凝土的本构特征决定于基体混凝土的性质,钢纤维的掺入并没有显著地改变钢纤维混凝土的宏观变形、损伤和破坏的本质特征.因此,只需将普通混凝土本构的参数进行修改就可以采用已有的混凝土本构模型来描述钢纤维混凝土的本构行为

[4] . 1.2 混凝土本构模型 AD I N A 软件的混凝土模型有三个基本特性 [9] : 利用非线性应力-应变关系反映材料在上升压应力下的软化特性; 用破坏包络线定义材料在拉应力下开裂及压应力下压碎的特性;!能模拟材料在开裂及压碎后的特性.典型的单轴应力-应变关系曲线如图1所示,只需要在钢纤维混凝土计算中按照文献[5]所述的简化方法,根据 f (钢纤维体积

率、l f (纤维特性参数,l f = f l f /d f 修改相应的参数,就能比较准确地模拟钢纤维混凝土的力学行为

. 图1 AD I NA 中混凝土的单轴应力-应变关系F i g .1 U n i ax i a l stress stra i n re l a tion i n AD INA concrete model

c ∀最大单轴压应力; u ∀单轴极限压应力;! ∀单轴应变;! c ∀相应于 c 的单轴应变;! u ∀单轴极限应变; t ∀单轴开裂应力;! t ∀单轴开裂应变; tp ∀断裂瞬时减低后的拉应力 2 计算方法的验证 利用文献[7]中钢纤维混凝土梁三分点弯曲韧性试验结果,对比有限元简化计算方法的结果与试验数据,以验证简化计算方法的可靠性.

2.1 试验方法及材料参数 文献[7]中试验所用设备为美国MTS 公司的Flex ET 伺服液压万能试验机,试件尺寸为150mm #150mm #500mm,支座距离为450mm.有限元计算所用模型如图2所示

. 图2 三分点弯曲韧性试验数值模型 F i g.2 N u m er ica lm ode l of t h ird po i n t bend i ng toughness test 本文取文献[7]其中两个试验作为计算方法及参数输入的验证: 普通素混凝土梁:基体混凝土为C50,立方体抗压强度60 6M Pa ; 钢纤维混凝土梁:基体混凝土为C50,钢纤维采用上海贝卡尔特-二钢公司生产的佳密克斯钢纤维,属带端钩的高强钢丝切断型钢纤维,型号为RC 80/60 BN,纤维长度为60mm,长径比为80,单根钢丝最低抗拉强度为1100MPa ,钢纤维掺量为40kg /m 3

,即体积率为0 51%,立方体抗压强度64 4M Pa ,劈裂抗拉强度为6 1M Pa .数值计算的输入参数如表1所示.

表1 三分点梁数值计算输入参数 T ab le 1 Input para m eters of nu m erical computati on o f th i rd po i nt bea m 梁类型 弹性模量/M Pa 泊松比 受拉开裂应力/M Pa 受拉软化模量/M Pa 受压开 裂应变 普通素混凝土梁 3.45#1040.2 4.025465.10.00177钢纤维混凝土梁 3.55#1040.2 5.2 4350.7 0.00180 2.2 试验与数值计算的结果对比 表2是试验结果与有限元计算结果的对比.从表中可知,利用简化方法的有限元计算结果与试验

数据的误差在9%以内,作为初步应用研究,具有一定的准确性. 表2 混凝土梁的试验结果与有限元计算结果的对比T ab l e 2 Comparison bet w een test resu lts and fi nite e le m en t

reckon i ng fo r concre te bea m 结果比较 普通素混凝土梁钢纤维混凝土梁平均极限荷载/k N A 点平均竖向位移/mm 平均极限荷载/kN A 点平均竖向位移/mm 试验值26.250.8228.770.86计算值28.200.8931.200.93误差/% 7.5 9.0 8.5 8.7 3 钢纤维混凝土管片的数值试验 3.1 管片尺寸及材料 广州地铁采用的管片外径6m,内径5 4m,管片宽度1 5m,厚度0 3m.衬砌环由1块封顶块、2块邻接块和3块标准块组成.本研究采用标准块为研究对象,标准块的圆心角72∃.钢纤维混凝土管片采用表1所示计算参数.

3.2 施工阶段局部应力分析 3.2.1 计算工况及计算模型 在施工阶段,管片环缝面承受的千斤顶顶力通常为1600kN /m [10] ,即每块传力垫承受顶力为680kN . 千斤顶顶力作用于传力垫,通过传力垫将顶力传递给管片,管片再传递给背千斤顶环缝面传力垫,从而构成完整的受力体系.当管片背千斤顶环缝面与传力垫之间存在初始间隙时,管片所传递的顶力因不同量值的千斤顶顶力及初始间隙而不同.采用接触算法在管片环缝面与传力垫之间建立接触面能真实地模拟以上情况.在实际施工和运营中,管片是通过环向螺栓连接在一起的环状结构.为模拟管片之间

117 第7期莫海鸿等:钢纤维掺入对混凝土管片局部力学性能的改善 的相互约束而不会大大增加模型的复杂程度,各用一垫块模拟与被分析管片相邻的两块管片,并利用AD I N A软件的接触分析功能模拟垫块与管片纵缝之间的相互挤压和相对错动.

管片采用三维8节点实体单元,管片的环向主钢筋利用AD I N A软件的Rebar单元模拟[9].管片在千斤顶顶力作用下的计算工况分为三种情况(见表3,并建立如图3,4所示的有限元模型.

表3 施工阶段局部应力分析的计算工况 T able3 W o rk cond iti ons of loca l stress ana lysis i n constructi on stage 工况 制作或施 工误差情况 管片边界条件千斤顶力 对应 模型 1 没有误差 管片与传力垫间紧 密接触,没有间隙 每块传力 垫680kN 图3 2 双千斤顶对 应位置处管片 存在施工误差 双千斤顶对应位置 处管片与传力垫间有 1 0mm的初始间隙 每块传力 垫680kN 图3 3