隧道钢拱架锈蚀对初期支护受力体系影响数值分析

周国军



隧道钢拱架锈蚀对初期支护受力体系影响数值分析

周国军

文章通过三维数值分析方法，对隧道初期支护钢拱架锈蚀引起的受力体系变化以及钢拱架与喷射混凝土之间受力传递的变化进行研究。研究结果表明，初期支护钢拱架随其锈蚀率的增加，钢拱架与喷射混凝土粘结强度逐步减弱，初期支护内部受力整体性随之降低，初期支护钢拱架内部应力增加，安全系数减小。

隧道；初期支护；钢拱架锈蚀；受力体系；数值分析

某海底隧道穿越富水砂层，赋存于海水环境中，初期支护钢拱架受氯盐腐蚀速度较快，对初期支护受力体系及安全系数产生不利影响。文献[3]通过试验方法对钢拱架与喷射混凝土之间的粘结滑移关系进行了研究。本文采用 ANSYS 三维数值分析的方法结合文献[3]研究成果，对锈蚀引起的初期支护钢拱架受力以及钢拱架与喷射混凝土之间受力传递的变化进行研究，从而对初期支护钢拱架与喷射混凝土二者受力的整体性进行评价。

1　计算模型与计算参数

1.1计算模型

模型采用三维实体荷载-结构模型，对隧道初期支护混凝土、工字钢钢拱架和二次衬砌混凝土都用实体单元模拟。工字钢单元与初期支护混凝土单元采用分离式建模方法，2 种单元之间用非线性弹簧连接。初期支护混凝土单元类型为 Solid64，工字钢单元类型为 Solid45，非线性弹簧采用 Combination39 模拟。对于钢拱架锈蚀的模拟，通过锈蚀率修改钢拱架工字钢单元的密度、屈服强度等来实现。锈蚀对于钢拱架工字钢与混凝土之间粘结强度的减弱作用，采用文献[3]试验得到的随锈蚀率变化的粘结滑移曲线来修改非线性弹簧的属性常数来模拟。钢拱架工字钢与混凝土之间每组对应连接节点，有 3 个方向的非线性弹簧，分别为法向（径向）、纵向切向（环向切向）和横向切向（图 1、图 2、图 3）。

1.2计算参数

隧道初期支护钢拱架采用 I22 工字钢，间距50 cm，C25 喷射混凝土厚 32 cm。二次衬砌混凝土厚度为 70 cm，采用 C35 钢筋混凝土。隧道内净空宽 16.5 m，高 10 m（图 4）。

图1　隧道支护三维实体模型

图2　工字钢钢拱架三维实体单元

图3　钢拱架与喷射混凝土连接单元

根据地勘资料，取埋深 31.4 m计算荷载。按照 JTG D70/2-2014《 公路隧道设计规范 》当埋深为 31.4 m 时，垂直均布围岩压力 q1、水平侧压力初值 e1、e2按式（1）～（3）计算（图 5）：

图4　隧道支护参数

式（1）~（3）中，r 为土层容重；H 为隧道埋深；λ 为土侧压力系数；B 为隧道跨度；h1为隧道顶土层高度；h2为隧道底土层高度；θ 为围岩摩擦角。

图6　粘结弹簧法向轴力与锈蚀率关系曲线

图7　粘结弹簧法向轴力降低系数与锈蚀率的关系

图5　荷载示意图

2　三维数值模拟结果

2.1锈蚀对钢拱架与混凝土间传递受力的影响

随着钢拱架的锈蚀，钢拱架与喷射混凝土间的粘结强度降低，粘结弹簧传递受力的作用减弱，尤其是拉力的传递，使得喷射混凝土与钢拱架之间的协作受力的能力变弱。图6、图7给出了钢拱架与喷射混凝土间粘结弹簧法向轴力及其降低系数随锈蚀率变化曲线，由曲线变化的规律可以看出：

（1）喷射混凝土对钢拱架的最大作用力发生在边墙，而不是拱顶（拱顶最小）；

（2）混凝土对于钢拱架的主要作用力是压力，锈蚀层及对粘结的破坏作用会减弱这种压力的传递。当锈蚀率 0≤ρ＜5%时，粘结弹簧法向轴力变化较为平缓，粘结弹簧法向轴力降低系数很小（近乎为0）。可见，钢拱架与混凝土之间的法向粘结强度减弱较小，钢拱架表面的锈层的膨胀性与法向粘结强度的减弱形成一定的抵消，所以当锈蚀率较小时，混凝土的传力变化不大；

（3）随着锈蚀率的进一步增大，锈蚀率 5%≤ρ＜55%时，粘结弹簧法向轴力曲线逐步下降，粘结弹簧法向轴力降低系数曲线则对应上升。这说明法向粘结破坏进一步增大，钢拱架与混凝土受力的整体性进一步减弱，通过粘结来传递力变得越来越困难，混凝土自身承担的荷载越来越大，钢拱架分担的荷载越来越小；

（4）当锈蚀率增大到一定程度即 ρ = 55% 左右时，粘结弹簧法向轴力曲线均趋于平缓。由于锈层很厚，钢拱架与混凝土之间通过粘结传递力的效果基本消失殆尽。此时，钢拱架与混凝土之间彻底分离开来，残余的压力只是因为混凝土在外力作用下发生较大变形，被迫通过压缩锈蚀层的形式将力强加在钢拱架上，钢拱架与混凝土基本完全脱离；

（5）当锈蚀率进一步增大到 ρ ＞55% 时，喷射混凝土只能通过压缩锈蚀层的形式，把力强加在钢拱架上，直到钢拱架因为锈蚀的增大其与混凝土粘结界面进一步减小而发生屈服。

2.2锈蚀对钢拱架自身受力的影响

钢拱架的锈蚀对于混凝土与钢拱架之间力的传递有影响，同时，由于锈蚀作用，钢拱架工字钢的截面积也在变化，这2种因素同时都影响着钢拱架自身的内力及安全性。图8给出了钢拱架应力随锈蚀率的变化曲线，该曲线也反映了边墙、仰拱和拱顶的最大应力变化趋势。图9给出了钢拱架安全系数随锈蚀率的变化曲线。从图8、图9可以看出：

图8 　钢拱架应力与锈蚀率的关系

图9 　钢拱架受力安全系数与锈蚀率的关系

（1）随着锈蚀率的增加（ 0≤ ρ ＜5%），钢拱架应力曲线上升和钢拱架安全系数下降曲线均较为缓和，钢拱架的应力增大也较为缓和；

（2）当锈蚀率 ρ 达到 55% 时，钢拱架应力曲线上升和钢拱架安全系数下降曲线均变得较陡，钢拱架内部应力的增加速率突然变大；

（3）当锈蚀率 ρ 达到 70% 左右时，钢拱架的最大应力达到了钢拱架工字钢的屈服应力，钢拱架开始失效，不再承担混凝土传递的力，此时钢拱架安全系数约为 1.0（即，钢的屈服强度与工字钢最大工作应力之间的比值为1.0），钢拱架工字钢开始出现屈服现象，钢拱架失效。

2.3锈蚀对初期支护内力体系的影响

对比图 6、图8 中钢拱架与混凝土间的粘结弹簧法向轴力与应力变化趋势，似乎应该是随锈蚀率增加而降低的，其实不然。根据图 6，混凝土传递给钢拱架的力是在减小的，但同时，钢拱架工字钢自身的截面积也在减小，这种减小的速率要大于喷射混凝土力传递减小的速率，所以钢拱架的内部应力是增加的，其安全系数也是降低的。当锈蚀率 ρ 达到 55% 后，混凝土传递给钢拱架的力基本稳定，只有微弱的变小趋势，然而因为锈蚀钢拱架工字钢的截面积继续减小，所以出现了当锈蚀率达到 55% 后钢拱架应力增加变快的现象。因此，钢拱架锈蚀影响了初期支护受力体系，破坏了初期支护受力的整体性，使得钢拱架自身安全系数降低，从而对整个初期支护的安全造成不利影响。

3　结论

（1）三维数值计算方法能很好地模拟隧道初期支护钢拱架与喷射混凝土之间受力整体性变化情况；

（2）锈蚀通过破坏钢拱架与喷射混凝土之间的粘结，从而对初期支护受力的整体性产生不利影响；

（3）钢拱架锈蚀率 0≤ ρ ＜5% 时，初期支护内部受力整体性较好；钢拱架锈蚀率 5%≤ ρ ＜55% 时，初期支护钢拱架与喷射混凝土粘结强度逐步减弱；钢拱架锈蚀率ρ 为 55% 左右时，初期支护钢拱架与喷射混凝土彻底分离，其受力整体性趋于 0；钢拱架锈蚀率 ρ＞55% 时，钢拱架内部应力迅速增加，安全系数迅速减小，最终钢拱架开始出现屈服现象。

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Numerical Analysis on Effect of Tunnel Steel Arch
Corrosion on Primary Support Force System

Zhou Guojun

The paper uses the three-dimensional numerical analysis method, studies the tunnel primary support steel arch corrosion caused by changes in the force system and the force transmission changes between steel arch and sprayed concrete. The analysis shows that the corrosion rate increases with the primary support steel arch, bond strength between steel arch and shotcrete gradually weakened, and the overall primary support internal force decreases, the internal stress of primary support steel arch increases while the safety coeffi cient decreases.

tunnel, primary support, steel arch corrosion, stress system, numerical analysis

U459.3

周国军：中铁二院工程集团有限责任公司，工程师，四川成都 610031

2015-10-21责任编辑 朱开明