基于ANSYS的复合材料隧道区间加固分析

钟 洋，杨春旭，李先一

(1.中铁隧道勘察设计研究院有限公司,广东 广州 511400; 2.广西科技大学土木建筑工程学院,广西 柳州 545006; 3.南昌交通学院,江西 南昌 330000)

0 引言

地铁盾构隧道受到外部作用影响后,管片的应力状态将产生变化,导致盾构管片横纵变形增加,进而产生裂缝[1]。故工程实例中,需对既有隧道进行长期监测,针对已发生病害的隧道管片,需采取必要的加固措施[2]。粘贴纤维布加固法和粘贴钢板加固法是目前盾构隧道加固的两种传统方法[3-4]。纤维布只能受拉而无法受压,只能在管片拱顶和拱底产生作用。传统的粘贴钢板加固法对管片拱腰内侧受压区作用有限,且具有构件自重大、施工难度高等缺点,故亟需设计一种新型加固体系[5-6]。

1 设计参数

新型复合加固材料中心为C60混凝土,混凝土外侧包裹一层钢材,最外层为复合纤维材料。加固材料具体尺寸及加固方式如图1所示。

复合钢环的弹性模量和抗压强度应满足表1要求。

表1 复合型材力学性能

2 荷载取值

为了全面分析新型复合型材在不同荷载水平下的加固效果并得到安全经济的加固方案,分别计算埋深为12 m,15 m,17 m及20 m的隧道模型。计算出各方向荷载如表2所示。

表2 隧道不同埋深的荷载水平

3 有限元分析

3.1 无加固措施

隧道埋深增加时,其侧压力也随之增加,使得隧道管片的变形量增加。故为了更加直观地反映高强复合钢环加固的效果,以埋深为20 m的盾构隧道为例进行分析,采用实体单元进行建模,同时为了保证计算结果的精确性将网格划分为若干个四边形,得到的计算模型如图2所示。

经过计算得到隧道管片的变形情况如图3所示。从图3中可知,盾构隧道管片受到侧压力作用后,隧道管片将产生明显的收敛变形,最大横向变形位于隧道拱腰处,其值为15.5 mm。最大纵向变形位于隧道的底部,其值为17.4 mm。地铁盾构隧道的长期堆载较大,故实际的收敛变形更大。隧道管片的收敛变形若不及时处理,变形量会逐渐增加,因此有必要对该区段进行加固。

3.2 盾构隧道高强复合钢环加固

为了研究不同加固间距对隧道加固效果的影响,建立了复合钢环间距为1.2 m,0.6 m,0.4 m的模型,如图4所示。

3.2.1 隧道复合钢环加固间距为1.2 m分析结果

对图4(a)中的单环模型进行非线性分析,得到加固结果如图5所示。

从图5可知,加固一榀后水平变形最大值为12 mm,相较于未加固的管片,变形减少了22%。竖向变形最大值为13.5 mm,相较于未加固的管片,变形减少了21%。加固材料的von Mises应力最大值出现在管片的拱腰处,其值为125 MPa。从结果来看,采用复合钢环加固后,管片的水平变形量和竖向变形量都明显减小,从而说明采用复合钢环加固盾构隧道是有效的。

3.2.2 隧道加固间距为0.6 m分析结果

对图4(b)中的双环加固模型进行分析,得到结果如图6所示。

从图6可知,加固两榀后水平变形最大值为10.4 mm,相较于未加固的管片,变形减少了33%。竖向变形最大值为11.5 mm,相较于未加固的管片,变形减少了32%。加固材料的von Mises应力最大值出现在管片的拱腰处,其值为94 MPa。将以上结果与单环加固的结果进行比较可知,采用两榀复合钢环加固后,隧道管片水平变形减少了9%,竖向变形减少了15.5%,复合钢环的应力减小了25%。从以上结果可知,复合钢环加固效果与加固间距之间有明显的正相关关系。

3.2.3 隧道加固间距为0.4 m分析结果

对图4(c)中的三环加固模型进行分析,得到管片的变形及钢环的应力如图7所示。

从图7可知,加固两榀后水平变形最大值为8.7 mm,相较于未加固的管片,变形减少了43.8%。竖向变形最大值为9.8 mm,相较于未加固的管片,变形减少了42.3%。加固材料的von Mises应力最大值出现在管片的拱腰处,其值为87 MPa,最大应力进一步减小。与加固两榀钢环的情况相比,水平变形减少了16.3%,竖向变形减少了14.7%,复合钢环的应力减少了8%。

4 复合钢环加固效果分析

将管片未加固的变形量与加固后的变形量进行比较,其结果如表3所示。

表3 各加固方案对比

对表3的加固环数与横/纵向变形减小量进行线性拟合,得出的关系如图8和图9所示。

从图8,图9可知,随着管片加固榀数的增加,椭圆度和收敛位移均减小,加固效果逐渐提高,复合钢环加固数与隧道管片变形量之间存在正相关关系。相同加固榀数下,随着隧道埋深的增大,加固效果也逐渐提高,上图直线的斜率也在逐渐增加。所以浅埋隧道进行复合钢环加固时,可以采用单环或双环进行加固,此时这种加固方式较为经济。对于深埋较大的隧道则采用三环加固的方法,此时效果更明显。

5 结论

1)本文对采用复合材料加固的管片进行有限元分析,得到了管片应力和应变变化情况。分析结果显示,采用复合材料对盾构隧道管片进行加固,可以明显提高管片的极限承载力,且可以减小管片变形。

2)随着管片加固榀数的增加,其横纵变形量逐渐减小,复合钢环的应力也随之减小,加固环数与横纵变形减小量之间呈线性正相关关系。随着隧道埋深的增加,变形减小量也随之增加,加固效果越好。

3)本文仅进行了有限元分析,而未进行试验,还需对采用复合钢环加固的管片进行监测。