钢纤维混凝土隧道管片的力学性能试验研究

2024-03-27 08:42郭耀华
水利技术监督 2024年3期
关键词:钢纤维管片宽度

郭耀华

(枣庄市市中区城乡水务事业发展中心,山东 枣庄 277100)

盾构隧道技术广泛应用于软土地基条件下的隧道施工,大多数隧道采用常规的钢筋混凝土隧道管片。由于混凝土的抗拉强度低,有明显的脆性,传统的钢筋混凝土隧道管片在制作、养护、搬运和安装过程中容易出现裂缝或损坏。此外,宏观裂缝的存在对隧道的安全性、透气性、使用寿命和耐久性都有很大的影响。

纤维增强混凝土(FRC)是一种复合材料,特别是在隧道掘进机建造的隧道衬砌管片时,使用FRC管片具有许多优点。传统的钢筋加固隧道段通常容易受到腐蚀。使用钢纤维增强混凝土(SFRC)可以缓解这一问题,因为钢纤维可以部分或完全替代传统的钢筋笼。SFRC改善了隧道预制件的力学响应,提高了隧道预制件的延性和耐火性能,提高了隧道预制件在瞬态荷载阶段的力学性能。此外,在制造、养护、处理和安装过程中,SFRC管段通常比传统的钢筋管段表现更好。SFRC管段在世界各地的隧道工程中得到了有效的应用,因为钢纤维可以提高混凝土的开裂后抗拉强度,改善混凝土的韧性、抗裂性能和耐久性。

然而,由于缺乏专门的SFRC管片设计规则,工程师通常采用与传统混凝土管片相同的规则或基于国家有关FRC结构设计规范进行SFRC管片设计。全尺寸试验是研究钢纤维混凝土管片的力学性能的有效方法之一。目前,研究管片的力学行为通常采用三点弯曲或四点弯曲条件下的试验方法。由于这些试验一般只在垂直荷载下进行,隧道两端在水平面上的变形是自由变形,与实际工作条件有很大的不同。

本文采用一种新的双轴加载方法,对3个全尺寸SFRC隧道管片进行了测试。从跨中纵向钢筋和混凝土的荷载-应变关系、荷载-挠度关系、中性轴位置和裂缝形态等方面研究钢纤维混凝土隧道管片的力学性能。

1 实验方案

1.1 材料

混凝土配合比的设计目标是28d抗压强度为55MPa。用于制备隧道管片的混凝土混合料见表1。

表1 混凝土配合比

水泥选用P.O42.5普通硅酸盐水泥,粉煤灰为一级粉煤灰,粗骨料采用最大粒径为10mm的建筑碎石,细骨料采用天然河砂。通过坍落度试验确定减水剂的掺量。制备了22和30kg/m3钢纤维掺量的混合料,对纤维掺量不同的SFRC隧道管片的力学性能进行了评价。

本文研究了钢纤维和钢筋对SFRC节段力学性能的共同作用。钢纤维的长度为6cm,直径为0.75mm。所有隧道段的纵筋和箍筋均为三级钢,公称直径分别为12和6mm。

1.2 测试设置

以国内某隧道为例,通过断面分析法,利用有限元软件进行计算。使用阶段弯矩和轴力设计值分别为199KN·m和-812KN。在满足极限状态的前提下,综合考虑相关成本,确定了混合配筋的最优方案。对尺寸长550mm×宽150mm×高150mm的梁进行了测试。SFRC开裂后残余抗弯强度和应变值见表2,fR1和fR3为开口梁3点弯曲试验得到的comd1=0.5mm和comd3=2.5mm时的弹性弯拉残余强度值。ε2和ε3为第二线应变和第三线应变,fftu为SFRC开裂后残余抗弯强度。

表2 SFRC开裂后残余抗弯强度和应变值

本文共设计3个试验段,试验段的钢纤维和钢筋用量以及弯矩承载力(MRd)和裂缝宽度(w)见表3。SFRC隧道管片的跨度为2938mm,横截面尺寸为宽1000mm×高280mm。

表3 3个试验段的设计参数

试验采用自反应钢框架和液压千斤顶,采用双轴比例加载。与传统的无轴向载荷加载法相比,如图1所示,双轴加载法可以同时进行垂直和水平加载,如图2所示,并且加载过程中水平载荷(FN)与垂直载荷(F/2)的比例可以通过加载系统进行调节。水平载荷和竖向荷载由4个液压千斤顶和两台电动泵施加。主要试验变量包括竖向位移、钢筋纵向应变和混凝土应变、中性轴位置和裂缝模式。

图1 无轴向载荷加载法

图2 双轴加载法

1.3 测试程序

施加的水平荷载以稳定的速率增加,直到结构失效。当水平载荷发生变化时,智能液压控制系统自动加载由公式(1)计算出的新的垂直载荷。观察加载过程中每个阶段的变化,对裂缝宽度、位置等进行记录。

(1)

2 结果与讨论

2.1 抗压强度

3组混凝土的平均抗压强度如图3所示。可以看出,3组SFRC的平均抗压强度均大于55MPa。因此,本文所提出的混凝土配合比设计能较好地满足抗压强度要求。通过对3组数据的对比,钢纤维的加入对硬化混凝土的抗压强度无显著影响。

图3 混凝土的平均抗压强度

2.2 跨中纵筋应变

3段管片的水平荷载与跨中纵筋应变的关系如图4所示。可以看出,3个管片的跨中钢筋纵向应变变化规律具有一定的相似性。变化曲线可分为4个阶段。在大约0~400kN的水平载荷下,荷载与应变呈线性相关。随着水平荷载逐渐增加,荷载与应变呈现非线性,且曲线斜率逐渐减小,直到达到水平荷载的第一个极限(微应变约为400),此时曲线斜率趋于零。随着裂纹的继续发展,曲线几乎保持在一个恒定的水平,直到达到水平荷载的第二个极限(微应变约为1200)。在此阶段(微应变约为400~1200),裂缝形成,荷载逐渐通过裂缝传递到钢纤维。最后,纤维被拔出或断裂时,拉应力主要由钢筋承担,因此纵向钢筋的应变随荷载的增加而增大。

图4 3段管片的水平荷载与跨中纵筋应变的关系

3段管片跨中纵筋的初始微应变表现相似,直至微应变约为140。但当微应变大于140时,S-30-6段纵向钢筋的应变始终是最大的。钢纤维在混凝土中均匀分布,纵向钢筋主要应用于受拉区。因此,在受拉区使用钢筋比使用钢纤维更有助于降低纵向钢筋中的应变。在荷载达到1350微应变之前,在相同荷载水平下,S-30-8跨中纵向钢筋的应变小于S-22-8。这是因为钢纤维在管片中限制了应变大小和微裂纹的形成,从而导致跨中纵筋的应变降低。相同钢纤维掺量相同水平荷载时,S-30-6跨中纵筋应变大于S-30-8,符合预期。从图中可以看出,钢纤维掺量越高,在减小纵向钢筋应变方面效果越明显。钢纤维有助于降低纵向钢筋的应变,因为钢纤维增强了混凝土的抗拉能力,部分承担了纵向钢筋的拉应力。

2.3 跨中截面应变

不同水平荷载作用下跨中截面应变分布如图5所示。可以看出,随着水平荷载的增加,中性轴的位置逐渐向上偏移。在400kN水平荷载作用下,S-30-6和S-22-8的底部翼缘出现了初始开裂,距离底部表面70mm处S-30-6段的应变分别约为S-30-8段和S-22-8段应变的14.1倍和2.8倍。

图5 不同水平荷载作用下跨中截面应变分布

从图5可以看出,在相同荷载水平下,S-30-6混凝土的最大压应变始终大于其他两段的最大压应变。在水平荷载为1000kN时,S-30-6混凝土的最大压应变约为1489,分别约为S-30-8和S-22-8最大压应变的5.4倍和1.9倍,而3段的中性轴位置几乎相同。通过力学分析可知,S-30-6的纵筋受拉应变最大。这一趋势与先前在跨中纵向钢筋的应变结果一致。在所有水平荷载作用下,测得的3段应变分布几乎是线性的。

由图5可以看出,S-30-8的水平荷载达到600kN之前,中性轴的位置基本保持不变,超过600kN后明显向上偏移。在相同水平荷载下,S-30-6的中性轴位置始终高于S-22-8。在最终水平荷载作用下,3段管片的中性轴位置距底面分别约为221.5、215.3和201.8mm。

2.4 荷载位移响应

3段管片在水平荷载作用下的支座水平相对位移和跨中竖向位移如图6—7所示。可以看出,3段的支座水平相对位移和跨中竖向位移有一定的相似性。配筋率和钢纤维含量对管片的刚度有影响,因此对荷载-位移曲线也有影响。

图6 3段管片在水平荷载作用下的支座水平相对位移

图7 3段管片在水平荷载作用下的跨中竖向位移

在裂纹产生前(水平载荷约0~400kN)荷载和位移呈线性上升趋势。随着裂缝数量的增加,3段的荷载-位移曲线线性增加,直到达到水平荷载的第一个极限(约700KN)。随着裂缝的发展,钢纤维对裂缝发展的限制越来越明显,该阶段的曲线斜率比上一阶段的曲线斜率略有下降。随着裂缝的发展,荷载逐渐通过裂缝传递给钢纤维,直到达到水平荷载的第二个极限(约800KN)。最后,随着纤维被拉出或断裂,载荷进一步增加,直至峰值载荷。在荷载水平为880kN时,3段跨中竖向位移基本相等,然后曲线斜率逐渐减小,直至达到峰值荷载。在最后3个阶段,相同水平荷载时,S-30-6跨中位移最小,说明S-30-6的柔度高于其他两段。从图中可以明显看出,配筋率越低,变形越大。相同配筋率下,纤维含量越低,变形越大。

2.5 开裂模式

3段管片的平均裂缝间距和最大裂缝宽度与水平荷载之间的关系如图8—9所示。可以看出,钢纤维含量越高,平均裂缝间距越大,最大裂缝宽度越小。然而,在大于1000kN的水平荷载作用下,3段的平均裂缝间距趋于均匀。在设计荷载下,S-30-8、S-30-6和S-22-8的试验最大裂缝宽度分别比表3中的计算值小28.1%、22.3%和13.7%。可以看出,较高的纤维含量会增大试验值与计算值之间的误差。

图8 3段管片的平均裂缝间距与水平荷载之间的关系

图9 3段管片的最大裂缝宽度与水平荷载之间的关系

3段管片初始裂缝(w0)、最大裂缝宽度0.2mm(w0.2)和0.3mm(w0.3)对应的水平荷载见表4。

表4 3组管片在w0、w0.2和w0.3对应的水平荷载

与S-30-8相比,S-30-6的配筋率降低了25%,开裂荷载降低了22.2%,裂缝宽度为0.2和0.3mm时的荷载分别降低了14.3%和7.1%。与S-30-8相比,S-22-8的纤维含量降低了26.7%,开裂荷载降低了40.3%,裂缝宽度为0.2和0.3mm时的荷载分别降低了19.7%和12.4%。

与S-30-8相比,S-30-6抗拉钢筋减少量与S-22-8钢纤维减少量大致相等,但S-30-6的开裂荷载比S-22-8的开裂荷载大23.3%,裂缝宽度为0.2和0.3mm时,S-30-6的荷载分别比S-22-8大6.3%和5.7%。因此,钢纤维比纵向钢筋更能有效地提高开裂荷载,最大裂缝宽度大于0.2mm时,钢纤维和钢筋提高的承载力基本相同。

3 结语

本研究对全尺寸SFRC隧道管片进行双轴加载试验,比较钢纤维含量和纵向钢筋用量的SFRC隧道管片的力学性能影响,结果表明。

(1)钢纤维的使用延缓了混凝土开裂的初始冲击,钢纤维掺量越高,在减小纵向钢筋应变方面效果越明显。钢纤维有助于降低纵向钢筋的应变。

(2)配筋率和钢纤维含量均会对荷载-位移曲线产生影响。配筋率越低,变形越大。相同配筋率下,纤维含量越低,变形越大。

(3)纵向钢筋比钢纤维更有利于降低跨中截面的拉应变和挠度。钢纤维在提高开裂载荷、抗裂性能和韧性方面表现较好。钢纤维与钢筋的组合是提高隧道管片承载能力和韧性的有效方法。

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