修补裂损衬砌的板式短锚组合结构参数研究

作     者：王瑜 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：龚伦

授予年度：2019年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：裂损衬砌 板式短锚组合结构 虚拟追踪单元 参数优化 修补时机 

摘      要：随着我国隧道营运里程逐年增加,衬砌裂缝作为一种典型的隧道病害对既有隧道结构稳定性及运营安全性产生了严重影响,因此对于衬砌裂缝修补与加固方法的研究刻不容缓。修补裂损衬砌的板式短锚组合结构具有锚固件连接牢固、预制方便、施工便捷等优点,并且能够快速提升裂损衬砌承载能力,已有学者对该修补方法进行了相关的研究。但是对于板式短锚组合结构的研究尚处于初步阶段,组合结构中相关参数对其修补效果及力学状态的影响规律仍不明确。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,通过资料调查与理论分析对修补裂损衬砌的板式短锚组合结构方法进行了深入研究,并采用开裂-修补全过程模拟的有限元分析方法对板式短锚组合结构相关参数及力学状态进行了研究,得出主要结论与成果如下:(1)通过对板式短锚组合结构的受力状态分析,得出了考虑修补结构二次受力条件下加固钢板存在滞后应变的组合结构承载力计算方法并提出了板式短锚组合结构的参数优化方法。(2)基于虚拟追踪单元方法提出了板式短锚组合结构修补裂损衬砌时的开裂-修补全过程有限元计算方法,使数值模拟更加符合工程实际。(3)针对板式短锚组合结构相关参数进行了数值模拟并得到结论如下:(1)短锚布置间距减小可以提高组合结构整体承载力,密集布置的短锚能够更加充分的发挥修补结构的加固效果,在本文所研究工况下短锚间距应不大于40cm。同时,短锚采用梅花形布置能够有效缓解钻孔对混凝土损伤效应集中而出现软弱面,使混凝土张拉损伤得到分摊,从而提升组合结构承载能力。(2)短锚在组合结构中发挥连接加固钢板与混凝土的作用,当锚固长度小于13.5cm(30%衬砌厚度)时,修补结构刚度降低,外排短锚呈现出明显的变形趋势,构件极限承载力严重降低。同时钢板与混凝土间的荷载主要由远离跨中的外排短锚承担,内排短锚长度对组合结构承载力影响较小。故组合结构中外排短锚长度不宜小于30%衬砌厚度,并且短锚外排较长内排较短的差异化布置是较为理想的布置形式。(3)组合结构中钢板厚度参数对构件极限承载力有直接的影响,厚度小于8mm时钢板由于刚度减小导致变形急剧增加,承载力明显降低,增加钢板厚度可以有效提高修补结构的整体刚度及构件整体承载能力。钢板厚度为12mm时,继续增加厚度值对组合结构极限承载力的提升效果不明显,故组合结构钢板厚度应选取为8至12mm。(4)修补时机的提前能够有效抑制跨中裂缝的深入发展,提高构件极限承载力。当跨中裂缝发展至20%衬砌厚度之后进行修补时,构件剩余承载力已无法达到完整构件承载能力,所以修补结构施作时机应控制在裂缝深度发展至20%衬砌厚度之前。