隧道初期支护型钢格栅节点受力性能影响研究

文章编号:100429(2020)02012406

铁道标准设计

RAILWAY　STANDARD　DESIGN

Vol.　No.2Feb.2020

隧道初期支护型钢格栅节点受力性能影响研究

(1.北京建筑大学土木与交通工程学院,北京　100044;2.北京建工土木工程有限公司,北京　100015;

刘　军1,杨志男1,王利民2,高辛财3,韩　旭1

3.北京市政工程设计研究总院有限公司,北京　100082)

摘　要:初支二衬连拱隧道新型支护体系支护结构中钢架连接节点处为钢架的受力薄弱点,在隧道施工中应加强关注,但是,目前节点连接对于隧道初期支护钢架整体受力性能的影响仍不清楚,需要通过试验进行研究。基于此问题,按照初支二衬连拱隧道初期支护形式设置型钢、格栅分节及不分节四类构件,进行室内加载试验,研究设置节点对初期支护结构的力学性能影响,得到如下结论:设置节点会导致减小结构极限承载力,降低结构的强度、刚度,构件整体性下降;削弱型钢、格栅自身性能,降低型钢、格栅与混凝土间的协同作用,混凝土提前脱离工作;开裂提前,裂缝开裂、构件变形程度加重,构件出现斜拉破坏;对型钢混凝土类初期支护构件的影响要更显著,从结构内部来看,该影响体现在对钢架的影响。

关键词:隧道;初期支护;型钢;格栅;节点;加载试验;受力性能

中图分类号:U451+4　　文献标识码:A　　DOI:10.13238/j.issn.1004-29.201904020007

StudyonInfluenceofMechanicalPerformanceofSteel

GridJointsforInitialSupportofTunnel

(1.SchoolofCivilandTransportationEngineering,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,

LIUJun,YANGZhinan,WANGLimin,GAOXincai,HANXu1

1

1

2

3

Beijing100044,China;2.BCEGCivilEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100015,China;3.BeijingGeneral

MunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Beijing100082,China)

Abstract:Inthesupportingstructureofthenewsupportingsystemofthedouble-archtunnelwithprimary

supportandsecondarylining,thejointofthesteelframeistheweakpointofthesteelframe,whichshouldbepaidmoreattentionintunnelconstruction.However,theinfluenceofthejointconnectionontheoverallmechanicalperformanceoftheinitialsupportingsteelframeofthetunnelisstillunclearand

needstobestudiedthroughexperiments.Basedonthis,fourtypesofstructuralmembers,i.e.section

steel,gridsectionandnon-sectionmembersaresetupaccordingtotheinitialsupportformofthe

double-archtunnelwithprimarysupportandsecondarylining.Indoorloadingtestsarecarriedoutto

studytheinfluenceofsettingjointsonthemechanicalpropertiesoftheinitialsupportstructure.The

followingconclusionsareobtained:settingjointscanleadto:(1)Reductionoftheultimatebearing

capacityofthestructure,reductionofthestrengthandrigidityofthestructure,andreductionofthe

integrityofthemembers.(2)Weakeningtheself-performanceofsectionsteelandgridandreducingthe

synergisticeffectbetweensectionsteel,gridandconcreteseparatetheconcretefromworkinadvance.

(3)Thecrackingisadvanced,thecrackinganddeformationdegreeofthecomponentsareaggravated,andthecomponentssufferdiagonaltensionfailure.(4)Theimpactonsteelreinforcedconcreteprimarysupportmembersismoresignificant.Fromtheinsideofthestructure,theimpactisconcentratedonthe

收稿日期:20190402;修回日期:20190409

基金项目:北京市自然科学基金-北京市教委联合资助重点项目(KZ201810016021)

作者简介:刘　军(1965—),男,教授,博士后,1998年毕业于成都理工大学岩土与地下工程专业,工学博士,主要从事岩土与地下工程的教学与研究工作,E-mail:liujun01@tsinghua.org.cn。

steelframe.

Keywords:tunnel;initialsupport;sectionsteel;grid;joint;loadingtest;mechanicalper-formance

第2期刘　军,杨志男,王利民,等—隧道初期支护型钢格栅节点受力性能影响研究

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引言

为钢格栅及型钢两种[1]。针对其支护特性及设计方法,国内外学者做了大量研究。马栋等[2-4]通过现场试验研究了在隧道初期支护结构中采用高强钢筋,发现其可提供更好的支护效果。SeungjunKim等[5]通过

承载力,降低结构的强度、刚度,构件整体性下降;削弱型钢、格栅自身性能,降低型钢、格栅与混凝土间的协

钢拱架是隧道初期支护中重要组成部分,其可分

同作用,混凝土提前脱离工作;开裂提前,裂缝开裂、构件变形程度加重,构件出现斜拉破坏;对型钢混凝土类初期支护构件的影响要更显著,从结构内部来看,该影响体现在对钢架的影响。该结论可为隧道型钢格栅比选时,以及在实际施工考虑设置节点提供一定的参考价值。1　试验概况1.1　构件设计

型钢及格栅钢架节点受力性能对比试验试件编号X,试验室制作型钢喷混构件:尺寸0.44m(宽)×2.5m(长),见图1;格栅混凝土梁构件:0.3m(宽)×2.5m如下。

理论分析、室内试验方法对采用四角格栅初期支护结构的力学性能进行了研究,发现其可解决支护局部失稳问题。张德华等[6-10]通过现场试验与室内试验相结合的方式,分析型钢与格栅的适应条件。张厚江等[11]提出全封闭格栅钢架支护体系,阐述其优势,并通过室内试验及现场试验验证其可行性。梁中勇等[12]提出型钢拱架协同支护方案,并通过数值模拟进行验证,结果显示使用该方案后支护效果得到显著提升。也有很多专家改变型钢、格栅设计参数并对相应支护效果进但遗憾的是,还是存在一些盲区:在隧道工程实际施工中,受施工条件影响,钢拱架不得不分节,施作时再进行分部拼装。支护结构钢架的受力薄弱点为钢架连接节点处,目前钢架节点处基本采用钢板螺栓连接,但是,节点连接强度对于钢架整体受力性能的影响,或者说节点连接对于钢架刚度的减少有多少仍不清楚,需要通过试验进行研究。初支联拱二衬的新型矿山法隧道支护体系,是将大跨度的多心圆断面转化为两个跨度的小断面,初期支护采用型钢,二衬和防水施作,该方法具有施工工序简单、支撑拆除量少、造价低等优点[21]。基于上述问题,按照初支二衬连拱隧道形式———钢筋网+钢拱架或型钢+喷射混凝土,设置型钢格栅分节及不分节四类混凝土梁构件,考虑隧道衬砌主要承压,即使受拉,荷载也很小,通过室内加载试验对比,得到如下结论,设置节点会导致减小结构极限行了研究[13-20]。尽管有如此多关于型钢格栅的研究,

(长),见图2。试件高度均为300mm,构件节点布置

(1)钢架采用I20a,型钢不分节,记为A组构件;(2)钢架采用I20a,型钢中间分节,记为B组(3)钢架采用H170格栅钢架,钢架不分节,记为(4)钢架采用H170格栅钢架,钢架中间分节,记

构件;

C组构件;

为D组构件。

图1　型钢钢架混凝土梁(单位:mm)

图2　格栅钢架混凝土示意(单位:mm)

1.2　加载方案

考虑隧道衬砌主要承压,即使受拉,荷载也很小,

试验采用四分点荷载加载,加载装置如图3所示。支座应具有500mm以上高度。图中支座及垫板长度应

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铁道标准设计第卷

大Q345于试件宽度,图4为支座截面示意,在加载过程中支座可能出现滑移钢材,纵向长度为1800mm。支座采用,在底座梁上安装防此外考虑到试件滑装置,如图5所示。

图3　加载装置示意

图4　支座截面(单位:mm)

图5　支座防滑措施

试验构件主要受力由一榀钢拱架承担。不考虑混

凝土作用,以一榀工字钢拱架为对象计算荷载。构件为I20a型钢(材质Q235),材料屈服强度fy抗剪强度f=21分点荷载均为v=125FMPa,),在跨中四分点荷载状态下MPa、、支座分别出现弯矩最大(假设每个值、剪力最大值,由于工字钢浇筑在混凝土内部(不考虑其整体稳定性),为使构件破坏,经计算,在仅考虑177.工字钢梁的情况下24kN。

,试验加载千斤顶至少需要提供

考虑到上述荷载计算为考虑钢筋网片以及混凝土

作用,且未减去加载梁和分配梁自重,最终确定选用最大荷载为500kN(选用500kN千斤顶)。

采用单调分级加载为该试验加载机制。在加载至荷载计算值以前,每级加载值为荷载计算值的20%,达到此值后,每级加载值降至荷载计算值的10%,当构件出现明显弯曲现象后设置每级加载值降至荷载计

算值的5%。此外,每级加载时间相等,每级荷载加载

　完成后持荷15min。首次试验每级加载值为荷载计算值的10%,出现明显弯曲现象后,每级加载值适当放慢以防止出现意外状况。1.3　数据量测

通过直接加载的方式对试验构件加载,并通过荷载传感器读取施加于试件的荷载值,在后期数据处理过程中,试件所承担的荷载应加上分配梁自重和试件自重。

试验开始前应在试件侧面涂刷白色石灰浆,并绘制100mm×100mm的网格以便在试验过程中在侧面上画出混凝土裂缝。添加位移传感器测得跨中挠度,位移传感器量测范围为±50mm,梁跨中底部安装1个位移计进行量测。应变通过安装应变片测得,其安装

示意见图6。

图6　应变片安装位置示意(单位:mm)

2　设置节点对型钢构件性能影响

2.1　构件变形开裂过程

图7为构件A、B的开裂情况,图8为荷载-挠度曲线。

构件裂缝扩展情况:在破坏荷载作用下,裂缝首先在弯矩较大处构件跨中部位出现开裂。然后由于不同轴拉拔导致被迫放置的垫块引起局部应力,致使随着荷载的增加端部和混凝土局部裂缝数量逐渐增加,当达到极限荷载时裂缝数量不再增加,但裂缝长度与宽度逐渐变宽,当裂缝达到混凝土受压区不再扩展,宽度达到2~3mm,符合构件的破坏特征。

图7　A、B构件开裂情况

第2期刘　军,杨志男,王利民,等—隧道初期支护型钢格栅节点受力性能影响研究

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构件变形分3阶段,加载初期,构件荷载值随挠度增加呈线性增长,处于弹性阶段。继续加载,当构件开始出现垂直于构件沿轴向方向的裂缝时,构件处在携带裂缝工作阶段,于此阶段,构件强度、刚度降低,构件裂缝呈对称出现并增多,变形发展速度加快。加载至一定程度时,构件的荷载不再增加,挠度急剧增加,混凝土脱离工作,型钢承受主要荷载,此阶段为第三阶段,混凝土脱离工作阶段。

图8　A、B构件荷载-挠度曲线

加载早期,构件A、B均处于弹性阶段,二者挠度及承载力水平接近。继续加载,构件开始出现垂直裂缝,进入带裂缝工作阶段,A构件加载至70kN,占极限荷载的23.3%,挠度达到1.25mm,3条较短裂缝在构件A跨中纯弯段部位出现,裂缝延伸长度达到构件截面高的1/5。加载至110kN,达到极限荷载的36.7%时,挠度达到2mm,在离加载位置较远处剪弯段呈对称出现两条新的垂直裂缝。继续加载,裂缝向上延展,加载至280kN,所占比达到极限荷载的93.3%,挠度达到7.1mm,裂缝延展到构件高度的3/4,靠近受压区,构件挠度的增长速率骤增,混凝土脱离工作,加载至300kN,挠度达到11mm,此时荷载值为构件A的极限荷载值。

构件B加载至41kN,所占比达到极限荷载20%,挠度达到0.5mm,在构件跨中纯弯段出现2条裂缝,102.裂缝5延kN,伸所长占度比达达到到构极件限截荷面载高的50%,1/5。挠度加达载到至

裂缝长度达到构件宽度的1.85mm,在剪弯段出现21条裂缝/3。加载至,且有斜裂缝出现184.5kN,所,

占比达到极限荷载90%,挠度达到4.8mm,裂缝延展到构件高度3/4,接近受压区,混凝土基本丧失工作能力。加载至205kN,挠度达到6.15mm,此时荷载值为构件B的极限荷载。

型钢混凝土构件,设置节点,加载早期对构件的影响较小,二者挠度相差很小,构件未出现明显开裂。加载至构件携带裂缝工作阶段,出现裂缝荷载值及其占极限荷载值的百分比更小,构件提早出现裂缝,构件裂缝延展、变形发展更快,伴有斜裂缝出现。到达混凝土脱离工作能力时,其对应荷载值及其占极限荷载值的百分比更小,混凝土提前脱离工作,屈服极限到承载力44.极限4%。区域在整个加载过程也变短。达到,屈设置节点服时,极限承载力降低

度均显著降低,表现出较差的延性,伴有斜拉破坏,构件的强度。、刚2.2　应变-荷载关系

图9为构件型钢应变-荷载曲线及混凝土应变-荷载曲线。A、B构件中型钢在加载过程中应变呈稳150定增长趋势,构件B型钢应变一直高于构件A,在

A、BkN大,在构件位置200的,kN混构件位置凝土B,应型刚应变达到构件构件变随B加应变最大达到了构件载二者间差A距的越143%。来越A的276%,构件A、B分别在加载至300,200kN时,混凝土应变剧增,混凝土脱离工作,此值与在构件开裂变形观测到的混凝土脱离工作能力荷载值相近。设置节点会降低型钢、混凝土自身承载力水平和抵抗变形能力。

图9　应变-荷载曲线

在加载过程中,在构件中的混凝土与型钢间产生剪切力,也即黏结力,使得型钢与混凝土间的内力得到传递,保证二者共同作用。然而在实际加载过程中,二者间有相对滑移趋势,削弱二者间的传力效果。综合分析构件混凝土应变、型钢应变,二者差距越大,滑移现象越明显,构件A型钢应变最小可达到混凝土应变的20%,构件B则达到13%,可见,设置节点,型钢与

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铁道标准设计第卷

混凝土间滑移现象加重,型钢与混凝土间的黏结作用减小,减弱二者间的传力效果,使构件型钢与混凝土的协同作用变弱。

3　设置节点对格栅构件性能影响3.1　构件变形破坏过程

格栅混凝土构件整体裂缝扩展趋势及变形趋势同型钢混凝土构件11为构件的荷载-。挠度曲线图10为构件。

C、D开裂情况,图图10　构件开裂情况

图11　构件C、D荷载-挠度曲线

构件C、D在加载早期,构件承受荷载值随挠度增加呈线性增长趋势,处于弹性阶段,且相同挠度值下,136%。构件C对应荷载值高于构件D,最大可达到构件D的

挠度达到构件0.5Cmm,加载至出现702kN,条垂直裂缝在构件跨中位置达到极限荷载的31.1%,的纯弯段110kN,达到极限荷载的,裂缝长度延伸至构件高度的48.9%,挠度达到1/4。1.79加载至呈对称出现4条垂直裂缝在构件的剪弯段,裂缝长度mm,延伸至构件高度的1/3。加载至210kN,达到构件极限荷载93.3%,挠度达到7.69mm,裂缝长度延伸至构件高度的2/3,构件混凝土丧失工作能力,构件裂缝扩展mm,、变达到构件形发展加快。加载至225kN,挠度达到8.55构件D由于记录人员疏忽B的极限荷载。

,荷载实际对应裂缝值为图片中所记录荷载值kN,1/2。构件D加载至36.16

中纯弯段达到极限荷载的,挠度达到24.6%,出现2条垂直裂缝在跨1/3。加载至56.74kN,0.86达到极限荷载的mm,裂缝长度延伸至构件的

30.9%,挠度达到1mm,出现1条斜裂缝、2条垂直裂缝在剪弯段,158.裂缝长度最长延伸至构件高度的1/2。加载至

6.63kN,达到极限荷载的86.4%时,挠载至95mm,184.混凝土脱离工作79kN时,挠度达到,裂缝延伸至构件顶部度达9.06mm,荷载值达到构。到加件的极限承载力。

格栅混凝土构件设置节点,在加载早期就有影响,在弹性工作阶段相同挠度条件下最多降低26.4%的承载力。在构件加载第二阶段携带裂缝工作阶段,出现裂缝时的荷载值及其占极限荷载比率更小,构件提早出现裂缝,裂缝延展、构件变形发展更快,也伴有斜裂缝出现。到达混凝土脱离工作能力时,其对应荷载值及其占极限荷载值比率更小,混凝土提前脱离工作,屈服极限到承载力极限区域变短。在整个加载过程,构件D相比构件C减少17.9%的极限承载力,设置节点,构件的强度、刚度均显著降低,表现出较差的延性,出现斜拉破坏,且随加载产生的构件开裂、变形相比型钢混凝土构件,设置节点对格栅混凝土构件削弱效果更小。

3.2　应变-荷载关系

图12为构件的格栅应变-荷载曲线、混凝土应变-荷载曲线。加载过程中构件D型钢应变一直高于175构件kNC,位且构件置处构D的应变增长速率要高于构件113%。件D格栅应变可达到构件C,C的在在170kN构件位置D,的混凝土应变在加载过程高于构件构件C混凝土应变达到了构件DC,的

图12　应变-荷载曲线

第2期刘　军,杨志男,王利民,等—隧道初期支护型钢格栅节点受力性能影响研究

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282%。力水平以及抗变形能力格栅设置节点,会降低构件型钢。其中,对比型钢混凝土类构、混凝土承载件与格栅混凝土类构件,设置节点对构件中钢架变形的影响,型钢混凝土类构件更显著,对混凝土变形影响,两类构件差异不大。

综合分析构件混凝土应变、格栅应变,在混凝土未失去工作能力前,构件C型钢应变最小可达到混凝土应变的18%,构件D型钢应变最小可达到混凝土应变的12%。对格栅混凝土构件,设置节点,也会降低格栅与混凝土间的黏结力,削弱格栅与混凝土协同作用,且与型钢混凝土构件相比,对构件混凝土与钢架间共同工作能力的影响二者差异不大。4　结论

在隧道工程实际施工中,受施工条件影响,钢拱架不得不分节,施作时再进行分部拼装。通过室内加载试验,研究设置节点对型钢、格栅混凝土初期支护结构力学性能的影响,得到如下结论。

限承载力(1)设置节点,减小格栅混凝土构件,会减小型钢混凝土构件17.9%极限承载力44.4%极

,降低初期支护结构构件的强度、刚度。降低型钢、格栅自身性能,型钢、格栅与混凝土间的黏结作用变差,对型钢、格栅与混凝土的协同工作性能不利,提早使混凝土脱离工作构变形(2)、裂缝扩展设置节点。

,,构件开裂程度更严重使构件开裂提前,加载时,在剪弯段出,加快结现斜裂缝(3)在设置节点对初期支护结构影响中,构件出现斜拉破坏。

混凝土构件影响体现在加载后期构件带裂缝工作阶,对型钢

段,对格栅混凝土类构件影响体现在加载全过程。设置节点对型钢混凝土构件性能影响要显著强于格栅混凝土类构件件,设置节点对构件钢架影响显著(4)从结构内部来看。

,对比型钢格栅混凝土类构

,但对构件混凝土结构变形及钢架混凝土共同工作能力削弱程度,两类构件相近置节点(5)。

,选用型钢拱架支护隧道工程实际施工时,应着重考虑节点设置对隧,在可能的情况下,少设

道的影响,建议在工程允许的情况下优先使用格栅拱架支护。

参考文献:

[1]　关宝树61-81.

.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社,2003:[2]　马栋护效果研究,谭忠盛[J].,丁远振土木工程学报,等.高强钢筋格栅在,2017,50(S2):14Ⅴ级围岩隧道中的支

-20.[3]　果研究丁远振[J].,谭忠盛土木工程学报,马栋.高强钢筋格栅在,2017,50(S2):98Ⅳ级围岩隧道中的支护效-104.[4]　[D].丁远振.高强钢筋格栅在铁路隧道中的适用性与施作技术研究[5]　KimformanceS北京J,Han:北京交通大学TH,BaekJ,2018:50S,etal.-.

Evaluationofthestructuralper-Structures,of[6]　张德华应性现场,刘士海2013,13(1):31tetragonallatticegirders[J].InternationalJournalofSteel对比,试任少强验研究.高地应力软岩隧道中型钢与格栅支护适

-47.

[J].岩石力学与工程学报,2014,33[7]　(11):2258张顶立[J].工程力学,陈峰-2266.

,宾房倩,2014,31(7):78.隧道初期支护结构受力特性及适用性研究[8]　谭忠盛-84.

的对比试验,喻渝[J].,王明年岩土工程学报,等.大断面黄土隧道中型钢与格栅适应性

,2009,31(4):628-633.[9]　[D].章良兵北京.大跨矿山法隧道新型支护结构关键技术研究及工程应用[10]杨成永:北京建筑大学,2017:19-40.

西南交通大学学报,欧阳杰,陆景慧,2014,49(2):2.隧道型钢钢架初期支护安全性评价-259.

[J].

[11]张厚江巷道变形破坏的研究与实践,焦玉勇,孟昭君,等.用全封闭格栅钢架控制膨胀性软岩

[J].岩石力学与工程学报,2017,

[12]36(S1):3392梁中勇-3400.

支护研究,饶军应[J].铁道建筑,聂凯良,,2018,58(9):46等.复杂地质条件下隧道型钢拱架协同

-49.[13]能的影响安永林,欧阳鹏博[J].公路,岳健,2017(12):275,等.隧道初期支护型钢开孔对其安全性-281.

[14]关宝树36(2):123.漫谈矿山法隧道技术第四讲-130.

-钢架[J].隧道建设,2016,[15]刘浩[J].,铁道标准设计章慧健,张万斌,2017,61(11):71,等.关于复合式衬砌整体计算模型的思考[16]曹文昭,郑俊杰,周燕君南大.学双向和三向土工格栅筋土界面特性对比

-75,81.试验研究[J].湖学报(自然科学版),2019,46(1):

[17]109刘宽-116.

分析,[J].肖成志深圳大学学报,王子寒.格栅防护埋地管道的承载特性及设计参数

(理工版),2019,36(1):52-60.

[18]李树忱学特性研究,晏勤[J].,谢璨岩石力学与工程学报,等.膨胀性黄土隧道钢拱架,2017,36(2):446-格栅联合支护力

-456.[19]验研究郑俊杰[J].,曹文昭岩土力学,周燕君,2017,38(2):317,等.三向土工格栅筋-324.

-土界面特性拉拔试[20]吕伟华与设计方法,缪林昌[J].,王非岩石力学与工程学报.基于不完全土拱效应的土工格栅加固机制

,2012,31(3):632-639.[21]响分析尤田,刘军[J].,王利民市政技术,等,2016,34(3):86.型钢运输装置对联拱隧道初支结构的影

-.