用于盾构隧道进口的玻纤筋混凝土板的数值分析.pdf

第 2 5卷第 2期 2 0 0 8 年 6 月 华 中科技大学学报 ( 城 市科 学版) J ．o f HUS T．( Ur b a n S c i e n c e Ed i t i o n) Vo 1 ．2 5 No． 2 J u n ． 2 0 0 8 用 于盾构 隧道进 口的玻 纤筋 混凝 土板 的数值分 析 翟世鸿 ， 郑俊杰。 ， 孙 慧。 ， 罗君君。 ( 1 ． 中交集团桥隧技术重点 实验室 ， 湖北武汉 4 3 0 0 7 1 ； 2 ． 华 中科技大学a ． 土木工程与力学学 院 ． b ． 控制结构湖北省重点实验室 ， 湖北武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘要 ： 通过 ANS YS对用于盾构隧道进 I= i 的玻 璃纤维筋 混凝土双 向板 的受弯性能进行 了非线 性全过程分析 ， 并对玻璃纤维筋混凝土双 向板和钢筋混凝 土双 向板的受力机理进行 了分 析比较 。 结果表明 ， 通过合理选择有 限 元 数值模 型 ， 可 以较 好地模 拟玻 璃纤维筋 混凝 土双 向板的受 弯性能 ， 玻璃纤维 筋混凝 土双 向板的跨 中挠度较 大 ， 但其极限承载力 比钢筋混凝土双 向板 的高 ， 可以满足盾构隧道进 口处挡土墙 的强度要求 。 关键 词： 盾构隧道 ； 玻 璃纤 维筋 ； 混凝土 ； 双 向板 ； 数值 分析 中圈分类 号： T U3 7 7 ． 9 1 文献标识码 ： A 文章编 号： 1 6 7 2 — 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 2 — 0 0 4 2 — 0 4 通 常 盾 构工 法 中的 始发 、 到 达 竖 井用 钢 筋混 凝土或钢材构筑 ， 用盾构机掘削刀具直接掘 削这 些竖 井 的井 壁 ( 或挡 土墙 壁 ) 进行 盾 构 的 进 、 出洞 的开 口作业极为困难。近年来 ， 随着大深度 、 大断 面化的盾构需求迅速增加 ， 盾构直接掘削纤维筋 混凝 土工 法 问 世 ， 即 把盾 构 要 穿过 的挡 土 墙 上 的 相应部位用纤维筋混凝 土制作[ 1 ] ， 可用一般 盾构 机 的切 削刀具 直 接切 削 ， 达到盾构 机 的直 接 进洞 、 出洞 。 自 2 0世纪 8 0年代 中期 ， 纤维筋 ( F RP) 作 为 一 种 新 型 材 料 在 土 木 工 程 中 的应 用 越 来 越 多 。 1 9 9 8年 ， Al s a y e d [ 2 ] 对 3组 GF RP筋 混凝 土梁 和 1 组钢筋混凝土梁进行了抗弯性能对 比试验 ， 试验 结 果 表 明 ， GF R P筋 混凝 土梁 的结 构 性 能 在 很 多 方 面类 似于 普通 钢 筋混凝 土梁 。 J a n e t 和 C h r i s对 部 分 粘结 F RP筋 预应 力 混凝 土 梁 进行 了 试 验 研 究 和 理论 分 析[ 3 ] ， 得 出 F R P筋部 分 预应 力 混凝 土梁 的开 裂位 置 、 极 限荷 载和转 角 。 目前 ， 国外 进 行 了大量 的 F RP筋粘结性能试验[ 5 ] ， 包括拉拔 试 验 和梁式 试 验 ， 得 出了 F R P筋与 混凝 土 间 粘结 性 能 的影 响 因素 。使 用性 能优 良的 GF R P筋 来部 分代替钢筋或预应力钢筋用在混凝土结构 中， 在 美国、 日本和德 国等已有大量的相关研究L 7 ] ， 形 成 了设计 和 施工 的 一整套 规 范文件 。 到 目前 为 止 ， 玻 璃 纤 维 筋 混 凝 土 双 向板 的理 论 尚不 成熟 ， 必 须 通过三维实体非线性分析才能很好地掌握其力学 性 能 。本文 应 用 ANS YS有限 元程 序对 玻 璃纤 维 筋混凝土双向板的受弯性能进行非线性全过程分 析 ， 为玻 璃纤 维筋 混凝 土构件 的应 用提 供参 考 。 1 玻璃纤维筋简介 玻璃纤 维 筋 由多股连 续纤 维和 基底材 料通 过 浸胶 槽 进行 胶 合后 ， 再 经过 特 制模 具 挤 压 与拉 拔 成 形 。 玻璃 纤维 筋是 目前 常用纤 维材 料 之一 ， 与普 通钢筋相比有如下特点 ： ( 1 ) 比钢筋抗拉强度高 ； ( 2 ) 剪切强度主要取决于树脂性能， 其剪切强度往 往很低； ( 3 ) 抗拉弹性模量远低于钢筋 ， 一般为 4 0 ～ 5 5 GP a ， 约 为钢筋 的 1 ／ 4 ， 抗 压弹 性模 量 小 于抗 拉弹性模量 ； ( 4 ) 玻璃纤维筋是由玻璃纤维丝与树 脂 材 料 组 成 的 复合 材 料 ， 具 有 良好 的 电、 磁 绝 缘 性 ， 不 会 影 响磁 场及 电磁 波 ， 极适 合 需 考 虑 电 、 磁 影响而不能使用钢筋混凝土构件的情况； ( 5 ) 对氯 离子 及其 它化 学腐蚀 具 有很 好抵抗 能 力 ； ( 6 ) 具 有 优 良的抗 徐变 性能 ； ( 7 ) 有 良好的抗 疲 劳性 能 ； ( 8 ) 重 量 轻 ， 仅 为钢筋 的 1 ／ 4 ， 有 利 于玻 璃 纤维 筋 的 运 输 和安 装 ； ( 9 ) 热稳定 性较 差 。 由 于该 材 料具 有 许 多优 异 的 性 能 ， 再 加 上 桥 梁 、 近 海 建 筑 物 、 临水 设 施 、 土 工 加筋 材 料 的 日益 增 加 ， 纤 维筋 及 其增 强混 凝 土 结构 将 得 到 更 广 泛 的应用[ 9 ] 。玻璃纤维筋与普通钢筋 的物理力学性 能见 表 1 。 GF R P筋受拉时为脆性破坏 ， 可达到极 限强 度 而 不 出现任 何屈 服 现象 。GF RP筋的 拉伸 强 度 收 稿 日期 ：2 0 0 7 — 1 1 — 1 9 作者简介 ：翟世鸿( 1 9 6 9 一 ) ， 男 ， 湖北京山人 ． 高级工程 师 ． 硕士 ． 研究方 向为桥 梁与隧道工程 ， z h a i s h i h o n g 9 9 @1 6 3 ． c o m。 基 金项 目：中交 集团二航局 2 0 0 6年度重点科技攻关项 目( K J 一 2 0 0 6 0 5 ) 。 维普资讯 第 2期 翟世鸿 等 ： 用 于盾构 隧道进 1：3的玻 纤筋混凝土板 的数值 分析 。4 3‘ 随 直 径 而 变 ， 直 径 大 的 GF RP筋 的 强 度 和 效 率 低 。表 2列 出不 同直 径 GF RP筋 ( 长 度 不 大 于 6 m) 的拉 伸强 度 和弹性 模量 。 表 1 玻璃纤维筋与 普通 钢筋的力 学性能 表 2不同直径 G F R P复合材料 筋的拉伸 强度 直径 ／ mm 拉伸强度／ MP a 弹性模量 ／ GP a 2 ANS Y S有 限元分析 2 ． 1基本 假定 ( 1 ) 钢筋与 混凝 土 粘结 良好 ， 两 者 之 间无 相 对 滑移 ； ( 2 ) 只允许在每个积分点正交 的方 向开裂； ( 3 ) 裂缝 采 取 分 布模 型 的 处理 方 式 ； ( 4 ) 混 凝 土 初 始 是各 向同性 的； ( 5 ) 假设混凝 土会发 生塑 性变 形 ， 并 假设在开裂和压碎之前 ， 塑性 已经完成 。 2 ． 2玻 璃 纤维 筋 混凝 土结构 有 限 元模 型 采用分离式位移协调模 型 ， 令增强材料 和混 凝 土共用一个节点， 分别计算增强材 料和混 凝土 对 单 元 刚度 矩阵 的 贡献 。 在建 模 过程 中 ， 玻 璃 纤 维 筋采用独立建模耦合法 ， 把实体和力筋分别 独立 建模 ， 划 分单 元 ， 然后将 力筋单元 和实体 单元 耦 合 。 其 中， 混凝土模型选择 S oL I D6 5单元 ， 钢筋模 型 采用 P I P E 2 0单元 。 在 ANS YS分 析 中 ， 混 凝 土基 本 参 数 要 输 入 初始弹性模量 、 泊松比和密度 ， 对必须分析非线性 的混 凝 土 ， 还 要 输 入 混 凝 土 的屈 服 准 则 和 破 坏 准 则， 由于混凝土材料 的非线性 ， 采用 弹塑性本构关 系 。本 文在 AN S YS计 算过 程 中采 用 双线 性 随 动 硬化模型。结构破坏准则取为结构体内玻璃纤维 筋 达 到名 义 屈 服强 度 ， 通 过 线性 插 值 计 算 。在计算中可根据程序的收敛情况适 当调整某 些参 数 以加 速 收敛 。由于考 虑 了材 料 非 线性 和 几 何非 线 性 ， 开 裂 前程 序 比较容 易 收敛 ， 当混 凝 土 压 碎 时 ， 即 使 没 有 达 到 压 碎 应 力 ， 计 算 也 不 容 易 收 敛 ， 因此 建 议计 算 时关 闭压碎 选项 ， 将混 凝 土 的 单 轴抗压强度设为一1 。由最大开裂应力准则可知 ， 单 元 越 细 ， 应力 集 中越 严 重 ， 开 裂 越早 ， 因 此在 容 易出现应力集中的部位要避免过小的单元 。 2 ． 3荷载 和边 界 条件 计算时在板面加竖 向均布荷载， 分不 同的荷 载步进行。 边界条件为四边简支 ， 由于荷载和边界 对称， 故取 1 ／ 4对称模型分析。在对称边加约束 ， 在简支边 除加竖向约束外 ， 还需加一定数量的弹 簧单元来模拟水平 弹簧支座 ， 以考虑水平约束的 作用 。 对于四边简支的整块板来说 ， 简支边上作用 有一定的水平约束 ， 才能保证整块板的几何不变 性[ 1 。如果不加水 平约束 ， 则计算至接近混凝土 开 裂 时模 型 中就会 出现 某 个 节 点水 平 位 移 超 限 ， 使计 算 无法 进行 。 3 GF RP筋混凝土双 向板计算模型 3 ． 1 计算参数 混 凝 土 弹 性 模 量 E一 3 0 GP a ， 泊 松 比 ￡ ， 一 0 ． 2 ， 单轴抗拉强度 一2 ． 5 MP a ， 抗压强度 一 2 0 MP a ， 裂缝张开传递 系数 0 ． 3 5 ， 裂缝闭合传递 系数 1 ， 关闭压碎开关。应力一 应变曲线如图 1 。 D 最 I ＆ 图 1 混 凝 土 的 应 力 一 应 变 曲线 钢筋 为 双 线性 随动 硬 化 材 料 ， 钢筋 弹性 模 量 E一2 0 0 GP a ， 泊 松 比 ￡ ， 一0 ． 2 ， 屈 服应 力 c r 0 ． 2 —0 ． 2 MP a 。 玻璃 纤 维筋 弹性 模 量 E 一4 0 ． 8 GP a ， 泊松 比 ￡ ， =0 ． 3 9 9 ， 屈 服应 力 盯 一5 2 0 MP a 。 两 种 加 强 筋 混凝 土 双 向板 的 配 筋 情 况 如 表 3 。建模 不考 虑混凝 土压碎 ， 在 支座 处加 刚 性垫 片 以使计算顺利收敛 。玻璃纤维筋混凝土板模型网 格划分和约束条件如图 2 。 表 3加强筋 混凝 土板尺寸及配筋情况 维普资讯 4 4 华 中科技大学学报 ( 城市科学 版) 图 2 玻璃纤 维筋混凝土板模型 网格划 分和约束条件 3 ． 2数值 模拟 结 果及分 析 图 3为玻璃纤维筋混凝土双 向板在设计荷载 q =1 5 0 k N／ m。 作 用下 的等 效应 力云 图 。 玻璃 纤 维 筋混 凝 土 双 向板 双 向受 力 特 征 明显 ， 四边 简 支 板 的 中心点是 受正 弯矩 最大 区。最 大应力 区与 双 向 板 试验 所得 的最 大应 力 区形状 类 似 ， 呈 椭 圆形 ， 说 明数 值模 拟 比较合 理 ； 次大 应 力 区 由中间 向四 角 延 伸 ， 呈 倒锥 形 ， 具有 等厚 双 向板力 学性 能 。板 的 裂 缝位 置 首 先 出现 在 最 大应 力 区 ， 这 与 试 验所 得 等厚双向板的裂缝分布吻合。 图 3 玻璃纤 维筋混凝土双 向板等效应力 石图 玻纤 筋混凝 土和钢筋 混 凝 土双 向板在 四边简 支的条件下分级施加均 布荷载 ， 直至混凝 土受压 破坏 ， 得到各级荷载作用下板 中心点的挠度变化 曲线、 筋材应力变化曲线 、 板的主拉应力变化曲线 ( 图 4 ～ 6 ) ， 由分析 可 知 ： 0 5 0 l 0 0 l 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 荷 ~ d k P a 图 4荷载一 中心挠度 曲线 ( 1 ) 荷 载 、 挠 度 呈 近 似线 弹性 关 系 ， 且此 时 的 挠 度 发 展不 大 ， 远 小 于规 范 规定 的正 常使 用 极 限 状 态 的挠度 限 制 ， 所 以其 刚度 满 足 要求 ， 说 明 可 以 用 于盾 构 隧道 进 口的挡 土墙 。 在 相 同荷载增 量 下 ， 挠度值也相应增大 ， 但是在相同荷载作用下 ， 玻璃 600 5OO 400 苫3 0 0 2 00 握1 0 0 O 荷~ d k P a 图 5 荷载一 筋材 应力曲线 O 5 O l O O l 5 O 2 0 0 2 5 0 3 0 0 荷 ~／ k Pa 图 6荷 载 一 板 的 主 拉 应 力 曲 线 纤维 筋混 凝 土双 向板 的挠度 一 直 比钢筋 混凝 土 双 向板 大 ， 这 主要 是玻 璃 纤 维 筋 的弹 性 模 量 较低 造 成的。 在达到设计荷载后 ， 两种加强筋混凝 土双向 板均 发 生 挠 度 突变 ， 这 是 因为 在 模 拟 过 程 中将 它 们假定 为理想 弹性 材 料 ， 混 凝 土 开裂后 ， 两种 筋材 的应变 突然增 大 ， 导致 挠度 剧 增 。 ( 2 ) 玻璃纤维筋 可承受的拉应力远大于钢筋 ， 但是玻 璃 纤维 筋在 加 载 的起 始 阶段 的拉应 力 没有 得到充分发挥 ， 直到混凝 土开裂 ， 玻璃纤维筋的拉 应力才 明显高于钢筋 ， 此时钢筋 已达屈服强度 ， 这 与玻璃纤维筋 自身的力学性质有关 。 ( 3 ) 在 达到 设计 荷 载前 ， 两 种加 强筋 混 凝 土双 向板 的主应 力基 本 相 同 ， 混凝 土开裂 后 ， 由于玻 璃 纤维筋优 良的抗拉性 能， 使玻璃纤维筋混凝土双 向板能承受较大的主应力， 但其裂缝 比较多 。 当荷 载 达 到 2 5 0 k P a时 ， 钢 筋 混凝 土 双 向 板 的 主 应 力 急剧 下 降 ， 说 明此 时 钢筋 混凝 土双 向板 已破 坏 。 4 结 论 ( 1 ) 用 ANS YS对 玻 璃 纤 维 筋 混凝 土双 向板 进行 有 限 元 计算 ， 参 数 设 置 合 理 就 可 以得 到 较 为 理想的结果。 在设计荷载作用下 ， 钢筋在模拟过程 中达到其屈服强度证明了数值分析的合理性。但 是玻璃纤维筋混凝土结构 由力学性质相差很大的 混凝 土 和玻 璃 纤 维 筋 两 种 材 料组 成 ， 由于 目前关 于玻 纤 混凝 土双 向板 的 研 究 较少 ， 关 于 板 的受 力 如 们 如 加 m o =＼ 州●辩 加 m 5 o 茸量髓端 噼 维普资讯 第 2期 翟 世鸿等 ：用于盾构 隧道进 口的玻纤筋混凝 土板的数值分析 4 5 情 况 、 挠 度 、 裂 缝 等 理 论 还 不 成 熟 ， 要 精 确 地 分 析 这 些 问题 是 非 常复 杂 的。关 于 玻璃 纤 维筋 混凝 土 双 向板 的计 算还 需 要不 断 改 进 和完 善 。 ( 2 ) 从 ANS YS计算结果来看 ， 在粘结系数相 同、 一定 的 配筋 率情 况 下 ， 玻璃 纤 维 筋混 凝 土双 向 板 的极 限 承载 能力 大 于钢 筋混 凝 土 双 向板 的极 限 承载 能 力 。 但是 ， 玻璃 纤 维 筋 混凝 土 双 向板 的挠 度 较 大 ， 且 没 有考 虑玻 璃 纤 维筋 的应变 不 均匀 性 。 ( 3 ) 可 以增 大 板 的 配 筋 率 来 减 缓 受 拉 区混 凝 土 拉应 力 的 发 展 ， 但 是 过 大 的配 筋 率 又 会 造 成 材 料浪费 ， 本文采用平衡配筋率 ， 数值分析结果证明 采用此配筋率是可以达 到强度要求 的， 即对 于玻 璃纤 维筋 混 凝土 板 的配 筋率 要 保 证不 小 于纤 维筋 混凝 土构 件 正截 面 抗 弯设计 的平 衡 配筋率 。 ( 4 ) 通过两种加 强筋混凝土板在不 同荷 载作 用 下 的受 力分 析 可看 出 ， 玻璃 纤 维 筋 有很 高 的抗 拉 强 度 ， 在 钢 筋 已经 达 到屈服 强 度 的情 况 下 ， 纤 维 筋仍 可 正 常 工作 ， 玻璃 纤 维 筋 的 高抗 拉 强度 以及 其 可削性很适 合用于受荷较大 的地下工程 ， 特别 适 合 作 为 加 强筋 用 于大 型 盾 构 隧 道 进 口 ， 这 样 盾 构机在 掘进过程 中可 以直接掘削进 口， 而不必人 工 拆 除竖 井井 壁 ， 提 高 了盾 构 隧 道 施 工 安 全 性 和 效 率 。 E 1 ] E 2 3 参考文 献 张凤 祥， 朱 合华 ， 傅德 明．盾 构 隧道 [ M] ．北 京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 4 ． Al s ay e d S H ．Fl ex ur a l Be ha vi or of Co nc r et e Be ams R e i n f o r c e d wi t h G F RP B a r s[ J ] ． C e me n t a n d Co n c r e t e Co mp o s i t e s ，1 9 9 8 ． ( 2 O ) ： 1 - 1 1 ． [ 3 ] E 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ I I ] J a n e t M L，Ch r i s J B．Ex p e r i me n t a l S t u d y o f I n — f l u en c e of Bond o n Fl exu r a l Beh av i or o f Conc r e t e Bea ms Pr e s t r e s s e d wi t h Ar a mi d Fi be r Rei nf or c e d P l a s t i c [ J J ．ACI S t r u c t u r e J o u r n a l ，1 9 9 9 ，9 6 ( 3 ) ： 37 7 — 38 5 ． J a n e t M ，Ch r i s J B．An a l y s i s o f Co n c r e t e Be a ms wi t h Pa r t i a l l y Bo n de d Compo s i t e Rei nf o r c e m e n t [ J ] ．A C I S t r u c t u r e J o u r n a l ，2 0 0 0 ，9 7( 2 )： 2 5 2 — 25 8． Ehs a ni M R ， Saa d a t mne s h H ， Ta o S． De s i gn Re c o mme nda t i o n f or Bo nd o f GFRP Re ba r s t o C o n c r e t e[ J ] ．J o u r n a l o f S t r u c t u r e E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 6，( 3 ) ： 2 4 7 — 2 5 4 ． Ro m a n O ，Ro b e r t L Y ． Bo n d S t r e n g t h o f Fi b e r Re i nf o r c e d Pol yme r Re ba r s i n Nor mal St r e ng t h C o n c r e t e [J] ． J o u r n a l o f C o mp o s i t e s f o r Co n s t r u c t i o n，2 0 0 5，( 6 ) ： 2 0 3 — 2 1 3 ． Hous s a m T ，Yong D．Def l e c t i o n an d Cr a c k— wi dt h Pr e di c t i on of Co nc r e t e Be a ms Re i nf or c e d wi t h Gl a s s F R P R o d s [J] ． C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s ，2 0 0 3，( 1 7 ) ：6 9 — 7 4 ． Be n mo k r a n e B，Ch a a l l a l O ，M a s mo u d i R． Gl a s s F i b e r Re i n f o r c e d P l a s t i c ( GFRP )Re b a r s f o r C o n c r e t e S t r u c t u r e [ J ] ．C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s ，1 9 9 5 ，9 ( 6 ) ： 3 5 3 — 3 6 4 ． 邓梁 波 ， 刘逸 平．增强 公路 混凝土 结构 的纤维 筋棒 研 究[ J ] ．中国公路学报 ， I 9 9 8 ， I I ( 2 ) ：l O — I 5 ． 林茂 ， 吕本 明．混 凝土夹 心板 的理 论分析 与数 值 模拟 [ J ] ．常州工学 院学 报 ， 2 0 0 5 ， 1 8 ： 5 0 — 5 6 ． 郑乐 怡．玻璃 纤维 筋 混 凝 土梁 的理 论 和试 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m e r i c a l r e s ul t s ． Co mpa r e d wi t h t he l as t r e s ul t s， t he nu m e r i c a l a n a l ys i s c a n e f f e c t i v e l y s i m u l a t e t he f l e xur a l b e ha v i o r o f bi di r e c t i o na l s l a b s t r e ng t he ne d wi t h GFRP ba r s wi t h t he p r op e r nu m e r i c a l mo de 1 ．The a na l yt i c a l r e s ul t s a l s o i n di c a t e t ha t t he GFRP b a r s c o nc r e t e bi di r e c t i o na J s l a b ha d l a r ge r di s t o r t i on i n s p a n c e n t r e ． But t he ul t i ma t e b e a r i ng c a p a c i t y of GFRP ba r s c on c r e t e bi di r e c t i on al s l ab i s hi gh e r ．S o i t c a n me e t t he r e qui r e me nt s o f e a r t h— r e t ai ni n g wa l l i n s hi e l d dr i v i n g． Ke y wo r d s： s hi e l d t unn e l i ng； gl a s s f i b e r r e i nf or c e d pl a s t i c ba r s； c o nc r e t e； b i di r e c t i o n a l s l a b： nu m e r i c a l a na l y s i s 维普资讯