童建軍，邵國霞

(西南交通大學(xué) 峨眉校區(qū)，四川 峨眉山 614202)

廈門海底隧道由左右主洞和服務(wù)洞組成，主洞為三車道，毛洞開挖高約15 m，寬約10 m。在海底段穿越全風(fēng)化的風(fēng)化囊槽，圍巖松散，滲透性好，圍巖壓力和水壓力大。初期支護(hù)在施工階段常出現(xiàn)開裂，鋼拱架銹蝕速度大大加快，因此研究鋼拱架銹蝕對自身承載力影響非常有意義。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

計(jì)算模型采用縱向長1 m荷載—結(jié)構(gòu)模型，初期支護(hù)混凝土和二次襯砌采用三維實(shí)體單元［1-3］，考慮兩者之間設(shè)有防水板，在兩者之間設(shè)置接觸單元。鋼拱架采用梁單元，考慮銹蝕引起截面減小，在鋼拱架與噴混凝土之間設(shè)置粘結(jié)單元［4］。

風(fēng)化囊槽主隧道初期支護(hù)工字鋼采用I20b，間距50 cm，C25噴射混凝土厚度為30 cm，二次襯砌采用C45高性能耐腐蝕混凝土，支護(hù)參數(shù)見圖1。鋼拱架屈服強(qiáng)度的歷時(shí)變化參考文獻(xiàn)［5-8］，材料的非線性特性參考文獻(xiàn)［9］，計(jì)算參數(shù)見表1。隧道埋深32.5 m，拱頂水位高42.5 m，圍壓計(jì)算摩擦角取30°，滑面摩擦角取 18°［10］，計(jì)算荷載見圖 2。

2 計(jì)算工況

圖1 風(fēng)化囊槽支護(hù)參數(shù)

圖2 荷載示意

將圍巖荷載按A(初期支護(hù)獨(dú)立承擔(dān))+B(初期支護(hù)與二次襯砌共同承擔(dān))的比例進(jìn)行分配，加載方式為:先在帶仰拱的初期支護(hù)加載A進(jìn)行計(jì)算;然后激活二次襯砌單元，累加B進(jìn)行計(jì)算;考慮現(xiàn)場初期支護(hù)滲透性好，有水壓時(shí)將水壓直接施加在二次襯砌上。共進(jìn)行了70種工況的模擬，工況組合見表2。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 鋼拱架軸力與銹蝕率關(guān)系

不同荷載分配時(shí)，鋼拱架的軸力隨銹蝕率ρ的變化見圖3。

表1 計(jì)算參數(shù)表

表2 計(jì)算工況

圖3 不同荷載分配時(shí)鋼拱架軸力降低系數(shù)與銹蝕率的關(guān)系

由圖3可知:

1)在ρ＜50%時(shí)，不同A值的鋼拱架軸力降低系數(shù)與銹蝕率曲線基本一致，且符合線性規(guī)律。

2)在ρ＞50%時(shí)，A值越小，鋼拱架軸力降低系數(shù)降低幅度越小。A=20%時(shí)，ρ=60%的鋼拱架軸力降低系數(shù)仍與銹蝕率符合線性規(guī)律。反之，A值越大，鋼拱架軸力降低系數(shù)降低幅度越大，A=70%時(shí)，ρ為50%～60%時(shí)鋼拱架軸力降低系數(shù)已隨銹蝕率增大明顯加速降低。

3)在ρ=80%時(shí)，鋼拱架軸力基本喪失。

4)在A值相同時(shí)，左邊墻、拱頂、右邊墻的鋼拱架軸力降低系數(shù)與銹蝕率曲線差別不大。

3.2 鋼拱架彎矩與銹蝕率關(guān)系

不同荷載分配下鋼拱架的彎矩隨銹蝕率的變化見圖4。

由圖4可知:

1)在ρ＜50%時(shí)，不同A值的鋼拱架彎矩降低系數(shù)與銹蝕率曲線基本一致，且符合二次曲線規(guī)律。

2)在ρ＞50%時(shí)，A值越小，鋼拱架彎矩降低系數(shù)降低幅度越小;反之，A值越大，鋼拱架彎矩降低系數(shù)降低幅度越大。特別是在 A=60%時(shí)，左右邊墻的ρ=60%時(shí)鋼拱架彎矩降低系數(shù)已為0，比A為其它值時(shí)鋼拱架彎矩降低系數(shù)的降低幅度要大的多，拱頂?shù)摩?60%時(shí)鋼拱架彎矩降低系數(shù)已為0。

3)在ρ=70%時(shí)，鋼拱架彎矩基本喪失，ρ=80%時(shí)，鋼拱架彎矩全部喪失。

4)在 A值相同時(shí)，左邊墻、右邊墻的鋼拱架軸力降低系數(shù)與銹蝕率曲線差別不大。

圖4 不同荷載分配時(shí)鋼拱架彎矩降低系數(shù)與銹蝕率的關(guān)系

4 結(jié)論

1)鋼拱架銹蝕對其自身承載力影響明顯。在ρ＜50%時(shí)，鋼拱架軸力降低系數(shù)與銹蝕率符合線性規(guī)律，彎矩降低系數(shù)與銹蝕率符合二次曲線規(guī)律;在 ρ＞50%時(shí)，軸力和彎矩降低系數(shù)加速下降;ρ=80%時(shí)，鋼拱架軸力基本喪失，彎矩全部喪失。

2)荷載比例對鋼拱架承載力的影響與銹蝕率有關(guān)。在ρ＜50%時(shí)，不同荷載比例的軸力降低系數(shù)和彎矩降低系數(shù)相近;在 ρ＞50%時(shí)，荷載比例越高，軸力降低系數(shù)和彎矩降低系數(shù)下降越快;ρ=80%時(shí)，所有荷載比例的承載力基本喪失。

3)根據(jù)以上分析，銹蝕率ρ=50%是鋼拱架承載力的一個(gè)變化點(diǎn)，建議在施工中銹蝕嚴(yán)重地段及運(yùn)營中的銹蝕檢查將ρ=50%作為一個(gè)警報(bào)點(diǎn)。

［1］郝文化.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.

［2］王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］金文良，李品利.淺埋偏壓連拱隧道施工過程有限元分析［J］.鐵道建筑，2008(2):55-58.

［4］薛建陽.型鋼混凝土柱粘結(jié)滑移性能及ANSYS數(shù)值模擬方法研究［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2006，8(5):8-16.

［5］張平生，盧梅，李曉燕.銹損鋼筋的力學(xué)性能［J］.工業(yè)建筑，1995，25(9):41-44.

［6］薛建陽，楊勇，趙鴻鐵.型鋼混凝土推出試驗(yàn)及其粘結(jié)強(qiáng)度研究［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2006，21(89):28-32.

［7］楊勇，趙鴻鐵，薛建陽，等.型鋼混凝土基準(zhǔn)粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)研究［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，37(4):445-467.

［8］鄭山鎖，鄧國專，楊勇，等.型鋼混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)滑移性能試驗(yàn)研究［J］.工程力學(xué)，2003，20(5):63-69.

［9］中華人民共和國建設(shè)部.GB50010—2002 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社.2002.

［10］中華人民共和國交通部.JTJ D07—2004 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.