隧道鋼拱架銹蝕對初期支護受力體系影響數值分析

周國軍

?

隧道鋼拱架銹蝕對初期支護受力體系影響數值分析

周國軍

文章通過三維數值分析方法，對隧道初期支護鋼拱架銹蝕引起的受力體系變化以及鋼拱架與噴射混凝土之間受力傳遞的變化進行研究。研究結果表明，初期支護鋼拱架隨其銹蝕率的增加，鋼拱架與噴射混凝土粘結強度逐步減弱，初期支護內部受力整體性隨之降低，初期支護鋼拱架內部應力增加，安全系數減小。

隧道；初期支護；鋼拱架銹蝕；受力體系；數值分析

某海底隧道穿越富水砂層，賦存于海水環境中，初期支護鋼拱架受氯鹽腐蝕速度較快，對初期支護受力體系及安全系數產生不利影響。文獻[3]通過試驗方法對鋼拱架與噴射混凝土之間的粘結滑移關系進行了研究。本文采用 ANSYS 三維數值分析的方法結合文獻[3]研究成果，對銹蝕引起的初期支護鋼拱架受力以及鋼拱架與噴射混凝土之間受力傳遞的變化進行研究，從而對初期支護鋼拱架與噴射混凝土二者受力的整體性進行評價。

1　計算模型與計算參數

1.1計算模型

模型采用三維實體荷載-結構模型，對隧道初期支護混凝土、工字鋼鋼拱架和二次襯砌混凝土都用實體單元模擬。工字鋼單元與初期支護混凝土單元采用分離式建模方法，2 種單元之間用非線性彈簧連接。初期支護混凝土單元類型為 Solid64，工字鋼單元類型為 Solid45，非線性彈簧采用 Combination39 模擬。對于鋼拱架銹蝕的模擬，通過銹蝕率修改鋼拱架工字鋼單元的密度、屈服強度等來實現。銹蝕對于鋼拱架工字鋼與混凝土之間粘結強度的減弱作用，采用文獻[3]試驗得到的隨銹蝕率變化的粘結滑移曲線來修改非線性彈簧的屬性常數來模擬。鋼拱架工字鋼與混凝土之間每組對應連接節點，有 3 個方向的非線性彈簧，分別為法向（徑向）、縱向切向（環向切向）和橫向切向（圖 1、圖 2、圖 3）。

1.2計算參數

隧道初期支護鋼拱架采用 I22 工字鋼，間距50 cm，C25 噴射混凝土厚 32 cm。二次襯砌混凝土厚度為 70 cm，采用 C35 鋼筋混凝土。隧道內凈空寬 16.5 m，高 10 m（圖 4）。

圖1　隧道支護三維實體模型

圖2　工字鋼鋼拱架三維實體單元

圖3　鋼拱架與噴射混凝土連接單元

根據地勘資料，取埋深 31.4 m計算荷載。按照 JTG D70/2-2014《 公路隧道設計規范 》當埋深為 31.4 m 時，垂直均布圍巖壓力 q1、水平側壓力初值 e1、e2按式（1）～（3）計算（圖 5）：

圖4　隧道支護參數

式（1）~（3）中，r 為土層容重；H 為隧道埋深；λ 為土側壓力系數；B 為隧道跨度；h1為隧道頂土層高度；h2為隧道底土層高度；θ 為圍巖摩擦角。

圖6　粘結彈簧法向軸力與銹蝕率關系曲線

圖7　粘結彈簧法向軸力降低系數與銹蝕率的關系

圖5　荷載示意圖

2　三維數值模擬結果

2.1銹蝕對鋼拱架與混凝土間傳遞受力的影響

隨著鋼拱架的銹蝕，鋼拱架與噴射混凝土間的粘結強度降低，粘結彈簧傳遞受力的作用減弱，尤其是拉力的傳遞，使得噴射混凝土與鋼拱架之間的協作受力的能力變弱。圖6、圖7給出了鋼拱架與噴射混凝土間粘結彈簧法向軸力及其降低系數隨銹蝕率變化曲線，由曲線變化的規律可以看出：

（1）噴射混凝土對鋼拱架的最大作用力發生在邊墻，而不是拱頂（拱頂最小）；

（2）混凝土對于鋼拱架的主要作用力是壓力，銹蝕層及對粘結的破壞作用會減弱這種壓力的傳遞。當銹蝕率 0≤ρ＜5%時，粘結彈簧法向軸力變化較為平緩，粘結彈簧法向軸力降低系數很小（近乎為0）。可見，鋼拱架與混凝土之間的法向粘結強度減弱較小，鋼拱架表面的銹層的膨脹性與法向粘結強度的減弱形成一定的抵消，所以當銹蝕率較小時，混凝土的傳力變化不大；

（3）隨著銹蝕率的進一步增大，銹蝕率 5%≤ρ＜55%時，粘結彈簧法向軸力曲線逐步下降，粘結彈簧法向軸力降低系數曲線則對應上升。這說明法向粘結破壞進一步增大，鋼拱架與混凝土受力的整體性進一步減弱，通過粘結來傳遞力變得越來越困難，混凝土自身承擔的荷載越來越大，鋼拱架分擔的荷載越來越小；

（4）當銹蝕率增大到一定程度即 ρ = 55% 左右時，粘結彈簧法向軸力曲線均趨于平緩。由于銹層很厚，鋼拱架與混凝土之間通過粘結傳遞力的效果基本消失殆盡。此時，鋼拱架與混凝土之間徹底分離開來，殘余的壓力只是因為混凝土在外力作用下發生較大變形，被迫通過壓縮銹蝕層的形式將力強加在鋼拱架上，鋼拱架與混凝土基本完全脫離；

（5）當銹蝕率進一步增大到 ρ ＞55% 時，噴射混凝土只能通過壓縮銹蝕層的形式，把力強加在鋼拱架上，直到鋼拱架因為銹蝕的增大其與混凝土粘結界面進一步減小而發生屈服。

2.2銹蝕對鋼拱架自身受力的影響

鋼拱架的銹蝕對于混凝土與鋼拱架之間力的傳遞有影響，同時，由于銹蝕作用，鋼拱架工字鋼的截面積也在變化，這2種因素同時都影響著鋼拱架自身的內力及安全性。圖8給出了鋼拱架應力隨銹蝕率的變化曲線，該曲線也反映了邊墻、仰拱和拱頂的最大應力變化趨勢。圖9給出了鋼拱架安全系數隨銹蝕率的變化曲線。從圖8、圖9可以看出：

圖8 　鋼拱架應力與銹蝕率的關系

圖9 　鋼拱架受力安全系數與銹蝕率的關系

（1）隨著銹蝕率的增加（ 0≤ ρ ＜5%），鋼拱架應力曲線上升和鋼拱架安全系數下降曲線均較為緩和，鋼拱架的應力增大也較為緩和；

（2）當銹蝕率 ρ 達到 55% 時，鋼拱架應力曲線上升和鋼拱架安全系數下降曲線均變得較陡，鋼拱架內部應力的增加速率突然變大；

（3）當銹蝕率 ρ 達到 70% 左右時，鋼拱架的最大應力達到了鋼拱架工字鋼的屈服應力，鋼拱架開始失效，不再承擔混凝土傳遞的力，此時鋼拱架安全系數約為 1.0（即，鋼的屈服強度與工字鋼最大工作應力之間的比值為1.0），鋼拱架工字鋼開始出現屈服現象，鋼拱架失效。

2.3銹蝕對初期支護內力體系的影響

對比圖 6、圖8 中鋼拱架與混凝土間的粘結彈簧法向軸力與應力變化趨勢，似乎應該是隨銹蝕率增加而降低的，其實不然。根據圖 6，混凝土傳遞給鋼拱架的力是在減小的，但同時，鋼拱架工字鋼自身的截面積也在減小，這種減小的速率要大于噴射混凝土力傳遞減小的速率，所以鋼拱架的內部應力是增加的，其安全系數也是降低的。當銹蝕率 ρ 達到 55% 后，混凝土傳遞給鋼拱架的力基本穩定，只有微弱的變小趨勢，然而因為銹蝕鋼拱架工字鋼的截面積繼續減小，所以出現了當銹蝕率達到 55% 后鋼拱架應力增加變快的現象。因此，鋼拱架銹蝕影響了初期支護受力體系，破壞了初期支護受力的整體性，使得鋼拱架自身安全系數降低，從而對整個初期支護的安全造成不利影響。

3　結論

（1）三維數值計算方法能很好地模擬隧道初期支護鋼拱架與噴射混凝土之間受力整體性變化情況；

（2）銹蝕通過破壞鋼拱架與噴射混凝土之間的粘結，從而對初期支護受力的整體性產生不利影響；

（3）鋼拱架銹蝕率 0≤ ρ ＜5% 時，初期支護內部受力整體性較好；鋼拱架銹蝕率 5%≤ ρ ＜55% 時，初期支護鋼拱架與噴射混凝土粘結強度逐步減弱；鋼拱架銹蝕率ρ 為 55% 左右時，初期支護鋼拱架與噴射混凝土徹底分離，其受力整體性趨于 0；鋼拱架銹蝕率 ρ＞55% 時，鋼拱架內部應力迅速增加，安全系數迅速減小，最終鋼拱架開始出現屈服現象。

[1] 王新敏. ANSYS工程結構數值分析[M]. 北京: 人民交通出版社，2007.

[2] 鄧鳴. 銹蝕鋼筋混凝土構件粘結性能及裂縫特征的試驗研究[D]. 湖南長沙：長沙理工大學，2007.

[3] 王明年，童建軍，周國軍. 海底隧道銹蝕工字鋼與噴射混凝土的粘結滑移試驗研究[J]. 工程力學，2013， 30（4）.

[4] 趙羽習，金偉良. 銹蝕鋼筋與混凝土粘結性能的試驗研究[J]. 浙江大學學報（工學版），2002，36（4）. [5] 徐有鄰. 變形鋼筋混凝土粘結錨固性能的試驗研究[D]. 北京：清華大學，1990.

[6] 楊勇，趙鴻鐵，薛建陽，等. 型鋼混凝土基準粘結滑移本構關系試驗研究[J]. 西安建筑科技大學學報（自然科學版），2005，37（4）.

[7] 鄭山鎖，鄧國專，楊勇，等. 型鋼混凝土結構粘結滑移性能試驗研究[J]. 工程力學，2003， 20（5）.

Numerical Analysis on Effect of Tunnel Steel Arch
Corrosion on Primary Support Force System

Zhou Guojun

The paper uses the three-dimensional numerical analysis method, studies the tunnel primary support steel arch corrosion caused by changes in the force system and the force transmission changes between steel arch and sprayed concrete. The analysis shows that the corrosion rate increases with the primary support steel arch, bond strength between steel arch and shotcrete gradually weakened, and the overall primary support internal force decreases, the internal stress of primary support steel arch increases while the safety coeffi cient decreases.

tunnel, primary support, steel arch corrosion, stress system, numerical analysis

U459.3

周國軍：中鐵二院工程集團有限責任公司，工程師，四川成都 610031

2015-10-21責任編輯 朱開明