已有裂缝病害的地铁区间隧道衬砌结构受力分析.pdf

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1、第35卷，第3期中国铁道科学VoI．35No．32014年5月CHINARAILWAYSCIENCEMay，2014文章编号：1001—4632(2014)03—0064—06已有裂缝病害的地铁区间隧道衬砌结构受力分析李宇杰，王梦恕，徐会杰。，张元，王东(1．北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044；2．北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心，北京102208)摘要：以北京地铁某区间隧道为研究背景，采用混凝土弹塑性损伤本构模型，在衬砌结构已经出现裂缝病害的情况下，依据隧道衬砌结构的断面收敛变形值，通过模拟计算研究隧道衬砌结构的受力

2、、损伤和承载力状态。结果表明：在实际收敛变形状态下，隧道衬砌结构的最大拉应力为1．1MPa，最大压应力为9．1MPa，拱顶和拱底主要承受拉应力，拱腰主要承受压应力；拱顶附近格栅钢筋的最大拉应力已经超出HRB335钢筋的标准设计值；拱顶初衬、二衬及拱腰衬砌结构的损伤因子均超过了混凝土的损伤临界值，拱顶的裂缝病害主要由衬砌结构受拉所引起；隧道拱顶、拱腰处的内侧主筋、外侧主筋及斜筋的安全系数均较小，应对病害及时采取一定的补强措施。关键词：地下铁路；衬砌结构；裂缝；弹塑性损伤本构模型；承载力；钢筋中图分类号：U451．4：U457．2文献标识码：A

3、doi：10．3969／)．issn．1001—4632．2014．03．10为了治理日益严重的城市交通拥堵问题，大量栅，研究矿山法开挖隧道在已有衬砌裂缝病害下隧的城市轨道交通线路建成并陆续投入使用[1]。随着道衬砌结构的受力、损伤和承载力状态。城市轨道交通线路使用年限的增加，城市轨道交通地下结构由于其自身性能的劣化、周边建筑施工的混凝土弹塑性损伤本构模型影响、内部服役环境的变化以及低频循环振动荷载等内外因素的共同作用，导致其在运营期内出现相隧道衬砌结构采用混凝土弹塑性损伤本构模应的损伤现象，其中最直接和最明显的损伤现象就型[8。1]模拟。

4、通过定义不同的混凝土单轴受压与受是初砌结构新裂缝的产生以及旧裂缝的扩展。北拉的应力一应变关系，以及采用不同的损伤因子模京、上海、深圳、天津、广州、南京等地[2_]城市拟混凝土的力学行为。当混凝土材料处于弹性阶段轨道交通地下结构均出现了衬砌结构裂缝、渗漏及时，模型采用弹性本构关系对混凝土的力学性能进掉块等不同程度的结构病害。隧道衬砌结构裂缝是行描述；当进入损伤阶段后，混凝土材料的弹性模导致其他病害的根本原因，因此，开展隧道衬砌结量减小，相应的应力一应变关系可表示为构裂缝产生机理的相关研究对运营隧道的维护工作仃一(1一)Eo：(—8)(1)极为

5、重要。式中：仃为应力张量，Pa；d为损伤因子；Eo为衬砌结构裂缝产生的主要成因是外荷载与变形初始无损伤时的弹性模量，Pa；标记“：”为二阶作用(温度、收缩、不均匀沉降)。地下结构属于缩并积；￡为总应变张量；8p为塑性应变张量。隐蔽工程，衬砌结构内部裂缝以及钢筋的受力变形混凝土弹塑性损伤本构模型采用非相关联塑性情况等无法进行直接观测。因此，本文以采用矿山流动法则。模型采用的流动势函数G为Drucker-法开挖的北京地铁某线路区间隧道衬砌结构为研究Prager函数，即背景，采用混凝土弹塑性损伤本构模型，在衬砌结G一干一ptan~(2)构已经出现

6、裂缝病害的情况下，依据隧道衬砌结构式中：为偏心率，当该值趋向零时，流动势函数的断面收敛变形值，模拟隧道初衬、二衬及钢筋格接近于直线；G0为材料破坏时的单轴应力，Pa；收稿日期：2013—03—30；修订日期：2014—02—12基金项目：北京市地铁运营有限公司博士后专项基金(2O130OO51O000017)作者简介：李宇杰(1983一)，男，山西五台人，博士后。第3期已有裂缝病害的地铁区间隧道衬砌结构受力分析为高侧压下一平面上的剪胀角，(。)；为平均B31梁单元模拟，并采用Embed技术将混凝土初静水压力，Pa；为等效有效应力，Pa。衬与

7、格栅钢筋进行自由度耦合，利用Tie命令定义混凝土损伤阶段的单轴受压本构模型采用结构层之间的相关接触属性。初衬及二衬结构采用E．HognestadE建议的计算公式，即混凝土弹塑性损伤本构模型，钢筋采用线弹性本构模型，在模型的底部、两端施加相应方向约束。钢f[2一()]e≤￡。筋格栅结构如图1所示，有限元模型网格图如图2所示。卜叭5()]勖≤su(3)式中：厂c为混凝土单轴抗压强度设计值，N·mm_。；e。为屈服应变，取0．002；￡为极限应变，取0．0038。混凝土损伤阶段的单轴受拉本构模型采用《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002

8、)附录C[H]中的计算公式，即一(4)图1格栅钢筋结构其中，eZ一(5)etY一百(6)Jt式中：a为单轴抗拉应力一应变曲线下降段的参数值；为混凝土的单轴抗拉强度设计值，N·mm