CN116537820A - 一种高耐久性叠合式盾构隧道管片结构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高耐久性叠合式盾构隧道管片结构及其设计方法，结构包括：外侧混凝土层、中间混凝土层、内侧混凝土层、第一螺栓孔、第二螺栓孔、钢筋笼、注浆孔；外侧混凝土层、中间混凝土层、内侧混凝土层依次叠合浇筑，且外侧混凝土层浇筑于中间混凝土层外侧；第一螺栓孔设置于中间混凝土层内，且其布置方向与隧道的纵向方向一致；第一螺栓孔用于连接沿隧道的纵向方向相邻的管片；第二螺栓孔一端贯穿内侧混凝土层，另一端贯穿管片结构的侧面；第二螺栓孔用于连接沿管片结构的环向相邻的管片；钢筋笼设置于管片结构内；注浆孔沿管片高度方向设置，贯穿整个管片结构。该管片结构具有结构性能安全可靠、施工方便、造价合理的优点。
Description
技术领域
本发明涉及盾构隧道管片技术领域，具体涉及一种高耐久性叠合式盾构隧道管片结构及其设计方法。
背景技术
随着我国地下空间的飞速发展，盾构隧道被广泛应用于城市轨道交通、地下道路设施及城际隧道工程中。管片是盾构隧道的主要结构，其具有承担围岩压力、水压等重要作用。盾构隧道建设中，一方面若管片结构承受较高的水压，易造成结构抗拉或抗压强度不足，内力变形过大；另一方面，若地层中存在诸多的腐蚀性离子(CL-、SO4 -)，易造成钢筋混凝土结构锈胀开裂，导致结构承载力下降。目前，在复杂的地质环境下如何保持结构的耐久性是设计的主要难点之一。
公布号为CN113586084A的发明公开了一种叠合预制双层管片结构，其将UHPC(超高性能混凝土)作为普通混凝土管片外侧保护层，形成双层管片结构，增强结构的抗渗和耐腐蚀性能。该专利一定程度上可增强结构的耐久性，但是由于UHPC自收缩完成达到强度后才浇筑普通混凝土，在接触面易形成软弱的冷缝面，不利于接触面的粘结；同时，由于在UHPC保护层内单独配置受力钢筋的桁架钢筋网架以及对UHPC保护层进行单独养护，增加了管片预制的工序，客观上增加了施工时间及成本。此外，该专利仅考虑改善管片外侧的抗渗及耐腐蚀性能，而未考虑提高内侧混凝土管片耐久性，具有一定的局限性。
综上，现有技术尚缺乏能够在复杂地质环境中全面、有效改善盾构隧道管片耐久性的结构及设计方法。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的缺陷，从而提供一种高耐久性叠合式盾构隧道管片结构。
本发明提供了一种高耐久性叠合式盾构隧道管片结构，包括：
外侧混凝土层、中间混凝土层、内侧混凝土层、第一螺栓孔、第二螺栓孔、钢筋笼、注浆孔；
所述外侧混凝土层、所述内侧混凝土层均为超高性能纤维增强混凝土层；所述中间混凝土层为普通混凝土层；
所述外侧混凝土层、所述中间混凝土层、所述内侧混凝土层依次叠合浇筑，且所述外侧混凝土层浇筑于所述中间混凝土层外侧；
所述第一螺栓孔设置于所述中间混凝土层内，且其布置方向与隧道的纵向方向一致；所述第一螺栓孔用于连接沿隧道的纵向方向相邻的管片；
所述第二螺栓孔一端贯穿所述内侧混凝土层，另一端贯穿管片结构的侧面；所述第二螺栓孔用于连接沿管片结构的环向相邻的管片；
所述钢筋笼设置于管片结构内；
所述注浆孔沿管片高度方向设置，贯穿整个管片结构。
优选的，所述钢筋笼包括主筋、箍筋、纵向钢筋；多根所述主筋分设于所述外侧混凝土层、所述内侧混凝土层内；所述箍筋与所述主筋连接；所述箍筋包括多根，多根所述箍筋间隔设置；所述纵向钢筋沿隧道的纵向方向设置，且设置于主筋与箍筋的连接处；所述纵向钢筋用于连接相邻的所述主筋，加固所述钢筋笼。
优选的，所述主筋包括外侧筋、内侧筋；所述外侧筋设置于所述外侧混凝土层内，且所述外侧筋两端端部弯折伸入所述中间混凝土层内；所述内侧筋设置于所述内侧混凝土层内，且所述内侧筋两端端部弯折伸入所述中间混凝土层内。
优选的，多根所述箍筋分别与所述外侧筋、内侧筋连接。
优选的，还包括拼装定位孔；所述拼装定位孔开设于所述内侧混凝土层远离所述中间混凝土层一侧；所述拼装定位孔用于拼装定位。
优选的，还包括加密钢筋，所述加密钢筋设置于拼装定位孔的孔壁内；所述加密钢筋用于加固孔洞。
优选的，所述外侧混凝土层以及所述内侧混凝土层内均填充有膨胀剂；外侧混凝土层的厚度以及所述内侧混凝土层的厚度均不小于2倍混凝土保护层的厚度。
本发明还提供了一种高耐久性叠合式盾构隧道管片结构的设计方法，该方法包括：
采用均质圆环法计算管片结构的内力，并采用极限状态法验算管片结构的承载能力，得到混凝土受压区高度；
N≤α1fc1bt1+α2fc2b(x-t1)+f′yA′s-fyAs-α3f′tbt2；
ei＝e0+ea，/>
其中，
M为管片弯矩设计值；
N为管片轴力设计值；
x为混凝土受压区高度；
t1、t2为受压、受拉区超高性能纤维增强混凝土厚度；
b、h分别为管片的截面宽度和高度；
h0为加固前管片的截面有效高度；
a1、a2、a3为系数，当管片结构混凝土强度等级不超过C50时，取为1.0，当结构混凝土强度等级为C80时，取为0.94，当原结构混凝土强度等在级C50～C80之间时，按线性内插法确定；
e为轴向压力作用点至纵向受拉钢筋和受拉区超高性能纤维增强混凝土合力作用点的距离；
ei为初始偏心距；
e0为轴向压力作用点对截面重心的偏心距；
ea为附加偏心距，按偏心方向截面高度h确定：当h≤600mm，ea＝20mm，当h＞600mm时，
A′s为受压区纵向普通钢筋截面面积；
As为受拉区纵向普通钢筋截面面积；
fc1为管片结构超高性能纤维增强混凝土轴心抗压强度设计值；
fc2为管片结构普通混凝土轴心抗压强度设计值；
f′y为普通钢筋抗压强度设计值；
f′t为超高性能纤维增强混凝土抗拉强度设计值；
根据矩形界面钢筋混凝土偏心受压构件验算管片结构的裂缝宽度；
且最大裂缝宽度因满足wmax≤wlim；
其中，wmax为最大裂缝宽度；wlim为裂缝宽度限值；
acr表示构件受力特征系数；
ψ表示裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数：当ψ＜0.2时，取ψ＝0.2；当ψ＞1.0时，取ψ＝1.0；对直接承受重复荷载的构件，取ψ＝1.0；
σs表示按荷载准永久组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉普通钢筋应力或按标准组合计算的预应力混凝土构件纵向受拉钢筋等效应力；
Es表示钢筋的弹性模量；
Cs表示最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离：当Cs<20时，取Cs＝20；当Cs＞65时，取Cs＝65；当20<Cs<65时，按线性插值取值；
ρte表示按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率；对无粘结后张构件，仅取纵向受拉普通钢筋计算配筋率；在最大裂缝宽度计算中，当ρte＜0.01时，取ρte＝0.01；
Ate表示有效受拉混凝土截面面积：对轴心受拉构件，取构件截面面积；对受弯、偏心受压和偏心受拉构件，取Ate＝0.5bh+(bf-b)hf，此处，bf、hf为受拉翼缘的宽度、高度；
Ap表示受拉区纵向预应力筋截面面积；
dep表示受拉区纵向钢筋的等效直径；对无粘结后张构件，仅为受拉区纵向受拉普通钢筋的等效直径；
di表示受拉区第i种纵向钢筋的公称直径；对于有粘结预应力钢绞线束的直径取为其中/>为单根钢绞线的公称直径，dpl为单束钢绞线根数；
ni表示受拉区第i种纵向钢筋的根数；对于有粘结预应力钢绞线，取为钢绞线束数；
vi表示受拉区第i种纵向钢筋的相对粘结特性系数；
在管片结构中相邻混凝土层之间的接缝处设置剪切模拟弹簧(10)和压缩模拟弹簧(11)；压缩模拟弹簧(11)两端分别与相邻的两混凝土层相连；剪切模拟弹簧(10)垂直于所述压缩模拟弹簧(11)；
由串联弹簧刚度系数计算公式验算管片结构中相邻混凝土层之间的接触界面压缩刚度；
其中，KXi、Kx2分别表示外侧混凝土层、内侧混凝土层与中间混凝土层的压缩总刚度；
KY1、KY2、KY3分别表示外侧混凝土层、内侧混凝土层以及中间混凝土层压缩区的压缩刚度；
E1、E3分别为外侧混凝土层、内侧混凝土层的超高性能纤维增强混凝土与普通混凝土的弹性模量；
n1、n2、n3为外侧混凝土层、内侧混凝土层以及中间混凝土层的厚度；
n1’、n2’、n3’为外侧混凝土层、内侧混凝土层以及中间混凝土层压缩区的厚度；
AY为压缩区域的截面面积；
验算管片结构中相邻混凝土层之间的接触界面剪切刚度，计算公式为：
τm＝τ0+σnμ；
其中，τm表示接触界面剪切刚度；τ0表示接触界面的初始剪切刚度；σn表示接触界面的径向压应力；μ表示接触界面混凝土的摩擦系数。
优选的，当剪切应力小于接触界面剪切刚度时，外侧混凝土层、内侧混凝土层之间无相对位移；当剪切应力大于接触界面剪切刚度时，外侧混凝土层、内侧混凝土层之间产生相对位移；则每个剪切模拟弹簧的剪切刚度表达式为：
ks＝km(τ＜τm)；
ks＝μAiσn/sm(τ＞τm)；
其中，ks表示每个剪切模拟弹簧的剪切刚度；km表示比管片接头抗剪刚度无限大的量值；Ai表示每个剪切模拟弹簧的剪切面积；σn表示接触界面的径向压应力；μ表示接触界面混凝土的摩擦系数；τ表示剪切应力；sm表示相对位移量。
本发明技术方案，具有如下优点：外侧混凝土层、所述内侧混凝土层中的超高性能纤维增强混凝土可有效抵抗超载作用下的拉、压力；同时，外侧混凝土层可阻止有害化学离子侵入结构，引起结构内钢筋锈蚀、混凝土开裂。由于超高性能纤维增强混凝土具有优异的抗压强度、耐高温性能，内侧混凝土层可有效抵御列车撞击、火灾高温等不利条件对结构的影响。该管片结构充分发挥了超高性能纤维增强混凝土以及普通混凝土的组合性能，具有结构性能安全可靠、施工方便、造价合理的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施中提供的管片结构横断面示意图；
图2为本发明实施中提供的管片结构横断面配筋示意图；
图3为本发明实施中提供的管片结构横断面配筋细节图；
图4a为本发明实施中提供的管片结构正截面承载力数据示意图；
图4b为本发明实施中提供的管片结构正截面承载力计算示意图；
图5为本发明实施中提供的管片结构接缝界面模拟弹簧布置示意图；
图6a为本发明实施中提供的管片结构接缝界面压缩区示意图；
图6b为本发明实施中提供的管片结构接缝界面压缩区压缩刚度计算示意图。
附图标记说明：
1-外侧混凝土层；2-中间混凝土层；3-内侧混凝土层；4-第一螺栓孔；5-第二螺栓孔；
6-钢筋笼；61-主筋；611-外侧筋；612-内侧筋；62-箍筋；63-纵向钢筋；
7-注浆孔；8-拼装定位孔；9-加密钢筋；10-剪切模拟弹簧；11-压缩模拟弹簧。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1、图2、图3所示，本实施例提供了一种高耐久性叠合式盾构隧道管片结构，包括：
外侧混凝土层1、中间混凝土层2、内侧混凝土层3、第一螺栓孔4、第二螺栓孔5、钢筋笼6、注浆孔7；
所述外侧混凝土层1、所述内侧混凝土层3均为超高性能纤维增强混凝土层；所述中间混凝土层2为普通混凝土层；
所述外侧混凝土层1、所述中间混凝土层2、所述内侧混凝土层3依次叠合浇筑，且所述外侧混凝土层1浇筑于所述中间混凝土层2外侧；
所述第一螺栓孔4设置于所述中间混凝土层2内，且其布置方向与隧道的纵向方向一致；所述第一螺栓孔4用于连接沿隧道的纵向方向相邻的管片；
所述第二螺栓孔5一端贯穿所述内侧混凝土层3，另一端贯穿管片结构的侧面；所述第二螺栓孔5用于连接沿管片结构的环向相邻的管片；
所述钢筋笼6设置于管片结构内；
所述注浆孔7沿管片高度方向设置，贯穿整个管片结构。
在本实施例中，所述外侧混凝土层1以及所述内侧混凝土层3内均填充有膨胀剂；外侧混凝土层1的厚度以及所述内侧混凝土层3的厚度均不小于2倍混凝土保护层的厚度。
进一步的，所述钢筋笼6包括主筋61、箍筋62、纵向钢筋63；多根所述主筋61分设于所述外侧混凝土层1、所述内侧混凝土层3内，且沿管片结构的圆周方向围绕所述中间混凝土层2；所述箍筋62与所述主筋61连接；所述箍筋62包括多根，多根所述箍筋62间隔设置；所述纵向钢筋63沿隧道的纵向方向设置，且设置于主筋61与箍筋62的连接处；所述纵向钢筋63用于连接相邻的所述主筋61，加固所述钢筋笼6。
更进一步的，所述主筋61包括外侧筋611、内侧筋612；所述外侧筋611设置于所述外侧混凝土层1内，且所述外侧筋611两端端部弯折伸入所述中间混凝土层2内；所述内侧筋612设置于所述内侧混凝土层3内，且所述内侧筋612两端端部弯折伸入所述中间混凝土层2内。
多根所述箍筋62分别与所述外侧筋611、内侧筋612连接。
在本实施例中，该管片结构还包括拼装定位孔8、加密钢筋9；所述拼装定位孔8开设于所述内侧混凝土层3远离所述中间混凝土层2一侧；所述拼装定位孔8用于拼装定位；所述加密钢筋9设置于拼装定位孔8的孔壁内；所述加密钢筋9用于加固孔洞。
本实施例还提供了一种高耐久性叠合式盾构隧道管片结构的设计方法，该方法包括：
如图4a、图4b所示，采用均质圆环法计算管片结构的内力，并采用极限状态法验算管片结构的承载能力，得到混凝土受压区高度；
N≤α1fc1bt1+α2fc2b(x-t1)+f′yA′s-fyAs-α3f′tbt2；
ei＝e0+ea，/>
其中，
M为管片弯矩设计值；
N为管片轴力设计值；
x为混凝土受压区高度；
t1、t2为受压、受拉区超高性能纤维增强混凝土厚度；
b、h分别为管片的截面宽度和高度；
h0为加固前管片的截面有效高度；
a1、a2、a3为系数，当管片结构混凝土强度等级不超过C50时，取为1.0，当结构混凝土强度等级为C80时，取为0.94，当原结构混凝土强度等在级C50～C80之间时，
按线性内插法确定；
e为轴向压力作用点至纵向受拉钢筋和受拉区超高性能纤维增强混凝土合力作用点的距离；
ei为初始偏心距；
e0为轴向压力作用点对截面重心的偏心距；
ea为附加偏心距，按偏心方向截面高度h确定：当h≤600mm，ea＝20mm，当h＞600mm时，
A′s为受压区纵向普通钢筋截面面积；
As为受拉区纵向普通钢筋截面面积；
fc1为管片结构超高性能纤维增强混凝土轴心抗压强度设计值；
fc2为管片结构普通混凝土轴心抗压强度设计值；
f′y为普通钢筋抗压强度设计值；
f′t为超高性能纤维增强混凝土抗拉强度设计值；
根据矩形界面钢筋混凝土偏心受压构件验算管片结构的裂缝宽度；
且最大裂缝宽度因满足wmax≤wlim；
其中，wmax为最大裂缝宽度；wlim为裂缝宽度限值；
acr表示构件受力特征系数；
ψ表示裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数：当ψ＜0.2时，取ψ＝0.2；当ψ＞1.0时，取ψ＝1.0；对直接承受重复荷载的构件，取ψ＝1.0；
σs表示按荷载准永久组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉普通钢筋应力或按标准组合计算的预应力混凝土构件纵向受拉钢筋等效应力；
Es表示钢筋的弹性模量；
Cs表示最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离：当Cs<20时，取Cs＝20；当Cs＞65时，取Cs＝65；当20<Cs<65时，按线性插值取值；
ρte表示按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率；对无粘结后张构件，仅取纵向受拉普通钢筋计算配筋率；在最大裂缝宽度计算中，当ρte＜0.01时，取ρte＝0.01；
Ate表示有效受拉混凝土截面面积：对轴心受拉构件，取构件截面面积；对受弯、偏心受压和偏心受拉构件，取Ate＝0.5bh+(bf-b)hf，此处，bf、hf为受拉翼缘的宽度、高度；
Ap表示受拉区纵向预应力筋截面面积；
dep表示受拉区纵向钢筋的等效直径(mm)；对无粘结后张构件，仅为受拉区纵向受拉普通钢筋的等效直径(mm)；
di表示受拉区第i种纵向钢筋的公称直径；对于有粘结预应力钢绞线束的直径取为其中/>为单根钢绞线的公称直径，dpl为单束钢绞线根数；
ni表示受拉区第i种纵向钢筋的根数；对于有粘结预应力钢绞线，取为钢绞线束数；
vi表示受拉区第i种纵向钢筋的相对粘结特性系数；
如图5所示，在管片结构中相邻混凝土层之间的接缝处设置剪切模拟弹簧10和压缩模拟弹簧11；压缩模拟弹簧11两端分别与相邻的两混凝土层相连；剪切模拟弹簧10垂直于所述压缩模拟弹簧11；
如图6a、图6b所示，由串联弹簧刚度系数计算公式验算管片结构中相邻混凝土层之间的接触界面压缩刚度；
其中，KX1、KX2分别表示外侧混凝土层、内侧混凝土层与中间混凝土层的压缩总刚度；
KY1、KY2、KY3分别表示外侧混凝土层、内侧混凝土层以及中间混凝土层压缩区的压缩刚度；
E1、E3分别为外侧混凝土层、内侧混凝土层的超高性能纤维增强混凝土与普通混凝土的弹性模量；
n1、n2、n3为外侧混凝土层、内侧混凝土层以及中间混凝土层的厚度；
n1’、n2’、n3’为外侧混凝土层、内侧混凝土层以及中间混凝土层压缩区的厚度；
AY为压缩区域的截面面积；
验算管片结构中相邻混凝土层之间的接触界面剪切刚度，计算公式为：
τm＝τ0+σnμ；
其中，τm表示接触界面剪切刚度；τo表示接触界面的初始剪切刚度；σn表示接触界面的径向压应力；μ表示接触界面混凝土的摩擦系数。
当剪切应力小于接触界面剪切刚度时，外侧混凝土层、内侧混凝土层之间无相对位移；当剪切应力大于接触界面剪切刚度时，外侧混凝土层、内侧混凝土层之间产生相对位移；则每个剪切模拟弹簧的剪切刚度表达式为：
ks＝km(τ＜τm)；
ks＝μAiσn/sm(τ＞τm)；
其中，ks表示每个剪切模拟弹簧的剪切刚度；km表示比管片接头抗剪刚度无限大的量值；Ai表示每个剪切模拟弹簧的剪切面积；σn表示接触界面的径向压应力；μ表示接触界面混凝土的摩擦系数；τ表示剪切应力；sm表示相对位移量。
示例：某隧道管片内径12600mm、外径13800mm，壁厚600mm，环宽2000mm，采用C50钢筋混凝土预制，衬砌分块10块，管片采用斜螺栓连接，螺栓等级8.8级。
拟定管片外侧混凝土层厚度为100mm，内侧混凝土层厚度为80mm，中间混凝土层厚420mm，管片配筋方案为内侧7Φ28+8Φ25，外侧7Φ25+8Φ20+2Φ14。
拟计算的断面覆土为2D＝27.6m(D为隧道外径)。
采用均质圆环法计算管片内力，考虑环向螺栓对管片横向刚度的折减效应，刚度折减系数η＝0.7；考虑纵向螺栓对管片弯矩的提高效应，弯矩增大系数ζ＝0.3。
经计算管片所在断面的最大正弯矩为1012KN·m，对应轴力12370KN；最大负弯矩为1086KN·m，对应轴力13671KN。
对结构进行承载能力验算：
ei＝79+20＝99mm；
13671×103≤
0.94×100×2000×80+1.0×23.1×2000×(x-100)+360×8237.8-360×6257.7-0.94×9.5×2000×100；
13671×103×349≤0.94×100×2000×100×520+1.0×23.1×2000(480-(x-80)
/2)+360×8237.8×510；
取x＝94mm，满足承载能力要求。
对结构进行裂缝验算：
管片裂缝满足要求。
管片接触界面压缩刚度：
管片接触界面剪切刚度：
τm＝780+0.75×12166＝9904.5KN/m2。
本实施例还提供了一种高耐久性叠合式盾构隧道管片结构的施工方法，包括步骤：
步骤1：清理管片模具，涂油；用抹布、刷子、刀具等专用工具将模具内侧各表面、接缝、孔洞等位置残留的混凝土块、浆液等进行彻底清理；对模具内表面及盖板内表面进行涂油，脱模油量应满足设计要求；
步骤2：制作钢筋笼；检查钢筋笼中各主筋、箍筋、纵向钢筋、加密钢筋绑扎质量及数量无误；
步骤3：吊装钢筋笼，装配预埋件；将钢筋笼准确无误吊装至管片模具内并装配预埋件；
步骤4：配置普通混凝土以及超高性能纤维增强混凝土；超高性能纤维增强混凝土中的钢纤维含量应根据实验确定，并在超高性能纤维增强混凝土中加入膨胀剂；
步骤5：浇筑管片内侧混凝土层，厚度为n2cm，箍筋应伸入其超高性能纤维增强混凝土中；
步骤6：浇筑中间混凝土层，厚度为n3cm；
步骤7：浇筑外侧混凝土层，厚度为n1cm，箍筋应伸入其超高性能纤维增强混凝土中；
步骤8：抹面，清理模具及养护。
本实施例提供的这种管片结构充分发挥了超高性能纤维增强混凝土的性能，具有强度高、刚度大、耐腐蚀、耐高温、界面粘结性强、耐久性好的优点；其提高了普通混凝土管片在超载作用下的拉压强度及不良环境因素作用下的耐久性，具有良好的应用前景。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种高耐久性叠合式盾构隧道管片结构，其特征在于，包括：
外侧混凝土层(1)、中间混凝土层(2)、内侧混凝土层(3)、第一螺栓孔(4)、第二螺栓孔(5)、钢筋笼(6)、注浆孔(7)；
所述外侧混凝土层(1)、所述内侧混凝土层(3)均为超高性能纤维增强混凝土层；所述中间混凝土层(2)为普通混凝土层；
所述外侧混凝土层(1)、所述中间混凝土层(2)、所述内侧混凝土层(3)依次叠合浇筑，且所述外侧混凝土层(1)浇筑于所述中间混凝土层(2)外侧；
所述第一螺栓孔(4)设置于所述中间混凝土层(2)内，且其布置方向与隧道的纵向方向一致；所述第一螺栓孔(4)用于连接沿隧道的纵向方向相邻的管片；
所述第二螺栓孔(5)一端贯穿所述内侧混凝土层(2)，另一端贯穿管片结构的侧面；所述第二螺栓孔(5)用于连接沿管片结构的环向相邻的管片；
所述钢筋笼(6)设置于管片结构内；
所述注浆孔(7)沿管片高度方向设置，贯穿整个管片结构。
2.根据权利要求1所述的高耐久性叠合式盾构隧道管片结构，其特征在于，所述钢筋笼(6)包括主筋(61)、箍筋(62)、纵向钢筋(63)；多根所述主筋(61)分设于设置于所述外侧混凝土层(1)、所述内侧混凝土层(3)内；所述箍筋(62)与所述主筋(61)连接；所述箍筋(62)包括多根，多根所述箍筋(62)间隔设置；所述纵向钢筋(63)沿隧道的纵向方向设置，且设置于主筋(61)与箍筋(62)的连接处；所述纵向钢筋(63)用于连接相邻的所述主筋(61)，加固所述钢筋笼(6)。
3.根据权利要求2所述的高耐久性叠合式盾构隧道管片结构，其特征在于，所述主筋(61)包括外侧筋(611)、内侧筋(612)；所述外侧筋(611)设置于所述外侧混凝土层(1)内，且所述外侧筋(611)两端端部弯折伸入所述中间混凝土层(2)内；所述内侧筋(612)设置于所述内侧混凝土层(3)内，且所述内侧筋(612)两端端部弯折伸入所述中间混凝土层(2)内。
4.根据权利要求3所述的高耐久性叠合式盾构隧道管片结构，其特征在于，多根所述箍筋(62)分别与所述外侧筋(611)、内侧筋(612)连接。
5.根据权利要求4所述的高耐久性叠合式盾构隧道管片结构，其特征在于，还包括拼装定位孔(8)；所述拼装定位孔(8)开设于所述内侧混凝土层(3)远离所述中间混凝土层(2)一侧；所述拼装定位孔(8)用于拼装定位。
6.根据权利要求5所述的高耐久性叠合式盾构隧道管片结构，其特征在于，还包括加密钢筋(9)，所述加密钢筋(9)设置于拼装定位孔的孔壁内；所述加密钢筋(9)用于加固孔洞。
7.根据权利要求6所述的高耐久性叠合式盾构隧道管片结构，其特征在于，所述外侧混凝土层(1)以及所述内侧混凝土层(2)内均填充有膨胀剂；外侧混凝土层(1)的厚度以及内侧混凝土层(2)的厚度均不小于2倍混凝土保护层的厚度。
8.一种如权利要求2-7任一项所述的高耐久性叠合式盾构隧道管片结构的设计方法，其特征在于，包括：
采用均质圆环法计算管片结构的内力，并采用极限状态法验算管片结构的承载能力，得到混凝土受压区高度；
N≤α1fc1bt1+α2fc2b(x-t1)+f′yA′s-fyAs-α3f′tbt2；
ei＝e0+ea，/>
其中，
M为管片弯矩设计值；
N为管片轴力设计值；
x为混凝土受压区高度；
t1、t2为受压、受拉区超高性能纤维增强混凝土厚度；
b、h分别为管片的截面宽度和高度；
h0为加固前管片的截面有效高度；
a1、a2、a3为系数，当管片结构混凝土强度等级不超过C50时，取为1.0，当结构混凝土强度等级为C80时，取为0.94，当原结构混凝土强度等级在C50～C80之间时，按线性内插法确定；
e为轴向压力作用点至纵向受拉钢筋和受拉区超高性能纤维增强混凝土合力作用点的距离；
ei为初始偏心距；
e0为轴向压力作用点对截面重心的偏心距；
ea为附加偏心距，按偏心方向截面高度h确定：当h≤600mm，ea＝20mm，当h>600mm时，
A′s为受压区纵向普通钢筋截面面积；
As为受拉区纵向普通钢筋截面面积；
fc1为管片结构超高性能纤维增强混凝土轴心抗压强度设计值；
fc2为管片结构普通混凝土轴心抗压强度设计值；
fy ′为普通钢筋抗压强度设计值；
ft ′为超高性能纤维增强混凝土抗拉强度设计值；
根据矩形界面钢筋混凝土偏心受压构件验算管片结构的裂缝宽度；
且最大裂缝宽度因满足wmax≤wlim；
其中，wmax为最大裂缝宽度；wlim为裂缝宽度限值；
acr表示构件受力特征系数；
ψ表示裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数：当ψ<0.2时，取ψ＝0.2；当ψ>1.0时，取ψ＝1.0；对直接承受重复荷载的构件，取ψ＝1.0；
σs表示按荷载准永久组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉普通钢筋应力或按标准组合计算的预应力混凝土构件纵向受拉钢筋等效应力；
Es表示钢筋的弹性模量；
Cs表示最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离：当Cs<20时，取Cs＝20；当Cs>65时，取Cs＝65；当20<Cs<65时，按线性插值取值；
ρte表示按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率；对无粘结后张构件，仅取纵向受拉普通钢筋计算配筋率；在最大裂缝宽度计算中，当ρte<0.01时，取ρte＝0.01；
Ate表示有效受拉混凝土截面面积：对轴心受拉构件，取构件截面面积；对受弯、偏心受压和偏心受拉构件，取Ate＝0.5bh+(bf-b)hf，此处，bf、hf为受拉翼缘的宽度、高度；
Ap表示受拉区纵向预应力筋截面面积；
dep表示受拉区纵向钢筋的等效直径；对无粘结后张构件，仅为受拉区纵向受拉普通钢筋的等效直径；
di表示受拉区第i种纵向钢筋的公称直径；对于有粘结预应力钢绞线束的直径取为其中/>为单根钢绞线的公称直径，dpl为单束钢绞线根数；
ni表示受拉区第i种纵向钢筋的根数；对于有粘结预应力钢绞线，取为钢绞线束数；
vi表示受拉区第i种纵向钢筋的相对粘结特性系数；
在管片结构中相邻混凝土层之间的接缝处设置剪切模拟弹簧(10)和压缩模拟弹簧(11)；压缩模拟弹簧(11)两端分别与相邻的两混凝土层相连；剪切模拟弹簧(10)垂直于所述压缩模拟弹簧(11)；
由串联弹簧刚度系数计算公式验算管片结构中相邻混凝土层之间的接触界面压缩刚度；
其中，KX1、KX2分别表示外侧混凝土层、内侧混凝土层与中间混凝土层的压缩总刚度；
KY1、KY2、KY3分别表示外侧混凝土层、内侧混凝土层以及中间混凝土层压缩区的压缩刚度；
E1、E3分别为外侧混凝土层、内侧混凝土层的超高性能纤维增强混凝土与普通混凝土的弹性模量；
n1、n2、n3为外侧混凝土层、内侧混凝土层以及中间混凝土层的厚度；
n1’、n2’、n3’为外侧混凝土层、内侧混凝土层以及中间混凝土层压缩区的厚度；
AY为压缩区域的截面面积；
验算管片结构中相邻混凝土层之间的接触界面剪切刚度，计算公式为：
τm＝τ0+σnμ；
其中，τm表示接触界面剪切刚度；τ0表示接触界面的初始剪切刚度；σn表示接触界面的径向压应力；μ表示接触界面混凝土的摩擦系数。
9.根据权利要求8所述的高耐久性叠合式盾构隧道管片结构的设计方法，其特征在于，当剪切应力小于接触界面剪切刚度时，外侧混凝土层、内侧混凝土层之间无相对位移；当剪切应力大于接触界面剪切刚度时，外侧混凝土层、内侧混凝土层之间产生相对位移；则每个剪切模拟弹簧的剪切刚度表达式为：
ks＝km(τ＜τm)；
ks＝μAiσn/sm(τ＞τm)；
其中，ks表示每个剪切模拟弹簧的剪切刚度；km表示比管片接头抗剪刚度无限大的量值；Ai表示每个剪切模拟弹簧的剪切面积；σn表示接触界面的径向压应力；μ表示接触界面混凝土的摩擦系数；τ表示剪切应力；sm表示相对位移量。
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|---|---|---|---|
| CN202310367209.0A CN116537820A (zh) | 2023-04-07 | 2023-04-07 | 一种高耐久性叠合式盾构隧道管片结构及其设计方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117216862A (zh) * | 2023-11-09 | 2023-12-12 | 湖南大学 | 一种基于纤维梁单元的三维盾构隧道动力分析模型 |
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2023
- 2023-04-07 CN CN202310367209.0A patent/CN116537820A/zh active Pending
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| CN117216862B (zh) * | 2023-11-09 | 2024-02-02 | 湖南大学 | 一种基于纤维梁单元的三维盾构隧道动力分析模型 |
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