0 引言
我国寒冷地区分布着大量的隧道工程,在寒冷或季节交替明显的地区,抗冻性是隧道建设中混凝土工程设计的重要指标,同时也是影响混凝土构件耐久性的主要问题[1 -2]。在已建成隧道中,混凝土构件由于处于高应力、潮湿和温度突变等复杂环境中,混凝土结构内部出现不同程度的裂缝[1]。根据目前国内研究现状看,主要采取措施是在混凝土中加入纤维材料提高结构的抗裂性能或将纤维织物加固在混凝土表面。如张迅等[2]在水底隧道、地铁管片和气水分离结构中加入聚丙烯纤维进行加固; 文献[3 -5]通过将不同纤维加入到不同混凝土结构中,均取得了一定的效果,但由于掺入纤维在混凝土中接团,未能充分发挥纤维作用,且钢纤维容易锈蚀; 文献[6 -7]将碳纤维织物( CFRP) 粘贴在混凝土表面进行研究。采用CFRP 布加固,国内大多应用于建筑和桥梁等工程中,但在隧道病害处理中很少应用。由于隧道中冻融循环和潮湿影响,CFRP 布很难直接粘贴在构件表面,目前,国内外也很少研究。本文以西安地铁三号线某标段隧道渗水为背景,对混凝土表面进行处理,将CFRP 布用特制的结构专用胶直接贴在结构表面,形成了CFRP 布修复冻融损伤混凝土构件,并对其进行抗弯试验,分析CFRP 布不同修复方式下结构的破坏形态,承载力、荷载- 应变关系以及挠度等参数的变化,进一步探索隧道中冻融损伤混凝土修复技术。
1 工程概况及试验方案
1. 1 工程概况
西安地铁三号线轨道工程D3GD - 某标包括三号线正线及辅助线、二号线与三号线联络线、出入场线全长约28. 736 km( 单线) 。线路起自雁塔区的鱼化寨停车场,途中设车站。此次事故位于鱼化寨附近,基坑与区间隧道连接处的混凝土衬砌工程暴露在外,风力较大,加之存在大量积水,且西安地处黄土高原,冬季白昼温差较大,出现了隧道冻融病害,如图1 所示。
图1 隧道衬砌混凝土冻融损伤
1. 2 试验方案
为解决实际工程问题,本文采用CFRP 布对冻融损伤试件进行修复。因冻融试验机容积有限,故试验取样试件较小,属于模型试验,每组试验反复3 次,试件尺寸参照文献[1],为100 mm × 100 mm × 400 mm( 长× 宽× 高) 。水泥采用普通矿渣硅酸盐水泥,配置C30 混凝土,试验参数及破坏情况见表1。CFRP 布修复试件及加载破坏如图2 所示,加载装置和应变片位置如图3 所示。
表1 试验参数及破坏情况
图2 CFRP 布修复冻融100 次试件及加载破坏图
图3 加载装置及应变片布置
2 试验结果
2. 1 冻融循环试验结果
试件分别进行50、100、150、200 次冻融循环试验,其质量和动弹性模量损失以同批4 块试件的平均值为准,且试件各试验值的误差不超过5%。试件经过不同冻融循环次数后,发生破坏如图4 所示,质量损失率和动弹性模量损失率见图5 和图6。图4 表明,未冻融时,试件表面光滑密实; 冻融50 次后,试件表面出现类似针孔状的小孔,表面出现砂浆颗粒; 冻融100次后,混凝土表面进一步被剥蚀,粗骨料裸露表面,部分表面出现微小裂缝,端部有掉渣现象; 冻融150 次后,试件整个表面出现大量浮砂,裂缝越来越发育; 冻融200 次后,裂缝贯通,部分试件端部断裂。
由图5 和图6 可知,施工现场利用矿渣硅酸盐水泥配置的C30 混凝土,经过冻融175 次后,质量损失率超过5% ; 冻融125 次后,动弹性模量损失率超过10%。
质量和动弹性模量作为混凝土试件的基本参数,判断试件破坏均存在一定误差。
图4 试件发生冻融破坏
图5 质量损失率
图6 动弹性模量损失率
2. 2 抗弯试验结果与参数分析
2. 2. 1 抗弯试验结果
冻融100 次和150 次后加载时,试件突然断裂且荷载值很小; 冻融200 次后,试件角部已经破碎,无法加载。对试件用CFRP 布全包修复后加载,加载时会听到“噼啪”声,达到极限荷载时,底部CFRP 布被拉断,会听到巨大的拉断声,试件没有完全断裂,承载力和延性得到较大的提高。对纯弯段采用CFRP 布分包修复时,加载点处混凝土破坏,且往剪跨区开裂; 对剪跨区采用CFRP 布分包修复时,CFRP 布与混凝土发生剥离破坏。
2. 2. 2 参数分析
2. 2. 2. 1 CFRP 布修复方式对不同冻融损伤试件承载力的影响
根据冻融损伤试验可知,矿渣硅酸盐水泥配置的C30 混凝土经过冻融循环150 次后结构发生破坏。因此,主要分析CFRP 布修复冻融100 次试件的承载力,冻融100 次后试件承载力值为0. 6 kN,CFRP 布全、分包修复冻融损伤100 次试件的承载力与应变关系如图7 所示,CFRP 布全包修复不同冻融损伤试件的抗弯承载力与跨中底部应变关系如图8 所示。
通过图7 可得出,CFRP 布全包方式可大幅度提高损伤混凝土构件的承载力,与未修复试件相比,承载力提高12. 63 倍; 与CFRP 布纯弯段修复( 中间分包)试件相比,承载力提高了48%; 与剪跨段修复( 两端分包) 试件相比,承载力提高了81. 8%。
通过图8 可得出,随着冻融循环次数的增加,CFRP 布全包修复试件的承载力逐渐下降,但试件损伤到一定程度( 冻融150 次和200 次) 后,试件的承载力仅下降7. 5%。
图7 CFRP 布修复冻融损伤100 次试件的承载力- 应变图
图8 CFRP 布全包修复不同冻融试件承载力- 底部应变图
2. 2. 2. 2 CFRP 布修复损伤试件平截面分析
对于CFRP 布修复试件的承载力而言,全包修复方式的效果最好,但冻融损伤试件经过CFRP 布修复后试件的延性需进一步研究。
图9 为CFRP 布全、分包修复冻融100 次试件平截面处极限应变图,通过分析可得,CFRP 布修复冻融损伤混凝土试件能有效提高试件的延性,与未修复试件相比( 极限应变50. 724) ,全包修复试件延性提高了18. 48 倍,中间分包修复试件提高了13. 66 倍,两端分包试件提高了12. 47 倍,其中CFRP 布全包修复试件延性提高最大。
图9 CFRP 布全、分包修复冻融100 次试件平截面极限应变
图10 是CFRP 布全包修复不同冻融损伤试件平截面处极限应变图,通过分析可知: 冻融循环对CFRP布修复抗弯试件的平截面有影响,随着冻融循环次数的增加,逐渐将不满足平截面假定; 加载时,CFRP 布修复试件的中性轴上移越来越快,试件的延性也越来越大,冻融200 次试件极限应变达到2 500。
图10 CFRP 布全包修复不同冻融试件平截面极限应变
2. 2. 2. 3 CFRP 布修复冻融损伤试件的荷载与应变分析
为了进一步研究CFRP 布修复冻融损伤混凝土构件剪跨区受力情况,在剪跨区支座处布置了2 条横、竖向应变片,当荷载发生变化时,应变也会发生变化,荷载- 应变关系如图11 和图12 所示。
图11 CFRP 布全包修复试件荷载与支座处竖向应变的关系
图12 CFRP 布全包修复试件荷载与支座处横向应变的关系
通过对图11 和12 进行分析可得,随着冻融次数的增加,承载力逐渐降低,剪跨区竖向、横向延性变形也逐渐加大,说明冻融循环使剪跨区混凝土受到一定程度的损伤,试件延性增大; 冻融50 次后,全包试件的承载力下降,横向、竖向应变增加较小; 但试件冻融100 次后,CFRP 布全包修复效果较好,变形增大,说明混凝土受损后很容易变形,主要由CFRP 布和混凝土共同受力,协同性较好。
3 全包抗弯构件承载力计算
3. 1 混凝土模型简化
3. 1. 1 梯形抗压强度模型
基于GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[8]推荐模型和赵彤模型[9 - 10],本文对混凝土梯形应力简化后模型如图13 所示,简化后
式( 1) —( 3) 中: fc为混凝土的应力简化强度; x 为上、下某一点到中性轴的距离; α 为混凝土的折减系数; xc为合力到中性轴的距离; b 为梁截面有效宽度;ζ 为受压区高度修正系数。
图13 抗弯计算图
3. 1. 2 冻融损伤混凝土强度模型
利用冻融模型[11 - 13]对损伤混凝土分析,模型转换后,
式中: σ 和σc分别为任意时刻的应力和峰值应力; ε和εc分别为任意时刻的应变和峰值应变; A 是初始混凝土的弹性模量和割线模量的比值,本文采用C30 混凝土,取值1. 78; l1、l2和l3均表示冻融修正系数,见表2。
表2 本构关系参数表
经过计算,得到冻融损伤后混凝土的本构关系,普通混凝土试件本构关系
混凝土试件冻融50、100 和150 次后,本构关系同理可计算得出。
3. 2 极限弯矩
根据弹性理论,截面的极限弯矩
式( 7) —( 9) 中: Ws为塑性截面系数; h0为梁的有效截面高度。
弹性截面系数
极限弯矩Mu分别经过弹性和塑性计算,计算结果相差较大,本次试验弹性和塑性荷载相差值见表3,差值在20% ~ 30%,为使试件能进入弹塑性阶段,又要偏于安全,梁仍然按弹性方法计算,增大系数取下限为1. 20[15 - 16]。
表3 弹、塑性荷载数值表
3. 3 全包修复冻融损伤构件抗弯承载力计算
加固梁的受力模型如图14 所示,根据截面受力平衡条件
式( 12) —( 14) 中fcfs为CFRP 布全包修复极限抗拉强度,由CFRP 布卷材厂家提供。
利用抗弯承载力公式,计算CFRP 布全包修复未冻融、冻融50、100、150、200 次试件的抗弯承载力分别为23. 66、11. 5、7. 8、6. 9、6. 2 kN。与试验结果进行对比,全包修复冻融损伤试件抗弯承载力误差控制在8%以内。
图14 加固梁的受力图
4 CFRP 布修复冻融损伤抗弯构件非线性分析
采用ABAQUS 有限元软件对CFRP 布修复冻融损伤抗弯试件进行模拟,在前处理模块中建模,CFRP布采用壳单元S4R,混凝土模型采用实体单元C3D8R,如图15 所示,粘结剂采用内聚力单元C0H3D8,其上、下接触表面采用tie 连接,进行网格划分。加载时,建立参考点,并建立耦合关系,使分析达到更好的收敛效果[16]。
图15 混凝土及CFRP 布建模及网格划分
CFRP 布修复冻融损伤混凝土构件有限元模拟结果与试验中荷载、挠度、应变相比较,见图16 和图17,分析得出: 冻融50 次后,横向应变、挠度变化基本相同; 随着冻融次数的增加,应变越来越大,极限挠度值越来越小。通过ABAQUS 对CFRP 布修复冻融损伤抗弯试件进行非线性分析,较好地反映出CFRP 布修复损伤试件的受力性能。
图16 试件的荷载- 挠度图
图17 试件剪跨区荷载- 横向应变图
5 结论与建议
本文以西安地铁三号线基坑与区间隧道连接处混凝土衬砌冻融损伤为背景,通过现场调查与工程试验研究CFRP 布修复隧道中混凝土抗弯结构力学性能,得出以下结论。
1) 矿渣硅酸盐水泥配置的C30 混凝土经过冻融175 次后,质量损失率超过5%,冻融125 次后,动弹性模量损失率超过10%,质量和动弹性模量作为混凝土试件的基本参数,判断试件破坏存在一定误差。
2) 通过对CFRP 布全、分包试件的承载力、平截面及剪跨区变形相比较,得出CFRP 布全包为最优修复方式; 随着冻融次数的增加,试件的延性增加,中性轴上移速度也越来越快,逐渐不满足平截面假定。
3) 通过计算和ABAQUS 模拟,得到了不同冻融次数后全包试件的承载力公式,经过计算与模拟,得到的理论值、模拟值与试验值存在一定误差,经过误差处理后,较好地反应出试验结果。
本文利用CFRP 布加固技术对隧道中混凝土抗弯构件进行了修复,并进行了理论计算和有限元模拟,但只针对西安地铁三号线使用的矿渣硅酸盐水泥配置的C30 混凝土进行了探索,并在实际工程应用中取得了良好的效果。混凝土结构冻融损伤严重,试件达到破坏后,CFRP 布全包试验效果较好,建议尽量加固有冻融损伤但还没有达到破坏的试件。
摘自:隧道建设