童建軍，邵國霞

(西南交通大學 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。在海底段穿越全風化的風化囊槽，圍巖松散，滲透性好，圍巖壓力和水壓力大。初期支護在施工階段常出現(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 計算模型及參數(shù)

計算模型采用縱向長1 m荷載—結(jié)構(gòu)模型，初期支護混凝土和二次襯砌采用三維實體單元［1-3］，考慮兩者之間設有防水板，在兩者之間設置接觸單元。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置粘結(jié)單元［4］。

風化囊槽主隧道初期支護工字鋼采用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，支護參數(shù)見圖1。鋼拱架屈服強度的歷時變化參考文獻［5-8］，材料的非線性特性參考文獻［9］，計算參數(shù)見表1。隧道埋深32.5 m，拱頂水位高42.5 m，圍壓計算摩擦角取30°，滑面摩擦角取 18°［10］，計算荷載見圖 2。

2 計算工況

圖1 風化囊槽支護參數(shù)

圖2 荷載示意

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

3 計算結(jié)果

3.1 鋼拱架軸力與銹蝕率關(guān)系

不同荷載分配時，鋼拱架的軸力隨銹蝕率ρ的變化見圖3。

表1 計算參數(shù)表

表2 計算工況

圖3 不同荷載分配時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，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，A值越小，鋼拱架軸力降低系數(shù)降低幅度越小。A=20%時，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，ρ為50%～60%時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，鋼拱架軸力基本喪失。

4)在A值相同時，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，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，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，左右邊墻的ρ=60%時鋼拱架彎矩降低系數(shù)已為0，比A為其它值時鋼拱架彎矩降低系數(shù)的降低幅度要大的多，拱頂?shù)摩?60%時鋼拱架彎矩降低系數(shù)已為0。

3)在ρ=70%時，鋼拱架彎矩基本喪失，ρ=80%時，鋼拱架彎矩全部喪失。

4)在 A值相同時，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，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，軸力和彎矩降低系數(shù)加速下降;ρ=80%時，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，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，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，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變化點，建議在施工中銹蝕嚴重地段及運營中的銹蝕檢查將ρ=50%作為一個警報點。

［1］郝文化.ANSYS土木工程應用實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.

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［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)進展，2006，8(5):8-16.

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