孫斌，丁聰

（1.上海貝卡爾特-二鋼有限公司，上海 200131；2.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211189）

高鐵隧道大直徑盾構(gòu)鋼纖維混凝土管片設(shè)計(jì)和優(yōu)勢(shì)簡析

孫斌1，丁聰2

（1.上海貝卡爾特-二鋼有限公司，上海 200131；2.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211189）

為提高鋼筋混凝土管片的抗裂性能和服役壽命，本文依托望京高鐵隧道大直徑盾構(gòu)研究項(xiàng)目闡述盾構(gòu)鋼纖維鋼筋混凝土管片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過對(duì)比鋼纖維鋼筋混凝土管片和鋼筋混凝土管片的設(shè)計(jì)結(jié)果和成本優(yōu)勢(shì)，得出增加鋼纖維減少鋼筋用量不但降低成本，而且減小混凝土裂縫寬度達(dá)26%，提升管片耐久性．鋼纖維鋼筋混凝土管片設(shè)計(jì)在國內(nèi)是個(gè)創(chuàng)新，可為地下軌交建設(shè)鋼纖維混凝土預(yù)制管片一類工程的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持．

鋼纖維；混凝土；管片設(shè)計(jì)

盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的是鋼筋混凝土管片，但是由于混凝土保護(hù)層抗裂性和韌性差，會(huì)引起因運(yùn)輸、施工、拼裝、圍巖受力變化、鋼筋銹蝕和接縫透水區(qū)域干濕循環(huán)等原因?qū)е碌墓芷炷灵_裂和破損，降低管片的服役壽命．鋼纖維混凝土管片或配筋纖維混凝土管片，因具有增韌、增強(qiáng)、阻裂、提升耐久性和安全性的獨(dú)特性能，使其較好地彌補(bǔ)前述鋼筋混凝土管片的缺點(diǎn)．其抗拉、抗彎強(qiáng)度、韌性和抗裂、耐沖擊、耐腐蝕、耐疲勞性、抗高溫災(zāi)變等性能可得到提高，歐美國家都對(duì)其進(jìn)行了深入的理論研究和廣泛的工程實(shí)踐，而我國高鐵盾構(gòu)隧道使用鋼纖維混凝土管片和配筋鋼纖維混凝土管片的設(shè)計(jì)研究尚處于起步階段．基于望京隧道10 m大直徑管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，采用鋼纖維部分或全部取代鋼筋，提出該新型管片在盾構(gòu)隧道不同埋深段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及與傳統(tǒng)方案的優(yōu)勢(shì)比較．

1 鋼纖維鋼筋混凝土管片計(jì)算

1.1 隧道概況和原初步設(shè)計(jì)方案

隧道全長8.1 km，隧道最大埋深39 m，盾構(gòu)穿越地層主要為砂層、粘土、粉土和粉質(zhì)粘土．采用明挖法、暗挖法和盾構(gòu)施工法其中盾構(gòu)段6.8 km，要求設(shè)計(jì)服役壽命100年．

鋼筋混凝土管片設(shè)計(jì)內(nèi)徑9 m，外徑10 m，采用通用鍥形管片，管片分塊形式：“6+2+1”，管片厚500mm，寬2 m．通過對(duì)淺埋斷面的最大內(nèi)力計(jì)算得到內(nèi)外側(cè)最大配筋見表1．

表1 淺埋斷面配筋表（每環(huán)寬2.0 m）Tab.1 shallow buried section reinforcement

1.2 鋼纖維鋼筋混凝土管片承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算

已知管片h=500 mm，W=2 000 mm，內(nèi)半徑ri=4.5 m，角度=43.2°（標(biāo)準(zhǔn)塊），管片弧長l=3.4 m，保護(hù)層厚度a=a'=35 mm，h0=465 mm，從表1獲悉內(nèi)力最大處為管片內(nèi)側(cè)即每延米軸力N=1 038.9 kN，彎矩M=798.1 kN m．根據(jù)鋼纖維鋼筋管片復(fù)合設(shè)計(jì)要求，在強(qiáng)度C55混凝土摻入佳密克絲4D型鋼纖維30kg/m3．對(duì)淺埋斷面1的內(nèi)側(cè)進(jìn)行驗(yàn)算，步驟包括大小偏心判斷，鋼纖維鋼筋混凝土偏心受壓計(jì)算公式確定，受壓區(qū)高度計(jì)算和配筋計(jì)算．

1.2.1 判別大小偏心受壓

圖1 矩形正截面偏心受壓構(gòu)件應(yīng)力分布Fig.1 Stress of rectangle section under eccentric compression

1.2.2 偏心受壓計(jì)算公式

鋼纖維鋼筋混凝土管片大偏心受壓承載力計(jì)算方法依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1]同時(shí)考慮鋼纖維在受拉區(qū)的貢獻(xiàn)，截面應(yīng)力分布如圖1，具體計(jì)算按式(1)和式(2)．

式(2)中：C55鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度同素混凝土設(shè)計(jì)值ffc=25.3 N/mm2；x為鋼纖維混凝土受壓區(qū)高度，mm；xt為鋼纖維混凝土受拉區(qū)高度，mm，xt=h x=500 x；fy為鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度360N/mm2；A'S為受壓區(qū)鋼筋；AS為受拉區(qū)鋼筋；fftu為鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2，根據(jù)ModelCode2010[3]，fftu=0.33 fR3/rF，fR3是對(duì)應(yīng)小梁切口位移2.5mm的鋼纖維混凝土殘余抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，fR3=3.95N/mm2，該值通過帶切口鋼纖維混凝土小梁試驗(yàn)獲得，試驗(yàn)方法根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)[4]，rF為受壓鋼纖維混凝土材料分項(xiàng)系數(shù)1.25，fftu= 0.33fR3/rF=1.04 N/mm2．

1.2.3 受壓區(qū)高度計(jì)算

對(duì)公式(4)左邊進(jìn)行計(jì)算，考慮荷載系數(shù)1.35，則Nfue=1.35×1038.9×103e=1402.52×103e，e為軸向作用力至受拉鋼筋截面重心的偏心距計(jì)算按公式：

故e=1 003 mm．所以Nfue=1.41×109N mm，將所有數(shù)據(jù)代入公式(4)得x2931x+115287=0，解得x= 147 mm，即受壓區(qū)高度為147 mm．

1.2.4 配筋計(jì)算

對(duì)公式(3)計(jì)算，考慮荷載安全系數(shù)1.35，計(jì)算得AS=5 424 mm2，實(shí)選取28@100 mm，配筋面積AS=6 157 mm2．所以淺埋斷面1-管片內(nèi)側(cè)采用C55混凝土摻入30 kg/m3佳密克絲4D型鋼纖維和28@100 mm，HRB400鋼筋滿足承載力設(shè)計(jì)要求．

1.3 正常使用極限狀態(tài)裂縫寬度驗(yàn)算

1.4 其它不同埋深斷面計(jì)算原理和方法

同上，步驟略，計(jì)算結(jié)果見表2．

2 鋼纖維鋼筋混凝土管片優(yōu)勢(shì)分析

1）傳統(tǒng)鋼筋混凝土管片和鋼纖維鋼筋混凝土管片材料成本分析如表3所示．

從表3得出如與傳統(tǒng)鋼筋混凝土管片比較，中埋段的鋼纖維鋼筋管片的成本優(yōu)勢(shì)較大，節(jié)省達(dá)9.85%，淺埋和深埋段的鋼纖維鋼筋管片成本節(jié)省較少．

2）耐久性．從裂縫寬度的驗(yàn)算結(jié)果得出在增加鋼纖維減少鋼筋用量的設(shè)計(jì)中淺埋管片的裂縫寬度由0.19 mm降低到0.14 mm即寬度減小26%，中埋管片裂縫寬度由0.16 mm降低0.13 mm減小了約18%，深埋管片的裂縫寬度接近．通過裂縫寬度減小顯著地提高了管片的耐久性．

表2 不同埋深斷面計(jì)算結(jié)果Tab.2 Design results of different section

表3 經(jīng)濟(jì)分析Tab.3 Economy analysis

3 結(jié)論

通過對(duì)承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下鋼纖維鋼筋混凝土管片的計(jì)算結(jié)果分析，最終得出鋼纖維與鋼筋混凝土的復(fù)合設(shè)計(jì)方法不僅能減小裂縫寬度提高結(jié)構(gòu)的耐久性及服役壽命且具有一定經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，所以鋼纖維混凝土管片這種新型結(jié)構(gòu)材料和設(shè)計(jì)方法在地下軌交建設(shè)進(jìn)行推廣和使用具有積極的作用．

[1]葉烈平．混凝土結(jié)構(gòu)[M]．第2版．北京：清華大學(xué)出版社，2006．

[2]GB50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[3]M odel code 2010 by International Federation for Structural Concrete（Fib）[S]．M ar．2012，Switzerland，234-246．

[4]ISO 13270，steel fiber for concrete-definitions and specifications[S]．Jan．2013，Switzerland．

[5]DafStb Technical Rule on Steel Fiber Reinforced Concrete by Din committee of[S]．2013，Germany，24-25

[6]中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)．鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（CECS 38：2004）[S]．北京：中國計(jì)劃出版社，2004．

[7]榮健林，聞毓民，吳強(qiáng)．鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片可行性分析[J]．建筑設(shè)備與建筑材料，2006，26（6）：158-159．

[8]蒲奧．纖維混凝土管片設(shè)計(jì)研究及工程運(yùn)用[D]．成都：西南交通大學(xué)，2007．

[責(zé)任編輯 楊屹]

Design and advantage introduction of steel fiber concrete segments of shield tunnel high speed railway

SUN Bin1，DING Cong2

(1.ShanghaiBekaert Ergang Co Ltd,Shanghai 200131,China;2.School of MaterialsScienceand Engineering,SoutheastUniversity, Jiangsu Nanjing 211189,China)

To improve crack resistance and service life of concrete reinforcement segments,the thesis introduces structural design of steel fiber combined reinforcement concrete segments based on big diameter shield tunnel research of Wangjing high speed railway.By comparing design results and the costs between steel fiber combined reinforcement concrete segments and reinforcement concrete segments,we conclude that when adding steel fiber and reducing reinforcement,it not only reduces the cost,but also narrows 26%of the crack w idth,thus improving its durability.The design of steel fiber combinedw ith reinforcementconcrete segments,which is new in our country,can providea theoreticalsupportfor practice of the steel fiber concrete segment in construction of rail transit understructure.

steel fiber;concrete;segment design

U 454

A

1007-2373(2015)06-0112-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.022

2014-09-20

中國鐵路總公司科研開發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)課題（2014G004-N）；國家自然科學(xué)基金（51378113）

孫斌（1970-），女（漢族），高級(jí)工程師．