盾构隧道混凝土管片的承载力退化模型.pdf
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1、2 0 1 2 年 第 7 期 (总 第 2 7 3 期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 2 ( T o t al No 2 7 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 混凝土制品 CONCRETE PR0DUCTS d o i : 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 7 3 5 盾构隧道混凝土管片的承载力退化模型 刘曙光 ,余红发 。江大虎 1 t 2 ,李强 1 I 3 ,卢一亭 ,马好霞 ( 1 南京航空航天大学 土木工程系, 江苏 南京 2 1 0 0 1 6 ;2 江阴市建筑设计研究院有限公司, 江
2、苏 江阴 2 1 4 4 3 1 ; 3 浙江建设职业技术学院 ,浙江 杭州 3 1 1 2 3 1 ) 摘要: 介绍了混凝土结构承载能力的退化模型, 基于承载能力限值的混凝土结构耐久性寿命 T = t + z : 。 确定了退化模型水平段时间( 。 ) , h = mi n ( T c o 2 , T a - , T s o ,- , T o ) , 并确定了z , 7 , z _ , ; 建立了锈蚀钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算模型、 钢筋锈蚀截面损失率计算 模型、 杂散电流腐蚀下钢筋锈蚀截面损失率计算模型、 腐蚀混凝土轴心抗压强度计算模型, 确定了退化模型下降段时间( ) ; 给出了
3、杂散电 流和氯离子与混凝 土的力学性能退化关系。 关键词 : 盾构隧道 ;混凝土管片 ;退化模 型 ;耐久性 ;承载力 中图分类号 : T U5 2 8 7 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 7 0 1 0 8 0 6 Se r v i c e l i f e pr e di c t i on me t h od of c onc r ete s egmen t s of s hi e l d t un nel L I US h u - g u a n g , Y UHo n g - f a , J I ANGDa - h u ,
4、L Qi a n g 1 ,3 L UY i t in g I , MAHa o - x i a ( 1 D e p a r t me n t o f Civ i l E n g i n e e r i n g , Na n j i n g Un i v e r s i t yo f A e r o n a u t i c s a n dAs t r o n a u t i c s , Nanj i n g2 1 0 0 1 6 , Ch i n a ; 2 J i ang y i nA r c h it e c t e c t r a l De s i g nandR e s e a r c
5、 hCo , L t d , J i ang y i n 2 1 4 4 3 1 , C h i n a ; 3 Z h e j i a n gC o l l e g e o f C o n s t r u i o n, Hang z h o u 3 1 1 2 3 1 , C h i n a ) Ab s t r a ct: I n tro d u c e s t h e c o n c r e t e s t r u c t u r e o f c a r r y i n gc a p a c i tyo f d e g r a d a t i o nmo d e l , b a s e
6、do n the c a p a c i t y o f c o n c r e t e s t r u c t u r e e n d u r a n c e i nl i f e T = t l竹2 S u r e t h e d e g r a d a t i o n mo d e l l e v e l p e r i o d o f t i me ( t 1 ) , t - - mi n ( T c o 2 , T o - , T s o ,- , ) , a n d a s c r e t a i n t h e T o o : , z , , T D ; e s t a b l
7、i s h the c o r r o d e d r e i n f o me d c o n c r e t efl e x u r a l me mb e r s b e a r i n g c a p a c i ty c a l c u l a t i o nmo d e l o f n o r ma l s e c t i o n , and r u s t c o rro s i o n s e c t i o nl o s s c a l c u l a t i o nmo d e l a n d s t r a y c u r r e n t c o rro s i o nu
8、n d e r s e c tio nl o s sc a l c u l a t i o nmo d e l , c o rro s i o na x i so f c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s tre ng t h c a l c u l a t i o nm o d e l , ma ke s ur et h ed e g r a d a t i o n mo d e l f o r s o me t i me d o w n( t 2 ) ; g i v e s the s t r a y c u r r ent andc h l o r
9、i d e i o n s andd e g r a d a t i o no f the me c h ani c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e r e l a t i o n s K e ywo r d s : s h i e l dt u n n e l s e g me n t ; d e g r a d a t i o nmo d e l ; d ura b i l i ty; b e a r i n g c a p a c i ty O 引言 混凝土管片是盾构法施工隧道的主要受力构件, 盾构隧道 混凝土管片由于其特殊的工作环
10、境, 管片结构的内部存在碳化 作用【 ” , 管片结构的外部可能受到环境水土对混凝土的硫酸盐 腐蚀作用闭 , 以及氯离子对钢筋的锈蚀作用四 ; 对于地铁隧道, 混 凝土管片还存在着杂散电流对钢筋锈蚀的加速破坏H , 因而其 破坏作用甚至存在碳化、 杂散电流、 硫酸盐腐蚀和氯盐锈蚀及 其耦合破坏。 无论是碳化引起、 氯离子扩散引起或者杂散电流引 起的钢筋锈蚀, 或者混凝土发生腐蚀破坏, 以及钢筋锈蚀与混凝 土腐蚀同时发生的情形, 都将会导致钢筋混凝土结构的承载能 力的降低, 因此, 研究盾构隧道混凝土管片在复杂工作环境下的 服役寿命问题很有必要。 本文依据现有的混凝土结构耐久性知 识, 基于混凝
11、土结构的承载力的劣化规律 , 建立了盾构隧道混凝 土管片的承载力退化模型, 可以用于这种特殊结构的寿命设计。 1 承载力退化模型的建立 根据已有的锈蚀钢筋强度衰减模型网 和混凝土腐蚀强度劣 化模型网 , 建立混凝土结构承载能力退化模型, 如图 1 所示。 该 P 瞄 服役 寿命 图 1 盾构隧道混凝土管片的承载力退化模型示意图 模型由诱导期( 水平段 ) 和劣化期( 下降段) 构成 , 其中诱导期的 时间长度由碳化、 氯离子扩散或者杂散电流以及这些耐久性因 素的耦合作用引起钢筋开始锈蚀的时刻、 或者是硫酸盐腐蚀导 致混凝土强度开始下降的时刻来确定; 而劣化期则是由不同耐 久性因素及其耦合作用引
12、起钢筋锈蚀导致钢筋强度的降低速 率和截面损失速度、 硫酸盐腐蚀导致混凝土强度的降低速率来 确定, 诱导期的曲线形状由锈蚀钢筋屈服强度 、 抗拉强度以及 腐蚀混凝土的抗压强度的衰减理论方程或经验公式决定。 当承 载力下降到极限状态时, 认为该结构的服役寿命终止, 结构失效。 根据图 1 , 基于承载力极限状态的混凝土结构的耐久性寿 命 为: 收稿 日期 :2 0 1 1 - 1 2 - 0 1 基金项 目: 国家重点基础研究发展计 tJ ( 9 7 3 计划) 资助项目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 ) ; 2 0 1 0 年浙江省建设厅科技项目( 1 0 0 6 ) ; 江
13、苏省“ 六大人才高峰” 高层次 人才项 目( 苏人通 2 0 0 8 3 2 9 号 ) 1 0 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m T = t l 2 ( 1 ) 2 退化模型诱导期( t 1 ) 的确定 2 1 盾构 隧道混凝土管片的承载力退化模型的诱 导 期计算 在盾构隧道混凝土管片的承载力退化模型中, 诱导期是指 盾构隧道混凝土管片从开始工作时起、 到其承载力开始下降的 这段时间 , 即 : t - mi n ( , T o 一 , , ) ( 2 ) 式中: 碳化深度到达钢筋表面, 开始破坏钢筋表面钝化 膜、 使钢筋开始锈蚀的时间; 一 钢筋表面的 c
14、 l 榷 度达到临界值, 开始引起钢筋锈 蚀 的时间 ; s 0 腐蚀导致混凝土强度开始下降的时间; 在杂散电流作用下钢筋开始锈蚀的时间, 文献 7 健 议取 T D = 1 0年 。 2 2 的确 定 在大气碳化条件下, 采用上海市工程建设规范推荐的计 算模型S l : ( ) : 。k k C k T E R H ( 1 一 日 ) f 害 一 0 7 6 1 ( 3 ) , ,k 式中: x( t ) 混凝土碳化深度, mm; 混凝土碳化 时间; j m: O 浓度影响系数, 0 0 = 、 7 丽 ; CO 2 浓度; |l 位置影响系数, 构件角区取 1 4 , 非角区取 1 j k
15、 t 养护浇筑影响系数, 取 1 2 ; t 。 工作应力影响系数 , 受压时取 1 , 受拉时取 1 2 ; T E 、 R H环境温度和相对湿度; 厶, 混凝土抗压强度标准值 , MP a 。 在计算过程中, 设定混凝土的碳化深度到达钢筋表面, 作为 钢筋开始锈蚀的标志, 即 ( ) = : c , 其中 ( ) 为碳化深度, C为保 护层厚度, 代入式( 3 ) , 得g l : , C 12 【 式中: C 钢筋保护层厚度; 其他参数意义见式( 3 o 2 3 一 的确定 在氯离子扩散条件下 , 的计算采用余红发孙伟模型7 1 : 1 【 2 案 川 式中: C ( x , t ) 时
16、刻距表面 的氯离子浓度; c 0 混凝土内初始氯离子浓度; 混凝土暴露表面氯离子浓度 , 等于混凝土周围环境 的氯离子浓度; e 矿 误 差函 数, e o F( ) = J e ; V 距混凝土表面的距离; D a 。 初始氯离子扩散系数; t o 初始水化龄期; 扩散时间 ; m为常数, 一般为 0 6 4 ; 混凝土氯离子扩散性能的劣化效应系数; R混凝土的氯离子结合能力。 氯离子扩散进入混凝土内部, 当钢筋表面的氯离子浓度达 到临界浓度时, 钢筋开始锈蚀 , P C ( c , t ) = C 1 - 1 , 代人式( 5 ) , 得 : ! l 2 蒋 J J 式中: C 钢筋保护层
17、厚度; c l q 氯离子临界浓度 , 一般在 O 1 5 - 4 ) 4 之间 。 其他参数见式( 5 o 2 4 的确 定 对于硫酸盐腐蚀环境, 余红发在大量试验数据的基础上, 总结出混凝土在腐蚀过程中的相对动弹性模量的演化规律【 l州 , 一 般情况下 , 混凝土的损伤失效模式为单段损伤模式和双段损 伤模式, 如图 2 所示【 1 l】 。 时间 d ( b ) HP C 图2 F A C粉煤灰混凝土、 H P C高性能混凝土在 5 硫酸镁溶液 作用下的相对动弹变化规律 单段损伤模式的数学模型为: 1 + 6 c ( 7 ) 式中: J暂蚀时间; b 混凝土的损伤初速度, b 0 ; C
18、 混凝土的损伤加速度, c a O , c l 。 混凝土保护层开裂后钢筋锈蚀的深度公式: _ 式中: ( ) 混凝土开裂后的钢筋锈蚀深度, mm; 混凝土开裂时的钢筋锈蚀深度, mm; A 。 , 混凝土开裂前的钢筋锈蚀速度, mm 年; 混凝土开裂时间, 年。 在求出 、 A 。 后, 根据混凝土保护层开裂后钢筋锈蚀的深度 公式( 2 1 ) , 可以得出混凝土开裂后钢筋的锈蚀深度 , 代入式( 1 7 ) 求出混凝土开裂后的钢筋锈蚀截面损失率。 3 3 杂散电流腐蚀下钢筋锈蚀截面损失率的计算模型 实际上, 地铁运营所产生的杂散电流比较复杂, 在轨道的每 一 处都有可能产生杂散电流。 在分
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