受荷状态下盾构隧道管片锈蚀劣化破坏过程研究

为研究服役期盾构隧道衬砌结构性能衰退演变规律,从隧道结构长期处于水土荷载和周围离子侵蚀环境耦合作用下的特点出发,根据服役盾构管片压弯荷载受荷特征,采用弯矩、轴力导入的方式,等效地模拟盾构隧道管片的实际受力状态,结合围堰式的电化学加速锈蚀方式,研发了可实现压弯受荷状态下进行盾构管片加速锈蚀劣化的试验系统,重点分析不同工况下盾构隧道管片锈蚀劣化发生发展规律。主要结论有:未锈蚀管片裂缝形态主要以受拉横向裂纹为主;未加载锈蚀管片在锈蚀阶段仅产生顺筋锈胀裂纹,裂纹宽度体现出先增大后趋于稳定的特点,加载破坏阶段锈蚀区混凝土在锈胀裂纹和受拉裂纹共同作用下将出现混凝土局部剥离与错动现象;压弯受荷状态下,管片裂缝的扩展是钢筋锈蚀与外加荷载共同作用的效果,管片受拉裂纹与锈蚀裂纹体现出相伴发生发展的规律,管片承载能力存在较大降低。研究成果可为设计基准期内盾构隧道管片衬砌结构长期安全性能评价提供重要参考。

管片钢筋锈蚀对盾构隧道衬砌结构受力性能的影响研究

水土荷载与离子侵蚀环境的长期作用下,盾构隧道管片衬砌结构的受力性能将发生缓慢地退化。文章从盾构隧道结构受力性能衰退机理出发,开展承载管片构件锈蚀劣化试验,分析了高水土荷载与侵蚀环境联合作用下盾构隧道管片受力性能的衰退演化规律,提出了锈蚀劣化承载管片抗弯刚度衰减模型。以南京纬三路过江通道工程为例,分析了锈蚀劣化后管片衬砌结构的受力性能。研究结果表明:高水土荷载为侵蚀环境对衬砌结构的快速侵蚀弱化创造了条件;承载管片锈蚀劣化过程中,受拉裂纹与锈蚀裂纹相伴发生发展,顺筋方向体现出不均匀锈蚀的特点;水土荷载不变时,承载管片变形随钢筋锈蚀率的增大而非线性增长,构件刚度随锈蚀程度的增大而显著降低;结构锈蚀劣化程度分别为0%、10%、20%及30%四种工况下,结构受力体现出结构刚度降低、变形增大、弯矩减小、轴力水平基本维持不变的变化规律。研究成果可为准确评价设计基准期内,水土荷载与侵蚀环境联合作用下的盾构隧道衬砌结构的长期安全性能提供参考作用。

管片钢筋和螺栓锈蚀条件下盾构隧道结构时变可靠度分析

针对管片钢筋与接头螺栓锈蚀对盾构隧道结构性态影响的不确定性,文章基于锈蚀实测数据,采用Gamma随机过程模型建立了材料锈蚀深度随时间增长的不确定关系。在ABAQUS软件中利用Python语言建立了隧道结构可靠度计算流程,分析了盾构隧道在不同钢筋和螺栓锈蚀状态下的结构可靠度,获得了隧道结构在极限承载力和正常使用两种极限状态下的失效概率随时间的变化规律。研究表明,在隧道全寿命周期内,一旦钢筋和螺栓发生锈蚀,在常见的20%~30%螺栓锈蚀率条件下,隧道结构失效概率即达到较高水平,30%以上的螺栓锈蚀率可使接头截面的承载能力失效概率接近100%。隧道结构一环衬砌的失效概率受螺栓锈蚀的影响较为显著,而钢筋锈蚀也会对管片的承载力及刚度产生较大影响。