（地质工程专业论文）隧道钢架喷混凝土支护安全性评价方法研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：隧道施工中，利用支护位移的监控量测数据及时地进行支护结构的安全性 评价是隧道动态设计的关键，对保证隧道结构的安全具有重要意义。在隧道监控 量测参数中，支护位移由于测量方便、花费低和可信度高，在工程实践中被广泛 采用。 本文针对以位移为基础的隧道支护结构安全性分析方法，探讨了钢架喷混凝 土的收缩和徐变变形对隧道安全性的影响。叙述了喷射混凝土的干缩和徐变特性， 并且阐述了钢筋对混凝土干缩与徐变的影响因素，推导了考虑干缩和徐变时支护 内力的计算公式。在计算钢筋混凝土干缩的应变时，考虑了钢筋与混凝土之间的 粘结力的作用，弥补了以往只考虑素混凝土干缩的不足，建立了干缩的应变公式； 在计算徐变应变时，考虑了配筋率对变形的影响，同时考虑了保护层、养护条件 等诸多因素。最后给出了支护结构截面失效时大偏压构件和小偏压构件的功能函 数，计算采用可靠度分析中的蒙特卡罗法来计算功能函数的失效概率和可靠度指 标，并进行了工程实例分析。 分析结果表明，干缩与徐变均使隧道支护结构的可靠指标有所增加，不考虑 干缩与徐变时的计算结果是偏于保守的。相比而言，干缩使可靠指标增大不多， 一般情况下可忽略其影响。徐变对可靠指标的影响，在喷层受力不大时，影响不 显著，实际工作中可以不考虑；反之，则建议考虑徐变的影响。 本文的工作提高并完善了施工期隧道钢架喷混凝土支护安全性评价位移方 法。 关键词：干缩，徐变，钢架喷混凝土支护，配筋率，结构可靠度，位移方法。 分类号： 北京交通大学硕+ 学位论文 a bs t r a c t a b s t r a c t ：t oat u n n e lu n d e rc o n s t r u c t i o n ，ap r o m p ta s s e s s m e n tt ot h es a f e t yo ft h e l i n i n gt h r o u g hi n s i t um e a s u r e dd a t ai so fp r a c t i c a li m p o r t a n c eb o t hf o rt h ed y n a m i c d e s i g na n dt og u a r a n t e et h es t a b i l i t yo ft h et u n n e l a m o n ga l lt h ep a r a m e t e r sm e a s u r e d d u r i n gt u n n e lc o n s t r u c t i o n , d i s p l a c e m e n ti sw i d e l yu s e da n dt h u sa c c e p t e da sav e r y e s s e n t i a lq u a n t i t y , d u et oi t sa d v a n t a g e si nc o n v e n i e n c e ，l o wc o s ta n dh i g hc r e d i b i l i t y i nt e r m so ft h ed i s p l a c e m e n t - b a s e dm e t h o dp r o p o s e dt oe v a l u a t et h es a f e t yo f t u n n e l s u p p o r ts t r u c t u r e s ，t h ei n f l u e n c eo fs h r i n k a g ea n dc r e e po fs h o t c r e t eo nt h e s t a b i l i t yo ft u n n e l si sa p p r o a c h e di nt h i sp a p e r t h ep r o p e r t i e so fs h o t c r e t eo ns h r i n k a g e a n dc r e e pa r ed i s c u s s e d t h er e i n f o r c e m e n t si n f l u e n c i n gf a c t o r so nc o n c r e t ec r e e pa n d s h r i n k a g ea r ed i s c r i b e d ，a n dt h ef o r m u l a st oc a l c u l a t et h ei n t e m a lf o r c e so f t h es h o t c r e t e l i m n gw i t hs h r i n k a g ea n dc r e e pc o n s i d e r e da r ed e r i v e do u t t h ec o h e n s i o nb e t w e e n t h e ma r ec o n s i d e r e d ，w h e ns o l v i n gt h ed i s p l a c e m e n tv e c t o rc a u s e db ys h r i n k a g e b e t w e e nr e i n f o r c e m n e ta n dc o n c r e t e ，w h i c hr e m e d i e sd e f e c t st h a tt h ec o n c r e t e s h r i n k a g ei st h eo n l yc h o i c e ，t h e nb u i l dt h es t r a i nf o r m u l a so fs h r i n k a g e c o n s i d e rt h e e f f e c to ft h er e i n f c l r c e m e n tr a t i oo nt h ed e f o r m a t i o n ，t h ep o t e c t i v el a y e rc u r i n g c o n d i t i o n ，e t c w h e ns o l v i n gt h ec r e e p f i n a l l yt h ep e r f o r m a n c ef u n c t i o no nl a r g eb i a s a n dl o wb i a sc o m p o n e n ta r eg i v e d d u r i n gt h ec o m p u t i n gt h em o n t ec a r l om e t h o da r e a p p l i e dt oc a l c u l a t ef a i l u r ep r o b a b i l i t yp fa n dr e l i a b i l i t yi n d e xpo f t h ef u n c t i o n t h e n d os o m ee x a m p l ea n a l y s e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dg i v e sl a r g e rr e l i a b i l i t yi n d e xw h e ns h r i n k a g e a n dc r e e po ft h es h o t c r e t ea r et a k e ni n t oa c c o u n t t h a ti st os a y ，t h er e l i a b i l i t yi n d e x w a su n d e r e s t i m a t e di nt h ep a s t i nc o m p a r i s o nw i t hc r e e p ，s h r i n k a g ed o e s n th a v em u c h c o n t r i b u t i o nt ot h ei n c r e a s eo ft h er e l i a b i l i t yi n d e x ，w h i c hm e a n st h a ts h r i n k a g ec o u l d b en e g l e c t e di nt h ea n a l y s i s t h ei n f l u e n c eo fc r e e pd e p e n d so nt h ed i m e n s i o no ft h e i n t e r n a lf o r c e so ft h el i n i n g w h e nt h ef o r c e sa r es m a l l ，t h ei n f l u e n c eo fc r e e pc o u l db e i g n o r e d h o w e v e r , w h e nt h ef o r c e sa r eb i g ，t h ei n f l u e n c eo fc r e e ps h o u l db et a k e ni n t o c o n s i d e r a t i o n t h i sw o r ki m p r o v e st h ea c c u r a c yo ft h ed i s p l a c e m e n t b a s e dm e t h o d k e y w o r d s ：s h r i n k a g e ；c r e e p ；r e i n f o r c e ds h o t c r e t e ；r e i n f o r c e m e n tr a t i o ；s t r u c t u r a l r e l i a b i l i t y ；d i s p l a c e m e n t - b a s e dm e t h o d c l a s s n o ： v 本文的主要符号表 c 收缩应变； 6 , h ( t ，f c ) 混凝土的收缩应变，l 矿； j ( f ，f o ) 徐变函数。 c ( f ) 徐变度，单位应力引起的徐变应变； 办。徐变系数； h u m 环境相对湿度，以小数表示； f 混凝土龄期，d ； 混凝士的加载龄期，d ； t 混凝土开始干燥时的龄期，或混凝土潮湿养护结束时的龄期，d 。 厶喷射混凝土圆柱体抗压强度，k p a = z 喷射混凝土抗压强度，k p a 。 最2 8 混凝土2 8 d 时的弹性模量，k p a 。对于这里所讨论的喷射混凝土，取巨2 b 为喷射混凝 土弹性模量的8 0 。 z 砼抗压强度，l ( p a ； z 砼抗拉强度，l o a ； e f 时刻喷射混凝土的弹性模量，k p a ； 毛f2 时喷射混凝士的弹性模量，l ( p a ； 口时间常数，1 , 1 , 时。 b 截面宽度，m ； h 截面厚度，l i l t f 测量次第； 轴力，k n ； m 弯矩，k n m ； z x n , 从i 1 时刻到i 时刻轴力增量，k n ； 膨：从j 1 时刻到i 时刻弯矩增量，k n m ； 厶，厶一。分别为i 时刻及i - 1 时刻中心轴长度，m ； 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：壬芝、超 签字日期：口p g 年么月j 日 导师签名： 杩揪匀z ， 签字日期：砂够年月，日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：干去起签字日期：i d d 辟易月： 日 学位论文作者签名：杰栏签字日期： i d d 辟勿月 日 6 7 致谢 在本论文得以完成之际，我衷心地感谢导师杨成永教授，本论文是在杨成 永的悉心指导下完成的，是作者在攻读硕士学位期间的总结。 杨成永教授严谨求实的治学态度，深厚扎实的学术功底，锐意进取的科研精 神，平易近人的工作作风，敏锐的洞察力让学生终身受益。杨成永对学生学习上， 生活中的关怀，让学生终生难忘。谨向杨成永老师致以最衷心的感谢! 衷心感谢李玉海硕士、李小寒硕士、郑美兰硕士，张强博士，尤其感谢张 咂硕士，他们的工作为我的研究工作奠定了基础。此外，向本文所引用文献的作 者表示感谢，他们的工作为我提供了非常宝贵的参考。 衷心感谢室友吕记斌硕士、史东军硕士和好友崔国生硕士等，在科研和生 活方面的支持与帮助。 最后，我要特别感谢我的父母和家人! 他们始终不渝的给予我物质和精神 上的全力支持，他们付出了大量的心血和劳动，给了我很大的帮助，是他们的支 持鼓励和鞭策使得我能顺利地完成学业，在此表示深深地感谢! 对于参加答辩工作和评阅老师，在百忙之中抽出时间来审阅我的论文，表 示感谢。由于受时间和本人水平的限制，本文难免存在一定的不足和漏洞，希望 老师给予批评与指正。 王志超 2 0 0 8 年6 月2 北京交通大学硕士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的背景和意义 随着现代交通的迅速发展、西部大开发战略的实施以及高速铁路公路的大量 修建，为满足线路技术指标、缩短路程、行车时间、减少病害、提高运营效益， 隧道的优越性同益显著，其修建数量日益增多。2 0 世纪8 0 年代以来，我国的交通 隧道建设事业取得了迅猛增长。据有关资料表明，目前我国铁路隧道已达6 8 7 6 座， 总长度3 6 7 0 公里，建成的公路隧道总数达到1 7 8 2 座，总长度7 0 4 公里。2 0 1 0 年 前，中国将有总长1 5 5 公里以上的公路隧道将投入建设【t 1 ) 。目前，国内外在进行 中等跨度及以下的隧道和其他地下洞室工程的建设中，设计计算理论和施工方法 工艺都已经比较成熟。当今隧道工程施工主要采用新奥法，其支护结构的主要材 料为混凝土，混凝土作为当今土木工程行业使用最广泛的材料之一，具有其它材 料无法比拟的优越性，然而也具有刚度及强度随时间变化，收缩、徐变等多种与 时间相关的因素( 这里通称为混凝土的时间效应) 。混凝土的时间效应对混凝土结构 的受力、变形等造成了较大影响。隧道混凝土支护结构作为一种特殊结构，同样 具有时间效在隧道结构工程中，为了能安全适用、经济合理、确保质量、快速施 工，必须对支护结构作出可靠性评价，以便能及时或提前采取措施，作出合理的 设计、施工决策。 由于地下结构设计受各种复杂因素的影响，而这些因素的影响规律还没有完 全被人们所认识，故理论计算的结果常与工程实际有较大的出入，很难用作确切 的设计依据。目前，流行于世的隧道结构设计数学模型是1 9 7 9 年国际隧协( i t a ) 所归纳的“荷载一结构”( 荷载反力模型) 、“收敛一约束 ( 收敛约束模型) 以 及“连续体 ( 连续体模型) 等三种设计计算模型。虽然，各种数值计算方法在 隧道及地下工程中的广泛应用，对隧道的设计和施工起到了较好的指导作用。但 是从工程角度看，得到的结果往往不是太满意。因此，工程类比法在我国隧道工 程结构设计中仍占主导地位【1 1 。但工程类比法还没有一个完善的隧道工程数据库， 设计者难以在纵观全局的基础上确定出经济合理的设计方案来。 随着以封闭、密贴、柔性为基本支护特性的喷锚支护的采用，以及以喷锚支 护为主要技术背景的“新奥法 的推行，围岩输出的现场监控量测越来越受到人 北京交通人学硕士学位论文 第1 章绪论 们的重视。“隧道支护结构位移可靠性分析方法 利用这些在隧道开挖和支护过 程中对围岩以及支护结构变形的监控量测数据，及时地对衬砌的可靠性做出客观 定量的评价。不需要掌握围岩的性质及围岩与衬砌的相互作用，避丌了以往应力 体系的诸多困难，具有重要的实践意义。 目前，隧道支护结构位移可靠性分析方法中尚未考虑到干缩和徐变。而干缩 和徐变作为混凝土材料本身固有的重要时变特性，对于支护结构的受力和变形性 能有着显著的影响。如在预应力混凝土结构中，由于混凝土的收缩和徐变，预应 力会逐步减小，达不到预期的效果；在大跨度的结构中，混凝土的徐变会逐步降 低其预拱度，使结构的使用性能受到影响；在高层建筑中，由于混凝土的收缩和 徐变，施工过程也会导致结构内力重分布，与不考虑混凝土收缩徐变效应的分析 结果将有较大不同；在大跨度的结构中，混凝土的徐变会逐步降低其预拱度，使 结构的使用性能受到影响只要结构中存在混凝土，混凝土的收缩和徐变便始 终存在着。 隧道支护结构位移可靠性分析方法基于对围岩以及支护结构变形监控量测数 据，对于支护结构的变形最为敏感。因此研究收缩和徐变对施工期隧道支护结构 的影响对于完善隧道支护结构位移可靠性分析方法具有重要意义。 1 2研究历史及现状【1 0 】 1 2 1“位移法”的思想与进展 2 0 世纪5 0 年代喷锚支护兴起的同时，出现了系统的现场监测。与此同时，国 际上也开始通过对隧道围岩变形的量测来监视围岩和支护结构状态，并应用现场 监测结果修改设计，指导施工。2 0 世纪6 0 年代兴起了新奥法。“新奥法”强调围 岩输出的现场监控量测，提供了在隧道开挖和支护过程中，及时对围岩以及支护 结构变形进行监测，并通过这种监测对隧道支护结构做出可靠性分析的可能性。 7 0 年代以来，国内对这类技术逐渐重视，并开始在工程实践中推广应用。 由于隧道断面周边各点围岩的变形( 位移) ，是在洞室开挖以后应力重分布 影响范围内，围岩内各点应变值沿位移方向的积分。它是在隧道开挖和支护过程 中，在众多因素影响下，围岩整体力学性质稳定状态最直接、最能反映本质的客 观表现。虽然影响围岩的众多因素的具体量值及其相互作用机理以及这些因素在 2 北京交通大学硕士学位论文第1 章绪论 施工过程中的动态变化并不清楚，但是在它们的共同作用下围岩整体稳定性的状 况是可以通过围岩周边位移量值及其速率的变化综合反映出来的【l 】。因此，不少 专家都主张从“应变场( 体系) 出发，进一步应用位移、变形来对隧道支护结 构可靠性进行分析和评价。 自2 0 世纪7 0 年代起，随着计算机技术的大力发展，很多学者对岩土计算理 论尤其是岩土工程反演理论进行大量研究并取得了较多成果。国外如日本的樱井 春辅教授( s s a k u r a i ) 提出的位移一应变反馈确定初始地应力与地层弹性参数值的 有限单元法、结合工程实践提出的确定围岩极限张应变值的原理和方法，以及评 估隧道稳定性的方法和标准【2 】。大冢正幸( o h t s u k am a s a y u k i ) 在提出的位移预报法 中涉及了初始地应力的反演确定，并对圆形洞室的粘弹性问题给出了解析解法； 英国学者古德曼( r e g o o d m a n ) 在7 0 年代出版的岩石力学专著中己提到可依据位 移量反算初始地应力；意大利学者( g g i o d a ) 提出了可同时确定初始地应力和地层 特性参数的优化反演分析理论。p a l i l l y 、j l i 提出的用位移模型估计开挖的可靠 度【3 1 。 在国内方面，长江科学院提出了根据圆形洞室的洞周位移进行平面应变问题 初始地应力反分析计算的复变函数法。铁道科学研究院西南所主持完成围岩初始 地应力和岩体变形模量的位移反分析课题，提出了根据隧道开挖后量测到的围岩 周边位移，按二维平面应变问题进行反分析的边界元法。西安空军工程学院提出 了引入数理统计原理的二维弹塑性问题位移反分析计算的边界单元法。能源部成 勘院提出了可考虑松动圈影响的弹塑性问题双介质位移反分析数值计算法。石家 庄铁道学院提出的极限位移方法1 4 儿5 1 。这些新方法和理论研究成果不仅极大地促 进了岩石力学的发展，也有力地激起了隧道动态设计的变革。 但是以上理论都是在“连续体”模型基础上进行的扩展和延伸。在极限位移法 中，仍然要使用围岩力学参数并进行有限元数值计算，所以极限位移法并不是完 全依赖于支护位移。 杨成永教授在文献【6 - 9 中提出的“隧道支护结构位移可靠性分析方法”， 是从“应变场( 体系) ”出发，利用在实际地形地质、具体的支护结构形态和施工条 件下的隧道现场实测位移( 几何尺寸) ，按照应变的定义计算出应变( 线性拉压应 变和弯曲应变1 ，在支护结构材料本身的应力应变关系成线弹性的基本假设下，进 一步计算出应力，最后与隧道支护强度( 该应力是由隧道支护结构材料本身的力 学性质决定的) 建立功能函数。最后，再对支护结构的可靠性进行分析和评价。 北京交通人学硕士学位论文第1 章绪论 “隧道支护结构位移可靠性分析方法”避开了以往应力体系的诸多困难，又充 分地、更进一步地利用了“新奥法”施工过程中所得到的监控量测数据，在不增加额 外量测工作量的情况下，完成了对支护结构可靠性的分析。 “隧道支护结构位移可靠性分析方法”从提出至今，被不断的发展完善。本文 将在前人的研究成果的基础上，进一步研究收缩和徐变对隧道安全性的影响。 1 2 2混凝土干缩和徐变的国内外研究现状 1 2 2 1 国外研究现状 早在2 0 世纪2 0 年代，o f e b e ：提出了既不考虑混凝土老化，也不考虑应力史 的有效模量方法( e m m ) 。2 0 世纪3 0 年代f d i s c h i n g e r 提出了由混凝土徐变、收 缩产生的应力重分布与结构内力重分布计算的微分方程解的徐变率方法 ( r c m ) a n i l s e n 为了弥补d i s c h i n g e r 方法的不足提出了改进的d i s c h i n g e ：方法。19 6 7 年h t r o s t 引入了所谓的松弛参数的概念，提出了由徐变导致的应力与应变之间关 系的代数方程表达式，不仅简化了计算，而且提高精度。1 9 7 2 年z b b a z a n t 把 h t r o s t 公式推广应用于变化的弹性模量与无限界的徐变系数，提出了龄期调整有 效模量法( a e m m ) ，也称为t b 方法。z b b a z a n t 利用叠加原理，提出了逐步计 算方法。在1 9 6 4 年a b f o r l b i i i i e b 对预应力混凝土结构在考虑收缩和徐变影响 下的时变应力变形进行了计算，其依据的徐变理论为老化理论，利用积分中值定 理将应力应变的积分方程转换为代数方程，提出了考虑时间因素全预应力混凝土 构件的实用计算方法。1 9 8 4 年，a b f o r l b l i _ r e b 又对早期研究成果进行了改进， 采用了修正的老化理论考虑加荷载时龄期的影响，另外公式中对非线性徐变影响 也进行了简单的考虑。在变形计算中考虑受拉区开裂的影响。对超静定混凝土结 构和钢一混凝土结合梁因徐变、收缩引起的内力和应力重分布都进行了分析。 a 见b a p a r i h k o b 在1 9 7 4 年对长期变化荷载作用下的钢筋混凝土结构进行了计 算。其研究的特点是同时考虑荷载时变性和徐变和收缩，这是一项具有开创性的 研究成果。a 珂b a p a i i i h k o b 采用的徐变计算理论是老化理论和弹性徐变体理论， 提出了使用阶段开裂和不开裂两种情况下混凝土结构的时变应力变形的计算方 法。z p b a z a n t 和w l t t l r i a n n 讨论了有效模量法、徐变率法、流变率法、流变模式、 改进的迪辛格尔法、逐步计算法和t b 方法各自的特点，利用改进的迪辛格尔法 4 北京交通人学硕士学位论文第1 章绪论 和t b 方法对钢筋混凝土未开裂截面应力变形和超静定结构内力重分布进行了计 算，并提出在复杂结构性能时变分析中应采用拟弹性的增量算法。c ，a a n d e r s o n 提出了徐变分析的数值法，对核反应的混凝土容器进行了有限元分析。鉴于混凝 土徐变性能具有较强的随机性，c a a n d e r s o n 还对混凝土容器结构进行了相应的 可靠性分析。r l g i l b e r t 在这方面的研究成果主要反映在其1 9 8 8 年出版的专著 t i m ee f f e c t si nc o n c r e t es t r u c t u r e s 专著中，他利用龄期调整模量 法对混凝土双向板因收缩、徐变、温度和基础沉降等产生的时变应力变形进行了 预测，提出了混凝土构件因约束产生的裂缝宽度的计算方法和控制手段。另外， 因细长的混凝土偏压柱子由于徐变和收缩可能导致其承载力的降低，r l g i l b e r t 提 出了既考虑由徐变、收缩和开裂引起的材料非线性、又考虑由柱横向挠屈产生的 几何非线性影响的反复分析法( a ni t e r a t i v em e t h o do f a n a l y s i s ) 。为了研究混凝土结 构时间效应a a i b 0 3 r e b 于1 9 8 0 年在原苏联混凝土研究所倡议成立该课题的专 题研究组，其研究成果土要反映在1 9 8 8 年颁布的混凝土结构计算中对混凝土收缩 和徐变考虑的建议中。1 9 9 0 年c e b f i p 模式混凝土结构规范在设计方法中己要求 计算与混凝土时间性能相关的性质对结构产生的效应，认为由于混凝土徐变、收 缩引起的非弹性应变，可能导致在结构中产生应力和变形状态的时变性是不可忽 视的，时变性影响主要反映在使用状态性能上，但对细长或薄的结构徐变引起的 挠度增加也会产生徐变压屈破坏。对在使用应力状态下徐变效应分析可在线性徐 变范围利用有限元方法进行，根据精度要求的不同线性时效粘弹性模型的特征积 分方程可以有松弛函数的数值解法和数值确定、转换成微分形式、转换成积分形 式、和松弛函数的近似确定等4 种实用方法。近年来由于电子计算机技术的高速 发展和对结构使用性能时变性的不断认识，混凝土结构时变效应的研究己成为一 大热点，发表了不少研究成果。j c c h e m 利用有限元法分析了预应力混凝土结构 由荷载变化、徐变、收缩、混凝土的老化和预应力钢筋的松弛等产生的时变性能， 并用3 2 1 米跨度u 型铁路预应力混凝土桥梁长期结构性能的结构实测同理论分析 结果进行了验证。a a s w a d 对于预应力混凝土构件的长期变形预测进行分析后指 出：目前采用的将短期挠度乘以经验系数计算长期变形的近似方法会过高估计由恒 荷载产生的下垂度，或过低估计其上拱度，合理的方法应该考虑结构材料性能和 周围环境的变化。y s j o o 建立了现场拼装的预应力混凝土梁的计算机分析方法， 在线性徐变范围考虑了开裂、混凝土收缩、徐变以及预应力钢筋的松弛等时变效 应的影响。h m k a p j i e h k o 在1 9 9 6 年根据实验研究成果和理论分析提出了混凝 北京交通大学硕士学位论文 第1 章绪论 土结构有限元计算的普遍性模型，在处理混凝土徐变、收缩、温度等非线性变形 时建立了规则加载等时应力应变曲线，并对多轴应力状态的徐变计算也进行了考 虑。d v r o s o w s k y 等在2 0 0 0 年对早期施工荷载的钢筋混凝土梁的长期变形性能的 影响进行了研究，建立了考虑混凝土龄期、非线性徐变、混凝土收缩和荷载时变 性影响的钢筋混凝土结构长期变形分析的时变可靠度计算模式。2 0 0 1 年 a b i i i y b h k 根据考虑非线性徐变的应力应变方程，提出了考虑应力应变关系时变 条件下的钢筋混凝土偏压构件的计算方法。c b b a h 且a p e h k 0 2 0 0 1 年发表论文介 绍了俄罗斯学派在钢筋混凝土理论中对非线性流变问题解研究的历史演变，提出 了该问题离散解法和综合解法两种不同的研究思路。 新西兰的m j n p r i e s t l e y 对a u c k l a n d 新市场高架桥的模型试验研究中，得到 了四度场非线形分析规律，建立了一维热传导方程，利用有限差分法求解，提出 了用于编制电子程序的计算方法，稍后，e e b u h a r df r i t z 对德国几种预应力混凝土 箱桥发生严重裂缝的情况进行了分析，提出了横向温度应力估计值，定量地讨论 了厚壁箱梁的温度应力问题。1 9 8 3 年加拿大的d l g e r ，e l b u d l r y 和g h a l ：等人利用伽 辽金加权常量法求解二维瞬态温度，阐述了确定长度热辐射换热系数和箱体内光 温的造化过程，编制了计算机程序，研究了组合箱梁桥的温度场分布和温度应力， 此后，有限元法被广泛应用与温度场和温度效应的计算。作用下的应变进行了规 定，提出了抗裂性计算方法。 耐久性问题最早的研究属于1 9 2 5 年美国开始在硫酸盐含量极高的土壤内进行 了长期实验，其目的是为了获取2 5 年一5 0 年以至更长时间的混凝土腐蚀数据。4 0 年代，美国学者t e s t a n t o n 首先发现并定义了碱骨料反应，此后在许多国家混凝 土结构的耐久性问题受到了重视，1 9 4 5 年，p o w e r s 等从混凝土平衡观入手，分析 了孔隙水的作用，开始了对混凝土截面破坏的研究。原苏联1 9 5 1 年最先开始混凝 土中钢筋锈蚀的研究，其目的是为解决混凝土结构的防腐性和使用高强度钢制作 钢筋混凝土结构材料的问题。近年来，各国学术界都加强耐久性方面的研究，取 得了显著的成果，如美国a c l 4 3 7 委员会在1 9 9 1 年提出了“己有混凝土房屋抗力 评估 的最新报告：日本土木学会混凝土委员会于1 9 8 9 年制定了混凝土结构屋面 耐久性设计准则( 执行) ；1 9 9 2 年，欧洲混凝土委员会颁布了耐久性混凝土结 构设计指南；2 0 0 1 年亚洲混凝土模式规范委员会颁布了亚洲混凝土模式规范 ( a c m c 2 0 0 1 ) ) ) 提出了基于性能的设计方法。 6 北京交通大学硕十学位论文第1 章绪论 1 2 2 2 国内研究现状 2 0 世纪5 0 年代，我国在预应力混凝土简支梁的预应力损失和上拱度的设计中 考虑了收缩、徐变的影响。6 0 年代劳远昌等对超静定结构因收缩、徐变产生的内 力重分布进行了研究，于7 0 年代在实际结构中进行应用。近年来，我国在混凝土 结构时间效应的研究中取得了不少成果，但其主要集中于利用国外线性徐变模式 对实际工程结构进行施工控制以及结构的温度应力分析等，反映在我国混凝土规 范中对材料时变性能介绍的内容不多，采用的徐变、收缩计算公式也基本上是从 国外规范自己直接引进的，在总体上混凝土结构设计对时间因素的影响没有足够 的考虑。朱伯芳在8 0 年代对混凝土结构的徐变应力用有限元法进行了分析，为了 压缩应力历史的计算机贮藏量，提出了变步长的显式解法和隐式解法，目前这种 计算方法在我国得到了工程上广泛的应用。考虑到水坝等大体积混凝土结构在施 工时采用分层浇筑，每个浇筑层内的温度梯度和应力梯度比较大，为了保证计算 精度，必须采用比较密集的计算网格，但浇筑层数量很多时，其节点数量非常大， 导致应力计算困难，为此朱伯芳义提出了多层混凝土结构仿真应力分析的并层算 法。同济大学刘忠博士在1 9 9 4 年以当时我国正在施工的世界第一的钢筋混凝土拱 桥万县长江大桥( 主孔4 2 0 米) 和中承式钢筋混凝土拱桥广西昌江大桥( 主孔4 2 0 米) 的设计科研项目为背景，提出了一套完整的空间钢一混凝土复合结构在混凝土的 时间、几何、材料非线性因素及温度、预应力等影响下的分析理论，是我国首次 在这方面进行系统研究的成果，具有一定的创造性。邹小江等利用桥梁规范的徐 变系数，推导了高层建筑考虑施工过程的徐变收缩分析的有限元公式，并利用程 序对框架和框支剪力墙结构进行分析。结果表明，分析竖向恒荷载作用下的高层 结构的变形应该计入施工高层、徐变、收缩的影响。梅明荣等通过有限元的仿真 分析，模拟上海地铁地下车站混凝土框架结构的实际施工情况，计算和分析了地 下车站混凝土结构的温度干缩应力，揭示了混凝土结构由温度千缩应力引起的裂 缝原因。冯健等结合南京国际展览中心工程对超长混凝土结构的温度应力用 a n s y s 通用软件进行了有限元分析，并介绍了超长混凝土结构在设计和施工中应 采取的有关措施。2 0 0 0 年上海轨道交通明珠线工程指挥部建为了防止预应力混凝 土高架桥梁因徐变收缩产生过量的变形而影响行车的舒适性和安全性专门成立了 “高架轨道交通桥梁徐变控制问题上海明珠线桥梁徐变控制实施技术 课题 研究组，课题研究组对预应力混凝土简支梁、连续梁和钢筋混凝土组合桥梁等进 7 北京交通火学硕士学位论文第1 章绪论 行了收缩、徐变理论分析，并对交通明珠线高架桥梁的徐变变形进行了实测。上 海地铁总公司和同济人学结合地铁二号线东延伸段( 龙东路站至张江高科站) 高架 桥梁的施工，进行了混凝十一收缩徐变实验研究、预应力混凝土张拉阶段的应力 应变试验与长期变形试验研究。 国内对混凝土结构温度分布与温度应力的研究始于5 0 年代末，当时主要是对 铁路桥墩的计算。刘兴法结合国内有关规范，对混凝土桥梁结构由于日照、骤然 降温等引起的温度应力和温差应力进行了系统的理论和试验分析，研究成果具有 较强的工程实用性。朱伯芳对大体积混凝土结构温度场和温度应力进行系统的研 究，编制了我国第一个不稳定温度场有限元程序和第一个混凝土温度徐变应力程 序，为我国温度方面的有限元分析方法做出了系统性的工作。同济大学预应力研 究所承担了国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 项目“高速磁浮预应力轨道梁温度效应 及优化研究子项课题的研究工作，对混凝土的主要热工参数，轨道模型梁温度 场和温度效应等进行了实验，并研制了混凝土结构温度效应有限元分析专用程序。 我国从2 0 世纪6 0 年代开始混凝土结构的耐久性研究。当时主要的研究内容 是混凝土的碳化和钢筋的锈蚀。8 0 年代初，我国对混凝土结构的耐久性进行了广 泛而深入的研究，取得了不少成果。1 9 9 1 年1 2 月在天津成立了全国混凝士耐久性 学组，它的诞生使我国混凝十结构耐久性的研究朝系统化、规范化的方向迈进了 一步。国家科委1 9 9 4 年组织的国家基础性研究重大土木与水利工程安全性与耐久 性的基础研究“也取得了很多研究成果，建设部“九五“科技研究课题的混凝 土结构耐久性设计建议也正在编制之中。 1 3本文的研究内容 本文针对以位移为基础的隧道支护结构安全性分析方法，探讨了喷射钢筋混 凝土的收缩和徐变变形对隧道安全性的影响。叙述了喷射钢筋混凝土的干缩和徐 变特性，建立了符合喷射钢筋混凝土特点的干缩和徐变预测模型，推导了考虑干 缩和徐变时支护内力的计算公式，给出了支护结构截面失效的功能函数，最后用 m a t l a b 编写程序将本论文中的衬砌结构可靠性分析方法程序化，使之成为输入量 测结果或坐标数据，就能输出可靠指标或可靠度的自动化程序模块。 本文共分六章。 8 北京交通人学硕士学位论文第1 章绪论 第一章绪论，介绍了位移法的思想和发展状况，隧道支护结构位移可靠性分 析方法的特点，以及混凝土干缩和徐变的研究历史和现状，以及本论文的研究的 主要内容。 第二章钢架喷混凝土干缩的影响，叙述了混凝土干缩的机理和影响因素，喷 射混凝土干缩的特点，介绍了国内外常用的收缩预测模型，在此基础上建立了喷 射混凝土的收缩预测模型，并且根据钢筋与混凝土的粘结力，推导了干缩引起的 喷层应变。 第三章钢架喷混凝土徐变的影响，叙述了混凝土徐变的机理和影响因素，喷 射混凝土徐变的特点，介绍了国内外常用的徐变预测模型，列出了钢架喷混凝土 徐变的模型，推导了徐变引起的喷层应变。 第四章结构功能函数，给出了衬砌结构截面失效的功能函数，推导了考虑干 缩和徐变的喷层总变形以及衬砌内力的计算公式，讨论了基本随机变量的概率特征， 叙述了通过测量位移计算可靠指标的步骤。 第五章工程实例分析，通过乌鞘岭隧道和北京地铁四号线黄庄车站工程实例 的计算结果对比了考虑干缩和徐变后得到的失效概率和可靠指标与未考虑干缩和 徐变时的差异，并且分析了造成这种结果的原因。 第六章结论与展望，总结了研究成果，提出了下一步研究工作的展望。 9 北京交通火学硕士学位论文第2 章钢架喷混凝士干缩的影响 第2 章钢架喷混凝土干缩的影响 混凝土在硬化过程中要发生体积变化，最大的变化是当混凝土在大气中或湿 度较低的介质中硬化时产生的体积减小。这种变形称为混凝土的收缩。除去温度 作用，混凝土的收缩主要有四种：塑性收缩( p l a s t i cs h r i n k a g o 、自生收缩( a u t o g e n e o u s s h r i n k a g e ) 、碳化收缩( c a r b o n a t i o ns h r i n k a g e ) 和干燥收缩( d 聊n gs h r i n k a g e ) 。 塑性收缩是由于混凝土凝固前水化反应失水引起体积减缩造成；自生收缩则 与水泥水化作用产生的毛细管孔隙失水有关；碳化收缩是由于混凝土中各种水化 物与空气中c 0 2 ，发生化学反应所致，只局限于混凝土表面；干燥收缩( 本文中 简称为干缩) 是混凝土干燥时的体积改变，是由于混凝土中水分在新生成的水泥 石骨架中的分布变化、移动及蒸发引起的。结构收缩计算主要是针对干燥收缩。 钢架喷混凝土包括格栅钢架喷混凝土和型钢喷混凝土，本文的干缩和徐变均 只是按格栅钢架喷混凝土的影响讨论的。 混凝土在没有外荷的作用下具有收缩的性质，而钢筋没有这种性质。因此， 由于钢筋的存在，可通过粘结应力阻止混凝土的一部分收缩变形，使构件的收缩 变形比混凝土自由收缩时的变形要小。 2 1混凝土的干燥收缩 2 1 1干燥收缩的机理 干燥收缩是指混凝土中的水泥石向环境失水产生的收缩，这种现象与水泥石 的特殊性，即水泥石中毛细管孔网络的高孔隙率，c s h 颗粒的高分散度以及 c s h 凝胶中存在范德华力等有密切的关系。干缩变化规律是开始干缩速率大，而 后干缩速率逐渐减小。若以2 0 年的干缩为准，则3 个月的干缩占6 4 ，1 年占7 8 。 对于混凝土的干燥收缩的解释有很多学说，普遍认同的学说为毛细管张力学 说，拆开压力学说、凝胶体颗粒表面能变化学说、层间水迁移学说【1 0 1 。 1 毛细管张力学说 干燥收缩过程与毛细管中水的弯液面有关，在毛细管水蒸发过程中，混凝土 处于不断增强的压缩状态，导致体积缩小，见图2 1 。 l o 北京交通人学硕士学位论文 第2 章钢架喷混凝土干缩的影响 平面状态的水的饱和蒸汽压决定于温度的高低，而硬化水泥石中毛细孔及凝 胶孔中的水，由于水表面成曲面，故比平面状态的水的饱和蒸汽压低，不容易蒸 发。水泥凝胶体表面的吸附水，由于分子引力的作用，就更不容易蒸发。 由l a p l a c e 方程可得附加压力为： a l l = 兰! 塑旦( 2 - 1 ) ) 7 p 毛细孔中弯曲液体表面下的附加压力； 仃毛细孔中液体的表面张力； 9 毛细孔中液体与毛细孔壁的接触角( 此时0 = 0 0 ) ； y 毛细孔半径。 潮湿f i 勺 干燥的 mo 呻l l 圳孵卜 1 0 0 相对湿度 _ - 。i _ 一 0 1 p m 6 0 * 相对湿度 图2 1 毛细管压力 f i g 2 - 1c a p i l l a r yp r e s s u r e 水面的曲率半径与饱和蒸汽压之间的热力学平衡关系可用k e l v i n 方程表示 g i p = 篇p rp o k l 式中： p 曲面水的饱和蒸汽压力； 岛平面水的饱和蒸汽压力； 盯水的表面张力( 2 0 。c 时为7 2 7 5 d y n c m ) ，注：l d y n = 1 0 。5 n ； 膨一水的分子量； 尺气体常数； 卜温度( k ) ； p 水的密度( c l t l 3 ) ； ( 2 2 ) 北京交通火学硕士学位论文 第2 章钢架喷混凝士干缩的影响 ，水面的曲率半径( e m ，圆心位于水的外侧为正) 。 因此，当混凝土所处的环境的相对湿度降低时，在其中形成弯液面的临界半 径丫越来越小，毛细管负压增大。负压作用在毛细管壁上产生压应力使水泥石产 生收缩。较粗的毛细孔在相对湿度降至约9 5 时是空的，此时，毛细管临界半径 仍很大，所以，水泥石上毛细管负压引起的应力相当小。当相对湿度降到更低时， 毛细管负压引起的应力相当迅速，因此产生很大的干燥收缩。由k e l v i n 方程计算 表明，当相对湿度降低到4 0 , - 5 0 时，弯月面己不稳定，毛细管压力不能继续存在， 就不再产生由此引起的收缩变形。 2 拆开压力学说 水泥石中的凝胶体在范德华力作用下，吸引周围的凝胶颗粒，并使其相邻表 面紧密接触。当凝胶体表面吸附水时产生拆开压力( 由吸附膜中水分子的趋向决 定) 。拆开压力随吸附水膜的厚度的增加( 相对湿度的增加) 而增大，当拆开压力超 过范德华力时，拆开压力迫使凝胶颗粒分开引起膨胀。与此相反，相对湿度降低 时，拆开压力减小，凝胶颗粒继续在范德华力的作用下吸引在一起，产生收缩， 见图2 2 。资料表明 1 0 l 相对湿度在5 0 - , 8 0 内变化时，拆开压力才发生变化。 p 拆开 对湿度d l0 l l 帅 3 表面自由能学说 表面能变化引起的收缩是指凝胶颗粒表面自由能随湿度的变化而引起的收 缩。当相对湿度低于4 0 时，不再存在毛细管压力和拆开压力，此时的收缩可由 表面自由能的变化作出解释。根据f l o o d 的证明： 厶= 孕 式中： 厶固体微粒表面所受压力；