钢-FRP复合约束混凝土隧道衬砌管片力学性能试验研究

doi:10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.011

复合材料科学与工程 ›› 2023, Vol. 0 ›› Issue (5): 71-79.DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.011

钢-FRP复合约束混凝土隧道衬砌管片力学性能试验研究

毕经龙¹, 程实^1,2*

1.煤炭科学研究总院建井研究分院,北京 100013;
2.中煤科工集团北京华宇工程有限公司,北京 100120

收稿日期:2023-01-13 出版日期:2023-05-28 发布日期:2023-08-22
通讯作者: 程实(1987—),男,博士,研究员,硕士生导师,研究方向为组合结构及新型材料结构受力性能研究,cs8781@163.com。
作者简介:毕经龙(1997—),男,硕士生,研究方向为新材料结构及新型组合结构理论与技术。
基金资助:
国家自然科学基金(52178217)

Experimental study on behavior of the MCSCFC tunnel lining segment

BI Jinglong¹, CHENG Shi^1,2*

1. Research Institute of Mine Construction, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China;
2. Beijing Huayu Engineering Co., Ltd., China Coal Technology Engineering Group, Beijing 100120, China

Received:2023-01-13 Online:2023-05-28 Published:2023-08-22

摘要/Abstract

摘要： 提出了一种新型隧道衬砌管片——钢-FRP复合约束混凝土(Multi-Cell steel tube-Sandwich Concrete-FRP tube-Core concrete,MCSCFC)管片。MCSCFC管片由以下四个部分组成:多腔方钢管、夹层混凝土、纤维增强复合材料(FRP)管、核心混凝土。为研究均匀围压状态下MCSCFC管片与传统钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)管片力学性能的差异,本文以FRP管厚度为变量,共设计制作了4个管片模型试件(3个MCSCFC管片,1个RC管片),随后对4个管片模型试件开展均匀围压状态下的力学性能试验研究,分析试件的破坏模式、荷载-位移关系以及荷载-应变响应。研究结果表明:①MCSCFC管片表现出明显的屈服后硬化行为;②相比RC管片,MCSCFC管片在厚度减薄39.4%的情况下,极限承载力提升41.8%。

关键词: 管片, 约束混凝土, FRP管, 屈服后硬化

Abstract: A novel tunnel lining and segment i.e. the multi-cell steel tube-sandwich concrete-fibre reinforced polymer (FRP) tube-core concrete (MCSCFC) segment was proposed. The MCSCFC segment comprised the following four parts: multi-cell square steel tube; concrete between FRP tubes and square steel tube walls; FRP tubes placed in cells; core concrete confined by FRP tubes. To understand mechanical behaviors of the MCSCFC and conventional reinforced concrete (RC) segments under the lateral uniform compression, the 4 segment model specimens (3 MCSCFC and 1 RC) with different thicknesses of FRP tubes were tested under the lateral uniform compression. The failure modes, load-displacement and load-strain curves of segment model specimens were analysed and discussed. Experimental investigation-based conclusions were drawn: ①The MCSCFC segments exhibit distinctive post-yield hardening behaviour under the lateral uniform compression; ②compared to that of the RC segment, the bearing capacity of MCSCFC segment increased up to 41.8% when the segment thickness was reduced by 39.4%.

Key words: segment, confined concrete, FRP tube, post-yield hardening

中图分类号:

TB332

毕经龙, 程实. 钢-FRP复合约束混凝土隧道衬砌管片力学性能试验研究[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(5): 71-79.

BI Jinglong, CHENG Shi. Experimental study on behavior of the MCSCFC tunnel lining segment[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2023, 0(5): 71-79.

参考文献

[1] 田四明, 王伟, 巩江峰. 中国铁路隧道发展与展望(含截至2020年底中国铁路隧道统计数据)[J]. 隧道建设(中英文), 2021, 41(2): 308-325.
[2] 卓越, 高广义. 大瑞铁路高黎贡山隧道施工挑战与对策[J]. 隧道建设(中英文), 2019, 39(5): 810-819.
[3] 楼文虎, 舒磊. 中国第一座特长越岭隧道——西康铁路秦岭隧道[J]. 铁道工程学报, 2005(S1): 185-191.
[4] 祝河清. 天山胜利特长公路隧道施工方法探讨[J]. 现代隧道技术, 2020, 57(1): 175-185.
[5] 朱旻, 陈湘生, 王雪涛. 盾构隧道衬砌结构性能演化分析与思考[J]. 工程力学, 2022, 39(3): 33-50.
[6] 张帆, 廖霖, 赵健, 等. 钢纤维混凝土管片设计及试验研究[J]. 建筑结构, 2021, 51(9): 63-69.
[7] ZHANG W J, JIN M M, SU R, et al. Experiment on mechanical properties of steel and concrete composite segment for shield tunnel[J]. China Journal Highway Transport, 2016, 29 (5): 84-94.
[8] MOGANEDI K A, STACEY T R. Value creation as an approach to the management and control of rockburst damage in tunnels[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2019, 83: 545-551.
[9] 秦中华. 钢筋混凝土管片的生产与应用概况[J]. 混凝土与水泥制品, 2007(2): 32-35.
[10] 苏忍. 盾构隧道复合管环结构的受力变形特性分析[D]. 天津: 天津大学, 2015.
[11] FENG P, CHENG S, BAI Y, et al. Mechanical behavior of concrete-filled square steel tube with FRP-confined concrete core subjected to axial compression[J]. Composite Structures, 2015, 123: 312-324.
[12] 混凝土结构设计规范: GB 50010—2010[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2015.
[13] 金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法: GB/T 228.1—2021[S]. 北京:中国标准出版社, 2021.
[14] ASTM. Standard test method for apparent hoop tensile strength of plastic or reinforced plastic pipe: ASTM D2290—19[S]. 2019.
[15] ASTM. Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials: ASTM D3039/D3039M—17[S]. 2017.
[16] LIU X, SUN Q H, SONG W, et al. Structural behavior of reinforced concrete tunnel linings with synthetic fibers addition[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2022, 131: 104771.
[17] LIU X, SUN Q H, YUAN Y, et al. Comparison of the structural behavior of reinforced concrete tunnel segments with steel fiber and synthetic fiber addition[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2020, 103: 103506.
[18] 预制混凝土衬砌管片: GB/T 22082—2017[S]. 北京:中国标准出版社, 2017.
[19] 陈俊生, 莫海鸿. 盾构隧道管片钢筋力学行为初探[J]. 四川建筑科学研究, 2013, 39(3): 44-49.
[20] LAM L, TENG J G. Design-oriented stress-strain model for FRP-confined concrete[J]. Construction and Building Materials, 2003, 17(6-7): 471-489.

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Experimental study on behavior of the MCSCFC tunnel lining segment

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[1]	齐共成, 蒋济同, 高瑜, 杜德润, 董坤, 杨松. BFRP筋增强螺旋箍筋区域约束混凝土梁的抗剪性能试验研究[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(2): 115-121.
[2]	于峰, 麦麦提·努尔麦麦提, 方圆, 张楠楠. PVC-CFRP管混凝土柱-RC环梁十字形节点滞回特性数值模拟研究[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(12): 63-71.
[3]	张璐珂, 张峰, 赵国浩. FRP约束混凝土柱的修正Drucker-Prager模型[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(10): 60-68.
[4]	马晨雨, 姬宇鹏, 刘大为, 刘昊源, 曹玉贵. 倒角半径与加载速率对FRP弱约束方形混凝土柱的承载能力影响[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(7): 63-67.
[5]	尹朝正, 李顺涛, 杨文伟. 轴压作用下GFRP管钢骨混凝土组合短柱传力机制分析[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(6): 12-19.
[6]	陈景, 李翔宇. 基于贝叶斯理论的FRP约束矩形混凝土柱轴压极限强度研究[J]. 复合材料科学与工程, 2020, 0(7): 58-67.
[7]	王言磊, 张祎男, 刘青, 许清风. 椭圆形GFRP管高强混凝土短柱轴压力学性能试验研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2019, 0(12): 5-10.
[8]	TAPAArnauldRobert, 王继辉, 王昌增, YUNUSAMujaheed. 纤维铺层顺序对VARI工艺制备的泡沫填充GFRP矩形管轴向压溃性能影响的实验和数值模拟[J]. 玻璃钢/复合材料, 2018, 0(9): 87-97.
[9]	刘强,何兆亨,徐希宇,陈锐祥. 含孔CFRP方管的仿真模型及孔参数优化[J]. 玻璃钢/复合材料, 2018, 0(3): 13-18.
[10]	赵志波,李峰,陶杰. 端部增强方式对CFRP管轴压力学性能的影响[J]. 玻璃钢/复合材料, 2018, 0(3): 52-57.
[11]	于峰, 牛荻涛. PVC-FRP管钢筋混凝土柱轴压比限值研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2018, 0(2): 5-7.
[12]	康超懿, 欧阳利军, 丁斌, 镇斌. 被动约束混凝土柱轴压过程数值模拟关键因素分析[J]. 玻璃钢/复合材料, 2018, 0(11): 5-14.
[13]	张冰, 孙运楼, 齐玉军. 基于数值试验的FRP约束混凝土圆柱轴压性能研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2018, 0(1): 50-59.
[14]	魏洋,周永峰,张希,端茂军. 玄武岩纤维-箍筋复合约束混凝土柱的轴压试验研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2016, 0(4): 5-11.
[15]	刘柯,董振华. 钢筋混凝土矩形空心墩柱的FRP约束效应研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2016, 0(4): 12-20.