FRP加固盾構(gòu)隧道縱縫接頭試驗(yàn)研究

柳獻(xiàn)，張晨光，張宸，蔣子捷

(同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092)

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FRP加固盾構(gòu)隧道縱縫接頭試驗(yàn)研究

柳獻(xiàn)，張晨光，張宸，蔣子捷

(同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092)

摘要:以FRP加固盾構(gòu)隧道縱縫接頭為試驗(yàn)對(duì)象，采用足尺試驗(yàn)方法對(duì)加固及未加固的縱縫接頭的受力性能及其破壞形態(tài)分別進(jìn)行比較，得到FRP加固接頭的破壞機(jī)理，并對(duì)其加固效果進(jìn)行總體評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在FRP材料黏結(jié)良好的情況下，加固接頭的轉(zhuǎn)角剛度能夠得到提升。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；縱縫接頭；FRP材料；加固效果

盾構(gòu)隧道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)的隧道病害主要包括滲漏水、開裂損傷和縱橫向變形等[1]，對(duì)于相關(guān)病害必須采取及時(shí)的加固措施，以保證隧道正常使用。目前，采用纖維增強(qiáng)加固材料(FRP)加固是針對(duì)隧道病害常用的一種加固工藝，其具有高強(qiáng)高效，施工方便，抗疲勞、耐腐蝕性能好的優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛開發(fā)應(yīng)用[2]。針對(duì)FRP材料加固混凝土結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了相關(guān)方面的研究，對(duì)FRP加固混凝土梁的破壞機(jī)理進(jìn)行了深入的探討。姚諫等[3]采用單剪試驗(yàn)方法對(duì)FRP與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行了深入研究，研究表明黏結(jié)破壞有FRP剝離破壞和混凝土拉剪破壞兩種形式。譚壯等[4]通過(guò)FRP加固混凝土梁受剪試驗(yàn)，研究了U型FRP布受剪加固的剝離破壞性能和承載力。陸新征等[5]根據(jù)提出細(xì)觀單元有限元研究的結(jié)果，建議了一組新的界面本構(gòu)模型以及界面剝離強(qiáng)度計(jì)算公式。而關(guān)于FRP加固材料在加固盾構(gòu)隧道中的受力性能和加固效果，目前的研究則較少[6]，相應(yīng)的加固材料與接頭共同變形共同受力的力學(xué)機(jī)理尚不清楚。本文基于對(duì)類似盾構(gòu)隧道的接頭受力分析和接頭試驗(yàn)[7]，展開了對(duì)FRP加固材料加固盾構(gòu)隧道縱縫接頭極限承載力的試驗(yàn)研究，對(duì)FRP材料加固盾構(gòu)隧道縱縫接頭的受力性能進(jìn)行分析，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和破壞現(xiàn)象，總結(jié)FRP材料加固盾構(gòu)隧道接頭的破壞機(jī)理并對(duì)其加固效果進(jìn)行了總體評(píng)價(jià)，本文的研究成果可為該加固工藝的工程運(yùn)用提供優(yōu)化建議。

1FRP材料及其加固方法

1.1FRP材料

本次接頭試驗(yàn)的加固FRP材料選用的是芳綸纖維布和碳纖維布，采用配套樹指將FRP材料黏貼于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面，形成復(fù)合材料體，達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固、補(bǔ)強(qiáng)的目的。其中，芳綸纖維布材料厚度為0.286 mm，抗拉強(qiáng)度≥2 000 MPa，彈性模量約為110 GPa，碳纖維布厚度為0.167 mm，抗拉強(qiáng)度≥3 400 MPa，彈性模量約為240 GPa。配套樹脂的黏結(jié)強(qiáng)度≥2.74 MPa，張拉剪切強(qiáng)度≥10 MPa。其中，配套樹脂包括底層樹脂、找平樹脂及黏結(jié)樹脂，前兩者的作用是為了提高碳纖維的黏結(jié)質(zhì)量，而后者的作用則是使FRP材料與混凝土能夠形成一個(gè)復(fù)合性整體。

1.2加固方法

FRP材料加固盾構(gòu)隧道縱縫接頭的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，加固總寬度為700 mm，加固總長(zhǎng)度為弧長(zhǎng)2 m，接頭兩側(cè)弧長(zhǎng)各1 m，加固材料分3條布置在管片的受拉側(cè)，加固區(qū)域分別為2塊150 mm×2 000 mm，1塊400 mm×2 000 mm，總面積為1.4 m2。

圖1　FRP材料布置圖Fig.1 FRP material

FRP材料加固流程為，先用角磨機(jī)打磨混凝土表面，露出混凝土新的結(jié)構(gòu)層，將底層樹脂均勻地涂抹于混凝土結(jié)構(gòu)表面，裁剪芳綸布(或碳纖維布)，配制浸漬樹脂并均勻涂抹于所要粘貼構(gòu)件，將芳綸布(或碳纖維布)的表面均勻涂抹浸漬樹脂，使浸漬樹脂完全浸透，完成黏貼加固。

2試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)對(duì)象為采用FRP材料加固的隧道襯砌接頭，通過(guò)試驗(yàn)確認(rèn)FRP材料加固管片接頭在抗彎承載能力試驗(yàn)中與未加固管片接頭的區(qū)別，確定FRP加固對(duì)管片接頭剛度的影響，探究不同F(xiàn)RP材料的加固效果。

實(shí)際運(yùn)營(yíng)地鐵盾構(gòu)隧道中接縫均有一定的張開量，在張開到一定程度后采取加固措施。由于接縫初始張開量的存在，粘貼纖維布時(shí)會(huì)產(chǎn)生加固質(zhì)量問(wèn)題，纖維布與接縫未能完全貼合，影響加固效果。

因此，試驗(yàn)分為未加固管片接頭試驗(yàn)、芳綸布與接縫貼合試驗(yàn)、芳綸布與接縫未貼合試驗(yàn)、碳纖維布與接縫貼合試驗(yàn)、碳纖維布與接縫未貼合試驗(yàn)，模擬常見覆土深度(15 m)下的接頭受力情況及隨后頂部堆載至破壞工況，模擬工況見表1。

表1　試驗(yàn)工況

2.1試件介紹

試驗(yàn)所研究的隧道尺寸為外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，管片厚度0.35 m，環(huán)寬1.2 m，接頭試驗(yàn)試件取用標(biāo)準(zhǔn)塊2個(gè)端部切割拼接而成，試件示意圖如圖3。管片采用C55高強(qiáng)混凝土，接縫處連接螺栓為5.8級(jí)M30螺栓。根據(jù)受力的不同，縱縫接頭可分為正彎矩接縫、負(fù)彎矩接縫，其中正彎矩接縫位于整環(huán)結(jié)構(gòu)中為8°和352°，由于負(fù)彎矩接縫內(nèi)側(cè)受壓，因此試驗(yàn)僅研究FRP材料對(duì)正彎矩接縫的加固效果。

圖2　縱縫接頭試驗(yàn)試件Fig.2 Specimen of longitudinal joint

(a) 未加固管片接頭；(b) FRP加固管片接頭圖3　接頭試驗(yàn)試件Fig.3 Specimen of test joint

2.2加載系統(tǒng)與測(cè)量系統(tǒng)

2.2.1加載系統(tǒng)

試驗(yàn)采用盾構(gòu)管片接頭試驗(yàn)加載系統(tǒng)進(jìn)行加載，加載系統(tǒng)由主加載框架、垂向及水平向加載作動(dòng)器、加載支座及控制器組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)的雙向加載。在各試驗(yàn)工況中，豎向力Fy由垂向加載制動(dòng)器施加，然后通過(guò)多點(diǎn)等值鋼梁作用在試件上，水平力N由水平向加載制動(dòng)器施加，通過(guò)端部支座作用在試件上，見圖4。

圖4　接頭試驗(yàn)加載系統(tǒng)Fig.4 Loading system

2.2.2加載工況

試驗(yàn)采用單調(diào)加載方式，中間過(guò)程無(wú)卸載。正彎矩接頭試驗(yàn)加載，水平力N以每級(jí)25 kN增加，同時(shí)加載相應(yīng)的豎向力Fy，直至接頭破壞。未加固接頭破壞準(zhǔn)則為受壓區(qū)混凝土壓碎或螺栓拉斷，接頭喪失承載能力，加固接頭破壞準(zhǔn)則為FRP黏結(jié)失效，加載示意圖如圖5。

圖5　加載示意圖Fig.5 Loading curves

試驗(yàn)針對(duì)芳綸布布、碳纖維布加固盾構(gòu)隧道接頭進(jìn)行研究。

2.2.3測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試內(nèi)容包括接縫跨中撓度、接縫處張開量、環(huán)向螺栓應(yīng)變和FRP應(yīng)變。各測(cè)點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2　試驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容

3試驗(yàn)結(jié)果

3.1FRP材料與接縫貼合

3.1.1接頭破壞現(xiàn)象及形態(tài)

未加固接頭在彎矩0～180 kN·m階段，撓度呈線性發(fā)展，之后撓度快速增加，在彎矩202.5～232.5 kN·m，撓度增加速度減緩，在彎矩為240 kN·m時(shí)，撓度發(fā)生突變，增加10 mm，在彎矩為249 kN·m時(shí)撓度迅速增加，此時(shí)螺栓屈服并拉斷。

芳綸布加固接頭在彎矩0～45 kN·m階段，撓度發(fā)展較快，在彎矩為45 kN·m之后，撓度基本呈線性發(fā)展，撓度增加速度相對(duì)變慢，在彎矩達(dá)到120 kN·m時(shí)，芳綸布開始脫落。在彎矩為220.5 kN·m時(shí)，芳綸布完全脫落，外緣混凝土壓碎，螺栓拉斷，芳綸布脫落表現(xiàn)為黏結(jié)破壞，混凝土表面呈魚鱗狀。

碳纖維布加固接頭在彎矩0～60 kN·m階段，撓度基本呈線性發(fā)展，之后撓度增加速度相對(duì)變慢，在彎矩達(dá)到105 kN·m時(shí)，碳纖維布開始脫落。在彎矩為202.5 kN·m時(shí)，碳纖維布完全脫落，外緣混凝土壓碎，螺栓拉斷，碳纖維布脫落表現(xiàn)為在靠近接縫處破壞面表現(xiàn)為淺層混凝土剝離，遠(yuǎn)離接縫處破壞面表現(xiàn)為碳布與膠水接觸面黏結(jié)破壞。

具體破壞接頭情況如圖6所示。

(a)未加固接頭;(b)FRP加固接頭圖6　接頭破壞情況Fig.6 Damage of positive moment joint

3.1.2測(cè)試結(jié)果

未加固接頭及加固接頭主要的試驗(yàn)現(xiàn)象包括管片接縫跨中撓度、接縫張開量、螺栓應(yīng)力、FRP材料應(yīng)變、FRP材料與接頭管片的黏結(jié)、剝離情況等，其破壞過(guò)程及形態(tài)討論如下。

1)管片接縫撓度

圖7　接頭荷載—跨中撓度曲線Fig.7 Load-deflection curve

未加固接頭在彎矩0～180 kN·m階段，撓度呈線性發(fā)展，在彎矩為180～202.5 kN·m，撓度快速增加，之后在彎矩202.5～232.5 kN·m，撓度增加速度減緩，在彎矩為240 kN·m時(shí)，撓度發(fā)生突變，增加10 mm，在彎矩為247.5 kN·m時(shí)，接頭剛度相對(duì)提升，在彎矩為249 kN·m時(shí)撓度迅速增加，此時(shí)螺栓屈服并拉斷。

芳綸布加固接頭在彎矩0～45 kN·m階段，撓度發(fā)展較快，在彎矩為45 kN·m之后，撓度基本呈線性發(fā)展，撓度增加速度相對(duì)變慢，在彎矩為100 kN·m時(shí)，撓度增加速度變快，在彎矩為150 kN·m時(shí)，撓度增加速度繼續(xù)變快，在彎矩為180 kN·m時(shí)，撓度突變，增加約3 mm，之后剛度有所提升，撓度增速放緩，在彎矩為220.5 kN·m時(shí)，芳綸布脫落，外緣混凝土壓碎，螺栓拉斷。

碳纖維布加固接頭在彎矩0～60 kN·m階段，撓度基本呈線性發(fā)展，之后撓度增長(zhǎng)速度相對(duì)減緩，在彎矩為120 kN·m時(shí)撓度增長(zhǎng)速度加快，在彎矩為165 kN·m時(shí)撓度突變，外緣混凝土接觸，之后撓度增長(zhǎng)速度減緩，在彎矩為202.5 kN·m時(shí)，撓度突變，碳纖維布脫落，外緣混凝土壓碎，加載結(jié)束。

2)管片接縫張開

圖8　接頭荷載—張開曲線Fig.8 Load-opening curves

未加固接頭彎矩在0～175 kN·m張開呈線性發(fā)展，之后張開增速加快，在彎矩為185 kN·m時(shí)張開變緩，當(dāng)彎矩達(dá)到230 kN·m時(shí)，接縫張開急劇增加，在彎矩達(dá)250 kN·m時(shí)，管片外側(cè)混凝土壓碎，螺栓屈服并拉斷，加載結(jié)束時(shí)管片張開為30 mm。

芳綸布加固接頭彎矩在0～155 kN·m張開呈線性發(fā)展，之后張開增速加快，在彎矩為175 kN·m時(shí)張開變緩，在彎矩達(dá)到210 kN·m時(shí)，接縫張開急劇增加，螺栓屈服并拉斷，加載結(jié)束時(shí)管片張開為50 mm。

碳纖維布加固接頭彎矩在0至155 kN·m張開呈線性發(fā)展，之后張開增速加快，在彎矩為170 kN·m時(shí)張開變緩，在彎矩達(dá)到190 kN·m時(shí)，接縫張開急劇增加，螺栓屈服并拉斷，加載結(jié)束時(shí)管片張開為30 mm。

3)螺栓應(yīng)力

圖9　接頭荷載—螺栓應(yīng)力曲線Fig.9 Load-bolt stress curves

未加固接頭在彎矩為0～60 kN·m螺栓應(yīng)力幾乎無(wú)發(fā)展，之后螺栓應(yīng)力快速發(fā)展，彎矩達(dá)到150 kN·m時(shí)應(yīng)力增速增加，之后繼續(xù)呈線性發(fā)展，在彎矩為249 kN·m時(shí)應(yīng)變數(shù)據(jù)溢出，此時(shí)螺栓拉斷，加載結(jié)束。

芳綸布加固接頭在彎矩0～100 kN·m螺栓應(yīng)力幾乎無(wú)發(fā)展，在彎矩為100 kN·m之后，應(yīng)變呈線性增加，在彎矩為180 kN·m時(shí)，應(yīng)變突變，之后剛度有所提升，應(yīng)變?cè)鏊俜啪?，在彎矩?20.5 kN·m時(shí)，芳綸布脫落，外弧面壓碎，螺栓拉斷，加載結(jié)束。

碳纖維布加固接頭在彎矩0～60 kN·m螺栓應(yīng)力幾乎無(wú)發(fā)展，之后至165 kN·m階段，應(yīng)變基本呈線性發(fā)展，在彎矩為165 kN·m時(shí)應(yīng)力突變，外緣混凝土接觸，之后應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度減緩，在彎矩為195 kN·m時(shí)，應(yīng)變突變，在彎矩為202.5 kN·m時(shí)外緣混凝土壓碎，碳纖維布脫落，加載結(jié)束。

4)FRP應(yīng)變

圖10　芳綸布應(yīng)變分布曲線Fig.10 Distribution of strain of composite cavity

圖10為芳綸布應(yīng)變?cè)诠芷∶娣较蛏系姆植家?guī)律，橫坐標(biāo)為芳綸布測(cè)點(diǎn)至管片接縫的距離，縱坐標(biāo)為芳綸布應(yīng)變，所取應(yīng)變狀態(tài)分布為接頭彎矩為45，90，135和180 kN·m。

從圖中可以看出在彎矩達(dá)到135 kN·m之前，芳綸布的應(yīng)變隨彎矩的增大而增大。應(yīng)變集中在距離接縫500 mm范圍內(nèi)，并且相對(duì)于接縫中心基本呈對(duì)稱分布，越靠近接縫處芳綸布的應(yīng)變?cè)酱?。在彎矩達(dá)到135 kN·m時(shí)，接縫處芳綸布應(yīng)變開始減小，考慮此時(shí)發(fā)生粘結(jié)破壞，芳綸布應(yīng)變最大為3 200 με，應(yīng)力約為352 MPa。隨著加載的繼續(xù)，芳綸布逐塊脫落，脫落區(qū)的芳綸布應(yīng)變較小，未脫落芳綸布應(yīng)變較大，應(yīng)變發(fā)展呈非對(duì)稱分布。

圖11　碳纖維布應(yīng)變分布曲線Fig.11 Distribution of strain of composite cavity

圖11為碳纖維布應(yīng)變?cè)诠芷∶娣较蛏系姆植家?guī)律，橫坐標(biāo)為碳纖維布測(cè)點(diǎn)至管片接縫的距離，縱坐標(biāo)為碳纖維布應(yīng)變，所取應(yīng)變狀態(tài)分布接頭彎矩為45,90，135，150和180 kN·m。

從圖中可以看出碳纖維應(yīng)變分布大致呈對(duì)稱分布，在彎矩達(dá)到135 kN·m之前，碳纖維布的應(yīng)變隨彎矩的增大而增大，越靠近接縫處碳纖維布的應(yīng)變?cè)酱?。在彎矩達(dá)到135 kN·m時(shí)，接縫處碳纖維布應(yīng)變開始減小，考慮此時(shí)發(fā)生黏結(jié)破壞，碳纖維布應(yīng)變最大為3 300 με，應(yīng)力約為792 MPa。隨著加載的繼續(xù)，碳纖維布逐塊從接縫中心向兩邊脫落，接縫處應(yīng)變減小，兩側(cè)應(yīng)變?cè)黾?，直至全部脫落?/p>

3.2FRP材料與接縫未貼合

3.2.1接頭破壞現(xiàn)象及形態(tài)

芳綸布加固接頭在彎矩0～187.5 kN·m階段，撓度基本呈線性發(fā)展，撓度增加速度相對(duì)變慢，在彎矩為195 kN·m時(shí)，撓度突變，螺栓拉斷，外緣混凝土壓碎，芳綸布拉斷，加載結(jié)束。芳綸布表現(xiàn)為脆性破壞，在接縫處拉斷。

碳纖維布加固接頭在彎矩0～90 kN·m階段，撓度基本呈線性發(fā)展，撓度增加速度相對(duì)變慢，之后增加速度加快，在彎矩為172.5 kN·m時(shí)，撓度突變，螺栓滑絲，外緣混凝土壓碎，碳纖維布拉斷，加載結(jié)束。碳纖維布表現(xiàn)為脆性破壞，在接縫處拉斷。破壞現(xiàn)象如圖12所示。

(a)芳綸布加固接頭;(b)碳纖維布加固接頭圖12　接頭破壞情況Fig.12 Damage of positive moment joint

3.2.2測(cè)試結(jié)果

未加固接頭及加固接頭主要的試驗(yàn)現(xiàn)象包括管片接縫跨中撓度、接縫張開量、螺栓應(yīng)力、FRP材料應(yīng)變、FRP材料與接頭管片的黏結(jié)、剝離情況等，其破壞過(guò)程及形態(tài)討論如下。

1)管片接縫撓度

圖13　接頭荷載—跨中撓度曲線Fig.13 Load-deflection curves

圖13為接縫跨中撓度隨彎矩的變化曲線，可以看出，芳綸布加固接頭在彎矩0～187.5 kN·m階段，撓度基本呈線性發(fā)展，撓度增加速度相對(duì)變慢，在彎矩為195 kN·m時(shí)，撓度突變，螺栓拉斷，外緣混凝土壓碎，芳綸布拉斷，加載結(jié)束。

碳纖維布加固接頭在彎矩0～90 kN·m階段，撓度基本呈線性發(fā)展，撓度增加速度相對(duì)變慢，之后增加速度加快，在彎矩為172.5 kN·m時(shí)，撓度突變，螺栓滑絲，外緣混凝土壓碎，碳纖維布拉斷，加載結(jié)束。

2)管片接縫張開

圖14　接頭荷載—張開曲線Fig.14 Load-opening curves

圖14為接縫轉(zhuǎn)角隨彎矩的變化曲線，可以看出，芳綸布加固接頭在彎矩0～187.5 kN·m階段，張角基本呈線性發(fā)展，張角增加速度相對(duì)變慢，在彎矩為195 kN·m時(shí)，張角突變，螺栓拉斷，外緣混凝土壓碎，芳綸布拉斷，加載結(jié)束。

碳纖維布加固接頭在彎矩0～90 kN·m階段，撓度基本呈線性發(fā)展，張角增加速度相對(duì)變慢，之后增加速度加快，在彎矩為172.5 kN·m時(shí)，張角突變，螺栓滑絲，外緣混凝土壓碎，碳纖維布拉斷，加載結(jié)束。

3)螺栓應(yīng)力

圖15　接頭荷載—螺栓應(yīng)力曲線Fig.15 Load-bolt stress curves

圖15為螺栓應(yīng)力隨彎矩的變化曲線，可以看出，芳綸布加固接頭在在彎矩0～50 kN·m階段，螺栓應(yīng)力變化不明顯，之后到彎矩187.5 kN·m應(yīng)變呈線性發(fā)展，在彎矩為195 kN·m時(shí)，螺栓拉斷，外緣混凝土壓碎，芳綸布拉斷，加載結(jié)束。

碳纖維布加固接頭在彎矩0～50 kN·m階段，應(yīng)力增加不明顯，之后應(yīng)力呈線性增加，在彎矩為172.5 kN·m時(shí)，應(yīng)力突變，考慮為螺栓滑絲。

4)FRP應(yīng)變

圖16為芳綸布應(yīng)變?cè)诠芷∶娣较蛏系姆植家?guī)律，橫坐標(biāo)為芳綸布測(cè)點(diǎn)至管片接縫的距離，縱坐標(biāo)為芳綸布應(yīng)變，所取應(yīng)變狀態(tài)分布為接頭彎矩為45，90，135和180 kN·m。

從圖中可以看出芳綸布應(yīng)變分布大致呈對(duì)稱分布，加載過(guò)程中芳綸布應(yīng)變數(shù)值較小，最大為178 με，應(yīng)力約為20 MPa。應(yīng)變最大處不在接縫處，而位于距接縫150 mm處。加載過(guò)程中芳綸布受力不明顯，但開始受力后立即拉斷，變現(xiàn)為脆性破壞。

圖16　芳綸布應(yīng)變分布曲線Fig.16 Distribution of strain of composite cavity

圖17　碳纖維布應(yīng)變分布曲線Fig.17 Distribution of strain of composite cavity

圖17為碳纖維布應(yīng)變?cè)诠芷∶娣较蛏系姆植家?guī)律，橫坐標(biāo)為碳纖維布測(cè)點(diǎn)至管片接縫的距離，縱坐標(biāo)為碳纖維布應(yīng)變，所取應(yīng)變狀態(tài)分布接頭彎矩為45，90，135和172.5 kN·m。

從圖中可以看出碳纖維布應(yīng)變分布大致呈對(duì)稱分布，加載過(guò)程中碳纖維布應(yīng)變數(shù)值較小，最大為152 με，應(yīng)力約為36 MPa。碳纖維布受力不明顯，但開始受力后立即拉斷，變現(xiàn)為脆性破壞。

4結(jié)果分析與討論

4.1FRP加固接頭破壞模式

圖18為不同加固模式下的接縫受力全過(guò)程曲線，可以看出，未加固管片在荷載作用下，分別經(jīng)歷線彈性工作階段、弱非線性工作階段及彈塑性工作階段。接頭初始呈線彈性發(fā)展，在螺栓開始受力后接縫剛度有所下降，之后螺栓屈服，外側(cè)混凝土接觸壓緊，剛度有所提升，最后外側(cè)混凝土壓碎，接縫破壞，表現(xiàn)為大偏心受壓破壞。

圖18　接縫受力全過(guò)程曲線Fig.18 Whole process curve of Joint under load

在芳綸布加固接頭中，加載初期芳綸布與管片共同受力變形，當(dāng)加載至彎矩為135 kN·m時(shí)，芳綸布靠近接縫處開始脫開，接縫轉(zhuǎn)角剛度有所下降，當(dāng)加載至彎矩為220.5 kN·m時(shí)，芳綸布完全脫落，接縫外緣混凝土壓碎，外弧面出現(xiàn)大面積壓碎剝離現(xiàn)象，黏結(jié)破壞表面混凝土呈魚鱗狀。

在碳纖維布加固接頭中，加載初期碳纖維布與管片共同受力變形，當(dāng)加載至彎矩為135 kN·m時(shí)，碳纖維布靠近接縫處開始脫開，接縫轉(zhuǎn)角剛度有所下降，當(dāng)加載至彎矩為202.5 kN·m時(shí)，碳纖維布完全脫落，接縫外緣混凝土壓碎，外弧面出現(xiàn)大面積壓碎剝離現(xiàn)象，碳纖維布脫落在靠近接縫處破壞面表現(xiàn)為淺層混凝土剝離，遠(yuǎn)離接縫處破壞面表現(xiàn)為碳布與膠水接觸面黏結(jié)破壞。破壞現(xiàn)象如圖19所示。

(a)芳綸布接縫破壞圖；(b)碳纖維布加固接縫破壞圖圖19　FRP加固接縫破壞圖Fig.19 Damage of reinforced joint

綜合分析試驗(yàn)結(jié)果，在FRP材料加固管片中，芳綸布(或碳纖維布)與管片間通過(guò)結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行黏結(jié)，整體為一個(gè)疊合結(jié)構(gòu)，在黏結(jié)失效之前，芳綸布(或碳纖維布)與管片共同受力變形，提高了接縫整體剛度。

本次接頭加固試驗(yàn)是一次脆性破壞的過(guò)程，芳綸布(或碳纖維布)剝離的主要模式為混凝土—樹脂黏結(jié)界面破壞，并且破壞由接縫處逐漸擴(kuò)展至整個(gè)黏結(jié)面。疊合結(jié)構(gòu)的粘結(jié)面是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，黏結(jié)失效發(fā)生后結(jié)構(gòu)整體剛度迅速下降，受壓區(qū)混凝土壓碎，結(jié)構(gòu)破壞。

圖20　接縫受力全過(guò)程曲線Fig.20 Whole process curve of Joint under load

圖20為FRP材料留有褶皺與完全貼合的接縫受力全過(guò)程曲線比較，可以看出，由于FRP材料在接縫處留有褶皺，加載初期FRP材料受力較小，接縫受力一直處于線彈性階段，當(dāng)加載至彎矩為約180 kN·m時(shí)，螺栓屈服，接縫轉(zhuǎn)角剛度有所下降，接縫快速?gòu)堥_，此時(shí)FRP材料開始受力，并發(fā)生脆性拉斷破壞，拉斷截面位于接縫處。

與FRP材料與接縫貼合的試驗(yàn)結(jié)果不同，在留有褶皺的加固方式中，F(xiàn)RP材料未能充分發(fā)揮作用，開始受力后瞬時(shí)發(fā)生脆性破壞，對(duì)接縫受力未起到加固效果。因此，F(xiàn)RP材料在加固施工中應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，使FRP材料充分貼合，與結(jié)構(gòu)共同受力變形。

4.2FRP加固效果

試驗(yàn)得到了未加固管片接頭及FRP材料加固后管片接頭受力特性及破壞模式，可從螺栓屈服或FRP材料黏結(jié)失效、承載力、接縫轉(zhuǎn)角剛度等幾個(gè)方面對(duì)加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于FRP材料初始有褶皺工況中，加固材料發(fā)生脆性拉斷破壞，未起到加固效果，因此，只對(duì)FRP材料與接縫貼合的加固方式進(jìn)行討論。

其中，未加固接頭的極限狀態(tài)定義為接縫混凝土壓碎，接頭無(wú)法繼續(xù)承載，加固接頭的極限狀態(tài)定義為FRP材料黏結(jié)失效，接縫轉(zhuǎn)角剛度取為加載時(shí)接縫的初始轉(zhuǎn)角剛度。

未加固接頭在彎矩約為180 kN·m螺栓屈服，在彎矩約為247.5 kN·m外緣混凝土壓碎，達(dá)到極限狀態(tài)，初始接縫轉(zhuǎn)角剛度為10 388 kN·m/rad。

芳綸布加固接頭在彎矩約為120 kN·m時(shí)黏結(jié)開始失效，極限承載彎矩約為220.5 kN·m，接縫初始轉(zhuǎn)角剛度為21 844 kN·m/rad。相比于未加固接頭，加固后接頭極限承載力降低了10%，接頭轉(zhuǎn)角剛度提高約110%。

碳纖維布加固接頭在彎矩約為105 kN·m時(shí)黏結(jié)開始失效，極限承載彎矩約為202.5 kN·m，接縫初始轉(zhuǎn)角剛度為20 352 kN·m/rad。相比于未加固接頭，加固后接頭極限承載力降低了18%，接頭轉(zhuǎn)角剛度提高約96%。

表3　FRP材料加固效果

從表3可以看出，相對(duì)于未加固接頭，F(xiàn)RP材料加固盾構(gòu)隧道縱縫接頭的初始轉(zhuǎn)角剛度有較大提高，提升約110%，而極限承載力降低了約10%，芳綸布與碳纖維布的加固效果近似。由于芳綸布厚度為0.286 mm，彈性模量約為110 GPa，碳纖維布厚度為0.167 mm，彈性模量約為240 GPa，試驗(yàn)采用的芳綸布截面抗彎剛度EI略大于碳纖維布，因此對(duì)接頭的剛度提高更大。

在FRP材料黏結(jié)良好的情況下，加固接頭轉(zhuǎn)角剛度有很大提升，然而與預(yù)期不一致，由于FRP材料黏結(jié)失效過(guò)早發(fā)生，使得接縫處應(yīng)力重分布，縱縫接頭破壞模式發(fā)生改變，原有螺栓的作用未能充分發(fā)揮，混凝土過(guò)早壓碎，屬于脆性破壞。因此，F(xiàn)RP加固材料能夠提高接頭轉(zhuǎn)角剛度，可用于縱縫接頭臨時(shí)性的加固以限制接縫變形，不適用于作為永久加固方法。

FRP材料的黏結(jié)面是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，黏結(jié)失效的過(guò)早發(fā)生使FRP材料的抗拉強(qiáng)度未能充分發(fā)揮，結(jié)構(gòu)膠的黏結(jié)強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度決定了其加固效果。因此，提高結(jié)構(gòu)膠的黏結(jié)強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度，改善FRP材料的黏結(jié)工藝，可有效提高FRP材料的加固效果。

6結(jié)論

1)在FRP材料黏結(jié)良好的情況下，加固接頭轉(zhuǎn)角剛度提升約110%，芳綸布與碳纖維布的加固效果近似。然而，其加固效果未達(dá)到預(yù)期，由于FRP材料黏結(jié)失效過(guò)早發(fā)生，接頭受力重分布，F(xiàn)RP材料未能起到提高接頭承載力的效果。

2)FRP材料的黏結(jié)面是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，結(jié)構(gòu)膠的黏結(jié)強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度決定了其加固效果，提高結(jié)構(gòu)膠的黏結(jié)強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度，改善FRP材料的黏結(jié)工藝，可有效提高FRP材料的加固效果。

3)FRP加固材料可用于縱縫接頭臨時(shí)性的加固以限制接縫變形，不適用于作為永久加固方法。

4)FRP材料在加固施工中應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，使FRP材料充分貼合，與結(jié)構(gòu)共同受力變形。

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(編輯陽(yáng)麗霞)

Experimental study on the longitudinal joint in shield tunnel reinforced with FRP material

LIU Xian, ZHANG Chenguang, ZHANG Chen, JIANG Zijie

(Department of Geotechnical Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China)

Abstract:A full-scale test was carried out to study the ultimate bearing capacity of the reinforced longitudinal joint and the unreinforced one. The failure mechanism of reinforced joint with composite cavity was obtained and the overall effect of the reinforcement was evaluated. The test results show that on the condition of well bonding, the angle stiffness of joint reinforced with FRP can be improved.

Key words:shield tunnel; longitudinal joint; composite cavity; ultimate bearing capacity

中圖分類號(hào)：U451

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)02-0316-09

通訊作者：柳獻(xiàn)(1977-)，男，湖北武漢人，副教授，博士，從事隧道及地下結(jié)構(gòu)服役行為、相關(guān)機(jī)理與性態(tài)控制方面的研究；E-mail:xian.liu@#edu.cn

基金項(xiàng)目：上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)社發(fā)重點(diǎn)領(lǐng)域科技項(xiàng)目(13231200400)

收稿日期：2015-06-16