Numerical investigation into the composite behaviour of over-deformed segmental tunnel linings strengthened by bonding steel plates

Bonding steel plate has been used as a strengthening approach to repair disrupted segmental lining of operational tunnels. This paper introduces numerical investigation into the composite behaviour of the initially deformed segmental tunnel linings strengthened by bonding steel plates using finite element modelling. Cohesive zone modelling was used to simulate the interface bonding behaviour between the segmental linings and steel plates. The full history of the tunnel behaviour before and after strengthening were simulated, where the segmental tunnel lining is initially loaded to create some deformation, then after bonding steel plate, the strengthened tunnel is reloaded until failure occurs. By comparing the results with experimental data from the literature, the proposed model was proved to be capable of simulating the strengthened lining behaviour and able to capture the strengthening failure process in terms of the interface debonding. Subsequently, the segmental lining response and interface shear stress distribution and propagation were analysed to interpret the interaction and failure mechanism of the steel plate strengthened segmental linings. The influence of the initial deformation and the steel plate thickness were investigated and discussed in terms of the strengthened stiffness and capacity. It has been found that the interface shear stress concentration occurred at the positions of the segment joints, where bond damage first initiated. The ultimate failure of the steel plate strengthening happened suddenly once a local debonding zone close to the segmental joint was formed. In addition, the predicted results indicate that a delay in strengthening would result in an increase in strengthened capacity but a decrease in strengthened stiffness. By using thicker steel plates, the strengthened stiffness was improved, while the strengthened capacity could be improved only if the thickness was relatively thin.     

Experimental investigation of the ultimate bearing capacity of deformed segmental tunnel linings strengthened by epoxy-bonded filament wound profiles

A new strengthening method employing epoxy-bonded filament wound profiles (FWPs) has been applied to shield tunnels subject to large deformation. Full-scale tests were conducted on the ultimate bearing capacity of linings strengthened by the new method. With consideration for secondary loading, the strengthening measures were applied when the lining deformation reached 120 mm (0.02D). The failure phenomena are described, and the main loading process results were obtained, including load-displacement curves, cracking, and joint openings. The failure mechanisms, the key performance points, and bearing capacities of the tested strengthened linings are discussed and analysed. In addition, a comparison was made between two FWP strengthening methods as well as with epoxy-bonded steel plate strengthening methods. The results show that the epoxy-bonded FWP method is effective and practical for strengthening segmental tunnel linings, which can improve both the ultimate bearing capacity and overall stiffness of the structures. The failure of the strengthened linings is primarily caused by bond failure between the FWPs and the concrete lining segments, indicating that the bonding capacity of the adhesive is of great importance when utilising the proposed strengthening method.     

Experimental investigation of the ultimate bearing capacity of continuously jointed segmental tunnel linings

The serviceability of segmental tunnel linings is attracting more and more attention within the operation of urban rail traffic. Full-scale tests are herein conducted to determine the ultimate bearing capacity of continuously jointed segmental tunnel linings, considering changes of surrounding environment. The design of tested linings and loading schemes are described. The most important results are the evolution of deformations, cracking and opening of joints and forces in bolts. The bearing capacity, role of joint bolts and failure mechanism of the tested linings are analysed. It is found that failure of these linings is caused by the failure of joints. Thus, in order to optimise structural design of tunnel linings, more attention needs to be paid to maximise the joint strength. It is also found that circumferential joint bolts could take action and offer the safety margin in connection with the response of segmental structures. What’s more, a comparison of different experimental loading conditions has shown that segmental lining structures are more vulnerable to lateral unloading than to overload conditions.     

地铁盾构隧道衬砌结构变形及破坏探讨

盾构隧道衬砌结构的变形与破坏模式受接头的力学性能控制,但目前国内地铁盾构隧道接头形式多样,不同形式的接头对整环结构受力性能的影响机理还不清晰。基于足尺试验,分别研究单环、多环的国内典型地铁直螺栓接头衬砌结构、弯螺栓接头衬砌结构、快速接头衬砌结构的受力性能,对比分析其正常运营状态的变形、周边扰动下的破坏模式与极限承载力。结果表明：①通缝拼装盾构隧道衬砌结构的性能由纵缝接头性能决定,提高纵缝接头延性可使结构破坏模式从接头处连接件脆性断裂转变为结构整体失稳;②错缝结构性能取决于环间相互作用强弱,随着环间相互作用的增强,结构首个塑性铰位置从纵缝接头向管片本体转移;③可通过环间、环内的协调设计,优化结构正常运营状态基本受力性能,提高结构极限承载力并使结构发生延性破坏。     

既有桥梁粘钢加固受力特性分析

本文在既有桥梁粘钢加固的基础上,通过有限元数值分析计算,比较了粘钢加固前后在自重和汽车荷载作用下的挠度和纵向应力变化,并进行了正截面抗弯承载能力验算,评价了既有桥梁粘钢加固改造的效果。结果表明粘钢加固后钢板能够有效地参与受力,主梁受压区截面高度增大,承载力增大,受力更加合理;加固后正截面抗弯极限承载力有所提高;桥梁的整体性和刚度均有显著改善。     

粘钢加固混凝土梁疲劳性能试验研究

为研究粘钢加固混凝土梁的疲劳性能,进行了2根粘钢加固梁及1根对比梁的疲劳试验。试验研究表明:在钢板与混凝土粘结完好的情况下,粘贴钢板加固较大地提高了梁的抗变形能力;与未加固梁相比,因钢板端部粘结失效,加固梁主筋断裂时的疲劳循环次数反而减少,也说明在粘贴钢板加固工程中,应注意保证钢板端部的良好锚固,使钢板与混凝土良好粘结,钢板才能充分发挥作用。     

粘钢加固钢筋混凝土剪力墙抗震性能试验研究

通过一组试验研究不同粘钢加固方式对钢筋混凝土剪力墙抗震性能的影响.本研究设计制作了6片钢筋混凝土剪力墙,并对这些试件进行了拟静力低周反复加载试验,这6个试件包括不经加固的混凝土剪力墙、只用水平U形箍加固的剪力墙、用水平U形箍和竖向钢材加固但端部锚固方式不同的剪力墙.在试验中记录了各试件在水平反复荷载下的荷载-位移滞回曲线、钢筋应变、墙体裂缝分布及墙体的破坏现象.分析了不同粘钢加固方式对混凝土剪力墙水平承载力、位移延性、耗能能力的影响.试验结果表明以粘钢加固的方式加固钢筋混凝土剪力墙,可以有效地改善剪力墙的抗震性能,并且,可靠的端部锚固方式对粘钢加固剪力墙的抗震性能也至关重要.     

地铁盾构隧道纵向接缝承载能力试验研究与解析分析

当前地铁运营实践和研究表明管片接缝是盾构隧道衬砌结构的薄弱环节,接缝的受力性能直接决定了隧道结构的承载能力。依托于整环试验研究结论,以盾构隧道管片纵缝接缝为研究对象,对不同运营工况下管片接缝的承载性能进行了足尺试验研究,获得不同工况下构件挠度、接缝转角等变化规律,得到转角刚度。分析得到了纵缝接缝的破坏链条,推导了可模拟接缝受力全过程的解析模型分析了纵缝接缝的全过程受力性能及其极限承载力。并借此模型对接缝截面与全截面受力变形进行对比分析,通过试验数据与解析模型数据的对比分析验证解析模型的合理性。     

粘结型钢加固技术在工程结构改造中的应用

粘结型钢加固技术作为一种新型的加固方法,在建筑物改造与加固工程中,能大幅度提高梁的极限承载力,解决粘结钢板可能带来的超筋问题。针对某具体的加固工程,重点阐述了粘结型钢加固技术的设计、构造和施工工艺,可为其它工程应用提供参考。     

双曲拱桥采用碳纤维加固的结构计算

某三跨双曲拱桥采用碳纤维和粘钢加固,通过有限元软件建模计算分析桥梁加固前后结构内力,结果表明碳纤维增强和粘钢技术对桥梁的承载能力提高明显。加固后的大桥承载能力极限状态和正常使用极限状态均能满足规范要求。     

拉压区复合加固木梁抗弯性能试验研究

为了有效提升古建木梁的承载能力,提出采用拉区粘贴纤维复合材料、压区内嵌钢筋的复合加固方法。对11根矩形木梁进行三分点加载试验,主要考虑加固方法、受拉区名义配筋率和木材种类等影响因素,观察并记录试件的受力过程及破坏形态,获取试件的荷载 挠度曲线及荷载 应变曲线,进而分析各因素对木梁抗弯性能的影响。研究结果表明：仅拉区加固时,木梁试件的承载力、刚度和延性随着受拉区名义配筋率的增加而提高,但提升幅度不显著;拉压区复合加固木梁的承载力及刚度均高于仅拉区加固木梁,采用拉压区复合加固能显著提高原木梁的承载力及刚度,但其延性略有降低;在相同加固方法下,加固松木木梁的承载力及刚度提高幅度要优于杉木木梁。加载过程中,木梁跨中截面应变沿高度方向基本符合平截面假定,木材与加固材料的应变基本一致,表明拉压区复合加固方法可以保证木材与加固材料间的协调工作。基于试验结果,提出拉压区复合加固木梁的承载力计算模型,其理论计算值与试验结果吻合良好。     

预应力高强钢丝绳抗弯加固钢筋混凝土梁的试验研究

提出一种预应力高强钢丝绳抗弯加固混凝土结构的新方法(简称P-SWR加固技术)。介绍这种新技术的提出思想及实现工艺,对预应力高强钢丝绳抗弯加固混凝土梁进行试验研究,重点讨论直接加载、先损伤后加载、钢丝绳层数、钢丝绳与混凝土黏结性能、锚固方式等参数对加固性能的影响,并与粘贴CFRP和钢板加固混凝土梁性能作了比较。试验结果表明,预应力高强钢丝绳加固能同时显著提高混凝土梁的开裂荷载、截面刚度、屈服荷载、最大承载力,加固后的梁发生钢筋屈服、受压区混凝土压坏、钢丝绳断裂的延性破坏,能有效限制混凝土裂缝宽度,钢丝绳能达到极限拉伸应变而充分发挥作用。P-SWR加固技术可较好地解决现有加固方法中的诸多缺点,是一种高效主动式的加固技术。另外,该技术还具有易施工、耐火、耐老化、成本低等优点,值得在实际工程中大力推广应用。     

波形钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究

为研究波形钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能,完成了竖向波形钢板-混凝土组合剪力墙、水平波形钢板-混凝土组合剪力墙以及平钢板-混凝土组合剪力墙拟静力试验,研究了波形钢板-混凝土组合剪力墙在低周往复荷载作用下的变形能力和破坏模式,分析了荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、各阶段特征荷载和位移值等,以及结构的破坏特征、变形和耗能能力、刚度和承载力退化。试验结果表明：波形钢板-混凝土组合剪力墙具有较大的抗侧刚度、较好的延性和耗能能力;与平钢板-混凝土组合剪力墙相比,波形钢板-混凝土组合剪力墙有较好的界面黏结性能,而平钢板-混凝土剪力墙由钢板变形引起的混凝土剥落严重;波形钢板-混凝土组合剪力墙的初始刚度较平钢板-混凝土组合剪力墙的高,竖向波形钢板-混凝土组合剪力墙的承载力和极限位移较水平波形钢板-混凝土组合剪力墙的高,波形钢板-混凝土组合剪力墙的承载力退化和刚度退化比平钢板-混凝土组合剪力墙的慢,表现出较好的受力性能。采用ABAQUS有限元软件可以较好地模拟试验,有限元分析结果表明,波形钢板的应力分布比较均匀,组合作用效应明显,适合在抗震结构中采用。     

外套钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土圆形截面短柱轴压性能试验研究

提出外套钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土柱的复合加固方法。通过11个加固钢筋混凝土圆形截面短柱试件（其中2个为增大截面加固柱试件、9个为复合加固柱试件）和2个未加固钢筋混凝土圆形截面短柱试件的轴压试验,对不同方法加固的钢筋混凝土圆形截面短柱承载力、刚度和延性进行研究,分析加载方式、含钢率、后浇自密实混凝土强度、界面处理方式等因素对复合加固柱轴压性能的影响。试验结果表明：复合加固柱试件的承载力和延性均优于未加固钢筋混凝土圆柱试件和增大截面加固柱试件。仅核心混凝土受压的试件承载力略大于全截面受压的试件;随着含钢率的增大,复合加固柱试件的承载力和延性提高显著;随着后浇自密实混凝土强度的提高,复合加固柱试件的承载力略有提高,但延性有所下降;界面处理方式对复合加固柱试件轴压性能影响不显著。在试验研究的基础上,提出复合加固钢筋混凝土圆形截面短柱的承载力计算式,得出的计算结果与试验结果吻合良好。     

锚贴钢板加固锈蚀钢筋混凝土梁试验研究

为了研究锈蚀钢筋混凝土梁采用钢板锚贴加固后的力学性能,设计了12根钢筋混凝土梁,以设计锈蚀率为10%进行电化学快速锈蚀。在锚贴钢板加固前进行预压试验,裂缝宽度控制为0.2mm。按保护层厚度分为3组,每组1根对比梁,其余3根分别按钢板厚度3、4、5mm进行锚贴钢板加固。加载对比试验研究表明:锚贴钢板加固锈蚀钢筋混凝土梁的跨中截面应变基本符合平截面假定,正常使用性能得到明显改善,且极限承载力亦有明显提高。锚贴钢板有效地减小了锈蚀钢筋混凝土梁的裂缝宽度和裂缝延伸高度,在相同保护层和锈蚀率相近时,钢板厚度增加3~5mm导致其挠度减小,且减小幅度为13%~51%。保护层厚度对加固梁的极限承载力影响不明显。     

粘钢加固某特大桥对比性试验与数值模拟研究

为深入研究粘贴钢板加固钢筋混凝土桥梁的加固效果，结合河北省十里铺特大桥加固工程，对试验孔分别进行了加固前后的对比性荷载试验和非线性数值模拟，试验结果表明，粘贴钢板可明显增加破损主梁的抗弯刚度，有效抑制混凝土开裂；非线性数值计算结果表明，加固后极限承载力提高了25％，并提出了解决后加钢板应力一应变滞后问题的措施。     

复合砂浆钢丝网加固RC受弯构件的试验研究

本文对用无机材料钢丝网复合砂浆加固的钢筋混凝土梁进行了正截面抗弯试验研究,研究了这种新的加固技术对钢筋混凝土梁的抗弯承载力的影响和作用。试验包括13根用钢丝网加固的试件和两根未加固的对比试件。加固的形式包括U形三面加固及一面加固两种。试验的主要目的是研究采用该加固方法后,试件可能产生的破坏形式,正截面抗弯承载力的提高程度等等。试验中测量了受弯构件的开裂荷载、极限荷载、钢筋应变及钢丝网应变。试验结果表明,钢丝网复合砂浆薄层可以明显地提高钢筋混凝土梁的抗弯承载力,提高抗裂性能,增强构件的抗弯刚度。试验结果说明该技术是一种有效的加固方法。     

钢绞线网片-聚合物砂浆加固钢筋混凝土梁受弯性能试验研究及破坏机理分析

通过6根采用钢绞线网片-聚合物砂浆加固技术加固的钢筋混凝土梁和1根未加固对比梁的受弯性能试验,研究了钢绞线配置数量(加固率)、聚合物砂浆类型和钢绞线预应力水平等参数对加固试件受弯性能的影响。基于试验结果,重点分析了加固试件的承载力、变形能力、破坏形态和破坏机理等。结果表明：试件受弯承载力随加固率的提高而提高,但加固试件的变形能力有所降低;采用该加固技术对试件的初始刚度影响不大;钢绞线施加预应力可提高加固梁的抗裂性能,减小裂缝宽度,但在相同加固率下,试件的变形能力随预应力水平提高而降低,采用预应力水平0.05的加固试件可获得较好的变形性能;单、双组份聚合物砂浆对加固试件界面黏结性能和承载力无明显影响;对加固率较大的试件,需进行端部锚固件验算。基于平截面假定,提出了采用钢绞线网片-聚合物砂浆加固钢筋混凝土梁受弯承载力的计算式,计算结果与试验结果吻合较好。     

高强钢绞线网-聚合物砂浆抗震加固既有建筑砖墙体试验研究

进行5片采用高强钢绞线网-聚合物砂浆面层加固的墙体和1片未加固的对比墙体的低周反复荷载试验,比较5种不同加固方案的破坏形态、承载力、延性和刚度退化等抗震性能。研究结果表明:采用高强钢绞线网-聚合物砂浆加固方法能有效地提高既有建筑砖墙体的极限承载力,改善墙体的延性和刚度退化,从而提高了墙体的抗震性能。分析了相应的加固机理,并提出了高强钢绞线网-聚合物砂浆加固既有砖墙体受剪承载力的计算方法。     

粘钢加固钢筋砼柱轴心受压受力机理的试验研究

通过对粘贴不同宽度的竖向钢板加固的三根钢筋砼柱在轴向荷载作用下受力性能的试验研究,以及与未加固柱的对比分析,探讨了粘钢加固钢筋砼柱的受力性能、变形性能、极限承载能力等,并对粘钢加固钢筋砼柱的设计提出一些建议。