一种钢纤维非均匀定向分布的混凝土管片结构

本技术属于隧道管片制备，涉及一种混凝土管片结构，尤其是涉及一种钢纤维非均匀定向分布的混凝土管片结构。

背景技术：

1、近年来，随着城市轨道交通建设进一步发展，地铁区间盾构隧道的建设技术也取得了长足的进展。在过去几十年的地铁盾构隧道建设历程中，盾构隧道的衬砌形式大多设置为预制钢筋混凝土管片，这种衬砌在实际应用中容易混凝土出现受荷载作用(主要为拉应力情况下)而产生开裂的情况，后期维护较为困难。在21世纪初，国内学者依据国外先进经验，尝试将钢纤维混凝土应用于盾构隧道管片结构之中，较好的提升了盾构隧道抵抗拉应力的性能，增强了混凝土开裂后承受荷载的能力。

2、目前采用的钢纤维混凝土管片中钢纤维的分布形式为杂乱地分布在混凝土管片的各个位置中，大量的钢纤维分布于压应力区，对混凝土抗拉几乎起不到补强作用。其次，钢纤维的方向杂乱无章，大量的钢纤维由于和拉应力方向夹角较大而难以起到提高混凝土抗拉强度的作用。

技术实现思路

1、本实用新型要解决的技术问题是提出一种钢纤维非均匀定向分布的混凝土管片结构，以充分发挥钢纤维的补强作用，减少原材料的浪费并节约成本。

2、本实用新型提出了一种钢纤维非均匀定向分布的混凝土管片结构，该结构通过对管片受力进行分析，将管片分为内层与外层，内层定义为位于管片整体结构内环的混凝土结构层；外层定义为位于管片整体结构外环的混凝土结构层。基于盾构隧道管片各块不同受力情况对钢纤维的分布形式进行设计，主要包括三种不同分布形式：无钢纤维、钢纤维仅分布于管片内层和钢纤维仅分布于管片外层。

3、具体的，本实用新型提供了一种钢纤维非均匀定向分布的混凝土管片结构，混凝土管片结构呈圆环状结构；混凝土管片结构含有钢纤维非均匀定向分布的标准块，标准块以混凝土为基础，嵌有非均匀分布的钢纤维，钢纤维是呈直线状的纤维，集中镶嵌于标准块的内侧、中部或者外侧，钢纤维分布方向是其中点与混凝土管片结构的圆心连线所在半径在该中点处的切线方向。

4、优选地，混凝土管片结构由圆弧状的标准块、邻接块和封顶块连接形成；

5、封顶块位于混凝土管片结构的顶部，两端分别与一个邻接块固定连接；邻接块由混凝土构成，一端与封顶块固定连接，另一端与标准块的一端固定连接，在混凝土管片结构的其余位置标准块和邻接块间隔分布，相互固定连接。

6、本实用新型提供了一种钢纤维非均匀定向分布的混凝土管片结构，包括由钢纤维混凝土制成的标准块(b)若干块，邻接块(l)两块和封顶块(f)一块,钢纤维并不是杂乱地均匀分布在混凝土中，而是针对盾构隧道管片各块的受力情况不同进行钢纤维分布区域的精确设计，同时对管片中的钢纤维姿态进行精准控制。

7、优选地，可以将整体混凝土管片分为内层与外层，对于内层受到拉应力作用而外层受到压应力作用的块，设计为内层为分布有钢纤维的混凝土结构层，外层为普通混凝土层，即钢纤维仅分布于管片内层形式。

8、优选地，对于外层受到拉应力作用而内层受到压应力作用的块，设计为外层为分布有钢纤维的混凝土结构层，内层为普通混凝土层，即钢纤维仅分布于管片外层形式。

9、优选地，将整体混凝土管片分为内层与外层，对于外层中的一部分受到拉应力作用而另一部分受到压应力作用，同时内层中的一部分受到拉应力作用而另一部分受到压应力作用的块，根据修正惯用法的计算结果，所受应力较小，将其设计为内外层均无钢纤维分布的混凝土结构层，也即无钢纤维分布形式。

10、优选地，对于整体隧道不同位置管片结构进行分层设计，特殊地，对于封顶块(f)而言其尺寸较小，在外荷载作用下所受应力也较小，故将封顶块设计为内外层均无钢纤维分布的混凝土结构层，也即无钢纤维分布形式。

11、优选地，所采用的钢纤维混凝土中的钢纤维为定向分布，分布方向垂直于以该钢纤维中点与管片所在圆环圆心的连线，即以钢纤维中点为切点的切线方向。

12、优选地，混凝土管片结构中，位于底部的标准块的钢纤维分布在标准块的内侧；或者混凝土管片结构中，两侧的标准块的钢纤维分布在标准块的外侧。

13、优选地，混凝土管片结构中，钢纤维只分布在标准块的内侧、中线或者外侧，所占宽度为标准块宽度的1/4至2/3。

14、优选地，混凝土管片结构中，标准块中嵌有若干行钢纤维，相邻两行钢纤维之间平行，或者钢纤维所在直线位置均与钢纤维中点与混凝土管片结构圆心连线相切。

15、优选地，标准块中钢纤维，相邻两行钢纤维之间的距离为钢纤维宽度的1/2-2倍。

16、优选地，标准块中每列钢纤维的间隔处参差，或者若干行钢纤维的断点不形成直线。

17、优选地，标准块含有c50混凝土。在本实用新型的一个优选例中，封顶块、邻接块主要由无分布的普通c50混凝土构成，标准块以普通c50混凝土非定向分布钢纤维。

18、优选地，对盾构隧道的混凝土管片结构中，内层为位于管片整体结构内环的混凝土结构层；或者外层为位于管片整体结构外环的混凝土结构层。

19、优选地，基于盾构隧道管片各块不同受力情况对钢纤维的分布形式进行设计，主要包括三种不同分布形式：无钢纤维、钢纤维仅分布于管片内层和钢纤维仅分布于管片外层。

20、根据钢纤维在混凝土管片结构中的分布，可以将四种不同分布形式的块分别命名为i型块、ⅱ型块、ⅲ型块、ⅳ型块。

21、i型块：在混凝土管片中，某一邻接块或标准块由于受到土体压力及孔隙水压力作用，块的外弧面呈现出拉伸变形而内弧面呈现出压缩变形的趋势，内层受到压应力作用而外层受到拉应力作用，将具有这种受力特点的块设计为外层为分布有定向钢纤维的混凝土，而内层为普通混凝土。

22、根据修正惯用法在一般情况下计算的结果可知，满足ⅰ型块一般位于盾构隧道管片的拱腰位置。

23、ⅱ型块：在混凝土管片中，某一邻接块或标准块由于受到土体压力及孔隙水压力作用，块的外弧面呈现出压缩变形而内弧面呈现出拉伸变形的趋势，内层受到拉应力作用而外层受到压应力作用，将具有这种受力特点的块设计为内层为分布有定向钢纤维的混凝土，而外层为普通混凝土。

24、根据修正惯用法在一般情况下计算的结果可知，满足ⅱ型块一般位于盾构隧道管片的拱顶位置和拱底位置。

25、ⅲ型块：在混凝土管片中，内弧面以及外弧面的变形都同时存在拉伸变形和压缩变形的过渡区域，对于外层中的一部分受到拉应力作用而另一部分受到压应力作用，同时内层中的一部分受到拉应力作用而另一部分受到压应力作用的块。将具有这种受力特点的块设计为无钢纤维分布的普通c50混凝土。

26、根据修正惯用法在一般情况下计算的结果可知，满足ⅲ型块定义的块一般位于盾构隧道管片的拱腰临近拱顶或拱腰临近拱底的位置，也即是位于ⅰ型块与ⅱ型块之间的位置，根据修正惯用法的计算结果，该位置处所受的应力较小，可以不布置钢纤维。

27、ⅳ型块：即为盾构隧道的封顶块(f)，一般来说，封顶块占圆心角的22.5°其尺寸较小，在该尺度下，封顶块中的故将封顶块设计为无钢纤维分布的普通c50混凝土。

28、本实用新型针对钢纤维混凝土管片目前存在的问题，提出了一种基于管片中各个块受力具体情况的新型不均匀定向钢纤维混凝土管片结构。该结构主要从控制钢纤维的分布区域和分布姿态两个方面来充分发挥钢纤维的补强作用，减少原材料的浪费并节约成本。除此之外，本实用新型所述结构还控制了钢纤维在混凝土管片中分布的方向。在本结构中，钢纤维分布的理想方向为钢纤维所在盾构隧道管片位置处的拉应力方向，由于钢纤维为直线形状，故将钢纤维分布方向设计为垂直于该钢纤维中点与管片所在圆环圆心的连线的方向，使得钢纤维尽可能地发挥其增强材料的抗拉程度的作用。