带接头盒矩形盾构接头正向抗弯三维有限元分析

大弯矩小轴力的内力工况对大断面矩形盾构管片接头的构造设计提出了挑战。接头盒作为一种接头预埋件,其合理设计以及与混凝土共同受力机理值得研究。在梁-弹簧模型中接头抗弯转动弹簧刚度值具有明显的非线性,目前主要依靠足尺管片接头力学试验获取。鉴于数值模拟容易开展,同时基于某大断面盾构管片接头足尺抗弯力学试验数据,文章采用ABAQUS大型有限元软件建立了带有接头盒矩形盾构管片纵缝接头的三维精细化计算模型。针对这类带有接头盒的大断面盾构管片接头,重点考查在正弯矩工况下接头构造设计的合理性,研究轴力对接头正向抗弯性能的影响,分析接头的破坏形态。结果表明,正弯矩工况下接头的弯矩-转角全过程曲线可以简化为三折线模型;在一定范围内,轴力的施加可有效推迟管片接头进入塑性以及破坏阶段,而对各阶段抗弯刚度的数值影响并不明显。     

卸载工况下盾构隧道结构承载性能数值模拟分析

周边卸载导致的隧道横向大变形对地铁的正常运营与安全使用产生严重影响,对于隧道结构从周边卸载开始直至破坏的全过程,需要发展一种高效并能保证精度的数值模拟方法。文章首先进行不同接头刚度下衬砌环的内力及变形数值分析,表明管片接头刚度值对衬砌环轴力分布及大小影响很小,可以先使用相对简单的等刚度圆环法计算得到管片接缝处的轴力值,再将此预分析轴力值作为确定接头抗弯弹簧弯曲刚度曲线的轴力值,用三维直梁实体单元进行精细分析得到不同轴力下的管片接头抗弯刚度模型。最后将接头抗弯刚度模型参数赋给二维梁-弹簧模型中的弹簧参数,运用二维梁-弹簧法计算得到衬砌结构各级荷载下的内力和变形。该方法得到的数值模拟结果与试验结果一致,全过程数值分析表明:在侧向压力卸载过程中,接头截面处弯矩不断增大、轴力不断减小,各接头处抗弯刚度快速下降,最终结构达到破坏状态。     

盾构隧道结构健康评价的变形指标研究

选取隧道横向收敛变形和纵向不均匀沉降作为隧道结构健康评价的单项评价指标,提出了采用梁-弹簧模型计算管片纵缝接头处的内力,在此基础上采用精细化解析模型进一步分析纵缝接头力学特性,以纵缝接头张开量、螺栓屈服和管片裂缝值为控制依据,计算得到横向收敛指标;采用三维壳-弹簧模型,以环缝最大张开量为控制依据,计算得到不均匀沉降的曲率控制指标。将该研究应用于南京轨交10号线越江隧道工程,得到该隧道结构健康评价的变形控制指标。     

盾构隧道管片接头抗剪力学性能研究

通过对南京长江盾构隧道环向管片接头进行的三组原型抗剪(无螺栓剪切、有螺栓逆剪和有螺栓顺剪)加载试验,分析研究了管片接头在剪力作用下的受力、变形和破坏特征,给出了管片接头混凝土接触面的静摩擦系数,得到了接头剪力主要由混凝土接触面承担、破坏形式为连接斜螺栓剪切延性破坏的结论。通过对管片结构的有限元数值模拟计算得出:接头处的剪力与轴力比小于接缝面的摩擦系数,管片不会发生相互错动,结构是稳定的。     

大直径盾构隧道管片接头抗弯性能研究

基于我国沿海地区大直径盾构隧道的结构形式,根据接头实际受力特点,运用理论分析方法提出了大直径盾构隧道接头的抗弯刚度计算公式,并将其计算结果与上海盾构隧道接头抗弯试验结果进行了分析对比,结果表明本计算结果与试验值具有良好的吻合性.通过对目前几种常用管片、接头受力分析模型进行的比较也显示,此抗弯刚度计算方法运用到梁-弹簧模型中能够较好地预测与评价我国沿海地区大直径盾构隧道管片、接头的受力特点,对管片、接头结构设计有一定的参考价值.     

地铁盾构隧道管片衬砌结构受力特征研究

以我国城市地铁区间盾构隧道为对象,采用几何比1/12,同时考虑盾构隧道管片接头效应和管片与土体相互作用效应的三维土-盾构隧道相似模型试验,对盾构隧道管片结构在不同拼装方式下的力学行为进行了研究,并通过现场原位试验进行印证和补充,最后将研究成果与梁-弹簧模型的理论分析结果进行了比较,得出的结论可为盾构隧道的设计提供参考.     

河底地铁盾构隧道管片受力特征分析

穿河盾构隧道相比其它区段盾构隧道的工程地质和水文地质条件更为复杂,特别在我国南方地区,季节性降水量大,地表及地下水位变化明显。针对穿河盾构隧道富水软粘土地层,文章以佛山地铁2号线某区间穿河盾构隧道管片为研究对象,利用Abaqus有限元软件,采用梁-弹簧模型对受力管片进行数值计算分析,并与现场试验所测得的管片轴力进行验证。结果表明,现场测试管片受到的土压力略小于采用全覆土压方法的计算值;盾构隧道周围的水压对管片内力的影响较大,穿河盾构隧道即使上部土层透水性差,在管片设计时也要考虑岩层中裂隙水和承压水存在的可能,且为安全考虑,作用在管片上的土压可按全覆土压来计算。     

复合腔体加固盾构隧道衬砌力学行为的宏观分析模型

文章以复合腔体加固盾构隧道极限承载力足尺试验为背景,提出一种可用于模拟盾构隧道结构加固工况的非线性叠合模型,用不同的材料定义复合腔体和管片,用双向弹簧单元模拟未加固隧道与复合腔体间的粘结,并通过对比足尺试验结果,对模型的有效性进行了验证;同时详细地描述了一些关键参数的取值,并通过数值模拟结果形象地描述了结构的受力性能和破坏机理,为运营地铁盾构隧道的工程加固提供了优化建议。     

快速接头盾构隧道衬砌结构设计参数研究

管片接头受力性能是影响盾构隧道衬砌结构设计参数的关键因素,而采用快速连接件的接头受力性能尚不明确。文章参考国外盾构隧道衬砌快速连接件的研究和应用情况,结合上海市天然气管线过江隧道工程,通过管片接头荷载试验,对快速接头的纵缝转角刚度、纵缝抗剪刚度、环缝抗剪刚度进行研究。结合试验结果建立了基于梁弹簧法的三环错缝分析模型,给出了该模型关键参数的具体取值范围。最后通过计算对比提出了该种快速接头盾构隧道衬砌结构的修正惯用模型设计参数——刚度折减系数、弯矩传递系数。     

渗漏水对隧道管片接头氯离子侵蚀劣化的影响研究

海底盾构隧道管片接头易发生渗漏水而加速衬砌结构侵蚀劣化。文章考虑管片内海水渗透、氯离子侵蚀及渗漏水等,建立了海底隧道管片接头渗漏-侵蚀数值计算模型,分析了不同外水压及不同接缝渗水量等工况下管片接头氯离子侵蚀运移规律及影响。结果表明:接缝渗漏水导致临近区域渗流场分布形态改变,孔隙水压增大,且外水压的影响作用大于渗水量;接缝渗漏水加重管片接头内侧混凝土侵蚀,外水压越大,其劣化增幅越明显,而渗水量大小的影响可忽略不计;外水压的增大提高了钢筋表面离子含量,使得离子分布不均匀性减小,缩短了钢筋达到临界离子浓度时间,仅外水压较小时渗水量增大可提高同一时间内钢筋表面离子含量;渗漏水状态下,离子运移轨迹向接缝面靠拢,渗水量越大,接缝处离子运移曲线轨迹越密集。     

考虑地基刚度不均匀影响的沉管隧道接头变形分析

沉管隧道接头是整个结构中最薄弱的环节,其刚度及变形特征对结构安全至关重要。当隧道下卧地层刚度不均匀时,接头变形将更加复杂,因此有必要对沉管隧道在不均匀地层条件下的接头特性进行深入分析。文章基于某沉管隧道工程,建立了三维精细化有限元模型,进行沉管隧道接头部件分析计算,对钢剪切键及混凝土剪切键的力学特性进行了深入研究,得到其剪切刚度取值。之后利用上述研究成果,建立三维壳-弹簧沉管管节模型,对隧道整体变形情况进行分析。考虑地基的不均匀性,进行多工况计算,分析沉管隧道接缝变形情况,验证接头结构的可靠性。     

考虑地基刚度不均匀影响的沉管隧道接头变形分析北大核心CSCD

沉管隧道接头是整个结构中最薄弱的环节,其刚度及变形特征对结构安全至关重要。当隧道下卧地层刚度不均匀时,接头变形将更加复杂,因此有必要对沉管隧道在不均匀地层条件下的接头特性进行深入分析。文章基于某沉管隧道工程,建立了三维精细化有限元模型,进行沉管隧道接头部件分析计算,对钢剪切键及混凝土剪切键的力学特性进行了深入研究,得到其剪切刚度取值。之后利用上述研究成果,建立三维壳-弹簧沉管管节模型,对隧道整体变形情况进行分析。考虑地基的不均匀性,进行多工况计算,分析沉管隧道接缝变形情况,验证接头结构的可靠性。     

粘性地层地铁盾构隧道管片结构力学特征研究

以南京地铁一号线为工程背景,采用现场试验的研究手段对穿越粘性地层的盾构隧道管片结构在施工全过程和稳定期的力学行为进行了系统研究,同时采用考虑结构与地层相互作用的梁-弹簧模型对其进行了有限元数值模拟分析,并将结果进行比较和综合,提出了粘性地层条件下地铁盾构隧道管片结构的设计原则与方法。     

装配式管片接头受力平面有限元分析

在盾构法隧道设计中,评价接头刚度对管片内力的影响是隧道设计的一个十分重要的内容.由于管片接头或整环管片试验资料过少,很难得到普遍性的接头刚度规律.目前工程中大多根据经验将接头刚度确定为某一常数.针对上述问题,文章通过对广州地铁三号线无传力衬垫的盾构隧道管片接头进行了接触问题的非连续弹塑性有限元分析,得出了接缝转角与弯矩的关系曲线.这种关系曲线接近双直线形状,因此可以简化为双直线关系来确定接头刚度.计算的结果反映出管片接头转角与管片内力之间的非线性关系的规律,为管片设计中的关键参数选择提供了依据,具有较大的实用和参考价值.     

盾构隧道地震响应及减震措施研究

文章提出了一种能够有效模拟盾构隧道衬砌管片动力行为的有限元计算模型,即用旋转弹簧模拟管片横向接头,而将多个管片环对应的剖面用剪切弹簧单元连接,从而模拟环间接头的多层平面应变分析模型。同时以显式形式将多次透射边界条件引入动力分析控制方程,以模拟无限域的影响。随后利用该方法对武汉长江隧道工程盾构段典型横断面进行了隧道地震响应分析,研究了不同的结构及接头参数对结构受力与变形的影响规律以及地基加固的减振效果。分析还表明,对盾构隧道周围的土体采取适当方法进行地基加固处理,能有效降低结构的内力和变形,减振效果显著。     

粘土地层大断面异形盾构隧道结构力学特征数值试验研究

文章基于修正惯用法和壳-弹簧模型两种计算方法,研究了原型试验条件下错缝拼装的异形盾构管片随覆土厚度增加的力学行为特征。研究结果表明,异形管片结构整体变形呈"横鸭蛋"形;环向接头存在使结构内力呈非对称分布,纵向接头的剪切作用和幅宽边缘对其加强作用使幅宽边缘内力普遍大于幅宽中央;基于平面应变状态的修正惯用法夸大了错缝拼装对管片纵向的加强作用,计算结果要大于考虑三维空间问题的壳-弹簧模型,说明修正惯用法作为异形管片的设计方法是偏于安全的;建议异形盾构管片横向刚度有效率范围为0.72~0.87,正弯矩区弯矩传递系数范围为0.245~0.256,负弯矩区弯矩传递系数范围为0.166~0.197。     

海相地层地铁盾构隧道钢筋钢纤维混凝土管片可靠度研究

地铁盾构隧道管片材料的选取决定了管片性能与结构的整体安全度与可靠度,钢纤维混凝土材料在抗裂、抗震、抗疲劳、抗冲击等方面具有比普通混凝土更好的力学特性。为此,文章针对深圳地区海相地层地铁盾构隧道管片衬砌,基于可靠度理论,在混凝土材料中加入钢纤维,优化配合比设计,并通过系列试验开展了钢筋钢纤维混凝土管片可靠度研究。结果表明:(1)在盾构隧道不出现大变形的前提下,以少配筋加钢纤维混凝土管片为最佳选择方案;(2)在配筋率相同时,少筋加钢纤维混凝土管片比原配筋混凝土管片具有更高的可靠度,且受钢纤维的掺量、品种、形状和长径比等因素综合影响;(3)钢筋钢纤维混凝土管片能极大提高盾构隧道管片衬砌结构的可靠度指标,满足海相地层地铁隧道结构耐久性的安全标准。     

输水盾构隧洞复合衬砌结构设计计算研究

软土有压输水盾构隧洞采用管片外衬和整筑预应力内衬作复合式衬砌的设计计算中,为能较好考虑内衬与外衬管片的相互作用,以及内衬预应力荷载在隧洞施工和运营各阶段对复合衬砌结构受力的影响,本文提出了一种新的实体叠合计算模型。由于确定管片纵缝接头抗弯刚度的复杂性,文中建议对用数值模拟管片纵缝接头刚度采用了一种非线性耦合弹簧＂接触对＂的模拟系统。在采用实体单元建模的条件下,由于计入管片接头刚度的力学处理困难,文中研究了一种能以模拟管片接头刚度的简化计算方法。根据内、外衬砌接触界面处理方式的不同,文中提出了5种适合不同界面条件内、外层衬砌的相互作用模型。此外,本文还研制了内衬预应力荷载的一种转化程序,以解决采用等效荷载法施加预应力时的前处理问题。上述各点创意构思已在南水北调中线一期穿黄隧洞的结构设计研究中得到了具体反映和成功应用。     

隧道管片修复试验研究及施工技术

针对运营隧道破损管片在隧道特殊环境的修复难题,开发出一种适应隧道内施工时间短、顶部施工难度大等特点的结构修复胶。通过对材料凝结时间、压缩强度、与混凝土粘结强度、耐久性等一系列的试验研究,提出盾构法隧道破损管片修复工法,并进行了工程应用。试验结果显示,隧道修复材料初凝时间短,抗下坠性能好,早期强度高,与管片粘结性能满足隧道特殊施工要求,特别适合运营期隧道顶部管片修复施工的特殊要求,应用前景良好。     

大断面跨海盾构隧道结构设计与参数分析

为获得精细、合理化的大断面盾构隧道结构设计方法,文章依托某大断面跨海隧道工程,对其结构选型和结构参数进行了分析。从管片拼装方式与分块、管片连接方式、管片材料等方面,分析了管片结构的选型方法;从计算模型的选取、计算工况与荷载的确定、参数的选取、计算结果等方面,分析讨论了管片横断面和隧道纵向结构的数值模拟计算方法及其适用性。结果表明:采用梁-弹簧模型、均质圆环模型计算管片横断面时所得的内力分布并不相同,在实际设计中应以前者计算结果为主,后者进行复核;在地基变化剧烈处,盾构隧道易出现较大的纵向弯矩和管片环间剪力,可通过采用设置变形缝、硬岩破碎等方式予以处理。