隧道纵向剪切传递效应及其一维解析

基于弹性地基梁理论,对隧道在纵向不均匀沉降作用下纵向和横向断面的内力及其相互联系进行了剖析,并首次提出了隧道纵向剪切传递效应的概念及其初等解析方法。通过分析4种典型纵向沉降模式下隧道纵向剪切传递及其对横向内力的影响,得出了隧道纵向变形剪切传递是隧道纵向不均匀沉降导致隧道横断面产生附加弯曲内力的内在力学机理这一重要结论。这将为隧道设计考虑纵向变形作用影响,从而将纵向与横向设计统一起来提供了理论依据,为完善现行隧道设计方法提供了重要参考。同时,纵向剪切传递这一概念可以递延到一般长条形地下结构,具有更为普遍的意义。     

软土隧道纵向剪切传递效应的三维数值模拟分析

采用三维空间模型对软弱地层中隧道衬砌结构进行数值模拟分析计算，针对隧道施工及使用阶段可能遇到的荷载及变形作用两类典型受荷状态，对比分析了这两种作用、不同作用方式下，隧道纵向剪切传递规律及其对纵横向内力的影响。找到了隧道纵向小均匀变形引起的纵向剪切传递的机理以及变形不同区段的隧道横向变形受力特征，证实了纵向剪切传递是导致隧道横向内力变化的关键因素，得到了纵向剪切传递对隧道横向结构及接头变形的抑制作用以及与隧道横断而最大附加内力的线性相关性、与隧道原始内力正负叠加效应等重要结沦，对隧道横向设计中考虑纵向变形的影响具有重要参考价值。     

盾构隧道纵向沉降模式及其结构响应

软弱地基的不均匀沉降导致隧道结构产生附加结构变形与次生内力,根据大量工程实测资料,总结了包含盾构隧道施工与长期使用阶段在内的隧道地基沉降的4种典型模式．然后基于弹性地基理论,分别推导并给出了这四种地基沉降模式下隧道结构的纵向变形及结构内力解析表达式,探讨了不同地基变形模式下隧道结构的响应规律,这为隧道的纵向设计及考虑纵向剪切传递影响的横向设计研究奠定了基础。     

盾构隧道纵向沉降模式及其结构响应

软弱地基的不均匀沉降导致隧道结构产生附加结构变形与次生内力,根据大量工程实测资料,总结了包含盾构隧道施工与长期使用阶段在内的隧道地基沉降的4种典型模式,然后基于弹性地基理论,分别推导并给出了这四种地基沉降模式下隧道结构的纵向变形及结构内力解析表达式,探讨了不同地基变形模式下隧道结构的响应规律,这为隧道的纵向设计及考虑纵向剪切传递影响的横向设计研究奠定了基础。     

行波效应下曲线隧道动力响应解析解

隧道曲率变化段是制约隧道结构抗震安全性的关键控制区段,但目前隧道抗震设计仅以横断面剪切变形为主,未考虑隧道沿纵向的曲率半径变化,缺乏针对曲线隧道的纵向抗震简化分析方法.将曲线隧道沿纵向简化为作用在黏弹性地基上的变曲率有限长均质Euler-Bernoulli梁,基于Hamilton原理及黏弹性地基梁理论建立了结构的微分动...     

收敛变形对地铁盾构隧道纵向等效抗弯刚度的影响研究

基于场试验监测数据,对等效连续化模型进行了修正,考虑了隧道收敛变形对结构纵向变形的影响,并将该计算方法与现有计算理论方法进行了对比。弯曲状态下,环缝位置不考虑剪切作用时,随着隧道收敛变形的增加,拱底环缝张开量最大值、管片拉压应力和螺栓拉应力均略有减小。结构纵向变形曲率半径越小,隧道收敛变形对其影响越显著。在大曲率半径隧道结构纵向变形状态下,隧道收敛变形对结构纵向变形的影响可以忽略;不考虑轴向拉伸导致结构纵向变形条件下,结构弯曲导致的拱底环缝张开量较小。     

弹性地基板的非线性分析

本文以路面工程为应用背景,针对弹性地基上承受横向载荷的板体进行了非线性有限元分析,采用考虑横向剪切变形的中厚板非协调单元模式,改进了数值性能,避免由于局部小面积受载时,剪切变形较大带来的误差,同时将地基刚度矩阵引入失衡力迭代格式中,保证解的收敛性.文中给出了载荷位于板中、板边、板角时的板体变形情况和破坏状况以及极限承载能力,并与塑性铰线理论、弹性薄板理论进行了比较和分析.     

多高层钢框架结构截面最佳剪切和弯曲刚度分布确定及验证

以多高层钢框架结构在地震作用下的层间剪切变形角和弯曲变形角变化率为目标,探讨多高层钢框架结构截面最佳剪切和弯曲刚度分布。将建筑结构简化为竖向悬臂杆,地震作用简化为倒三角形分布荷载。设定悬臂杆沿高度方向层间剪切变形角和弯曲变形角变化率处处相等,反算出悬臂杆截面剪切和弯曲刚度分布,并定义为截面优化剪切和弯曲刚度分布。建立6层钢框架结构算例模型试算,依据截面优化刚度分布公式确定各层的剪切刚度和弯曲刚度;进行弹性时程分析,计算各层的剪切变形角和弯曲变形角变化率;并对刚度进行修正,修正后的截面刚度分布定义为截面最佳刚度分布,验证截面最佳刚度分布理论的合理性。     

马蹄形隧道40°斜穿地裂缝的变形破坏机制试验研究

 从西安地铁隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计马蹄形隧道衬砌结构40°斜穿地裂缝的物理模型试验。结构模型混凝土应变、纵向和环向钢筋应变、结构外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形以及宏观变形破坏现象表明：整体式马蹄形隧道衬砌结构40°斜穿地裂缝时其破坏模式为扭转、弯曲、剪切变形破坏,变形破坏不对称;衬砌混凝土环向裂缝主要分布在上盘区0.83D(D = 1.8 m)、下盘区1.11D;纵向裂缝主要分布在上盘区1.11D、下盘区(1.94～2.22)D;下盘结构变形破坏范围和程度要高于上盘。马蹄形隧道结构在40°斜穿地裂缝时,宜采用分段方式来应对扭转、弯曲、剪切变形,应加强结构抗扭设计,扩大断面或提高混凝土强度等级来应对剪切变形。     

多层建筑沉降变形限值的层合梁模型分析与试验研究

对于多层砌体结构和填充墙框架结构,假定混凝土梁提供弯曲刚度、砖砌体和混凝土柱提供剪切刚度,并对Finno的研究成果进行改进,提出用层合梁模型分析多层建筑沉降变形限值的方法。以层合梁模型分析为基础,综合考虑了混凝土梁对墙段弯曲刚度的影响、砖墙开洞和混凝土柱对墙段剪切刚度的影响,以及混凝土梁和砖墙开裂对墙段刚度的影响,提出多层建筑物弯曲刚度、剪切刚度以及弯剪刚度比的弹性和非弹性计算方法。为验证层合梁分析模型,对3个悬臂深梁试件进行了单调加载试验,模拟受邻近基坑施工影响下的多层砌体结构和填充墙框架结构的沉降变形,重点研究了弯剪刚度比的非线性发展规律及其在非弹性阶段的取值。层合梁模型分析与试验结果均表明:混凝土梁大幅度提高了多层结构的弹性弯曲刚度,但弯曲刚度衰减很快;墙体开洞降低了剪切刚度;一般截面的混凝土柱对提高弹性剪切刚度的作用不大,但随着砌体剪切刚度的降低,混凝土柱的作用越来越大,非弹性阶段带混凝土柱的多层建筑物的右端角变形限值大于不带混凝土柱的建筑。通过比较弯剪刚度比和右端角变形限值的发展规律及数值表明,层合梁模型分析结果与试验结果吻合良好。     

Analysis of shearing effect on tunnel induced by load transfer along longitudinal direction

In order to analyze the behavior of load transfer mechanism of shield-constructed tunnel in longitudinal direction, tunnel is modeled as the cylindrical shell within elastic foundation (CSEF). By applying the theory of elastic cylindrical shell (ECS) with considering shear deformation and assumed displacement functions of trigonometric series, the distribution of stress and deformation in tunnel lining is obtained. In the solution, the stiffness of tunnel lining is decomposed into two components of circumferential and radial stiffness. The effects of both components on the behavior of deformation and internal forces of tunnel lining are discussed in details. By using the proposed solution, more reasonable results on the behavior of tunnel lining are obtained, e.g bending moment in tunnel cross section becomes smaller with the increase of the circumferential shear stiffness. The analytical results are verified by the results of 3D FEM analysis and field measured data. In accordance with the proposed analytical method, the tunnel lining in soft ground should be designed via considering the following aspects: (i) three dimensional effect of tunnel lining; (ii) relatively weaker shear stiffness in radial direction, and (iii) increase the circumferential shear resistance between rings.     

SH波作用下山岭隧道洞口段结构动力响应研究

 基于弹性波动理论,将山岭隧道洞口段简化为单面边坡模型,考虑波在洞口边坡的反射效应,推导垂直入射SH波作用下隧道轴线上的位移场分布,并将隧道简化为三维薄壁壳结构,以得到在该位移场作用下隧道结构的动力响应。针对上述分析结果开展山岭隧道洞口段振动台模型试验,以验证理论模型的合理性,并综合分析得到如下结论：将隧道结构动力响应看作横截面与纵向响应的叠加,隧道结构横截面发生剪切变形,两侧拱肩与拱脚为抗震的薄弱环节,变形效应沿轴向缓慢增加,此响应为平行隧道结构横截面传播的SH波作用所致;隧道结构纵向发生水平剪切变形,变形效应沿隧道轴向逐渐减弱,洞口处产生较大刚性位移,在施工缝存在的情况下,隧道结构在洞口附近易沿施工缝产生错台现象,此响应为沿轴向传播的SH波所致。此规律表明,隧道结构的纵向抗震设计同样值得关注。     

Longitudinal structural modelling of shield tunnels considering shearing dislocation between segmental rings

Shield tunnels in soft deposits are often subjected to differential settlement and longitudinal structural deformation during long-term operation. Since the shear stiffness in circumferential joints between rings is relatively low, shearing induced dislocation between segmental rings becomes a significant aspect of longitudinal deformation of tunnels. The longitudinal deformation mode comprises both rigid rotation of segmental rings (bending mode) and dislocation between rings (dislocation mode). The existing modelling method is usually based on Euler–Bernoulli beam theory, which only considers the bending effect and ignores the shearing deformation. This paper proposes a new longitudinal structural model to consider the shearing dislocation between rings. In the proposed model, the tunnel is simplified as a homogenous Timoshenko beam, and an equivalent shear stiffness is proposed to consider the influence of joints. Since Timoshenko beam theory considers both flexural deformation and shear deformation of the beam, it can describe the actual deformation mode of a tunnel reasonably. The proposed model is compared with the traditional Euler–Bernoulli beam model based on a field measured longitudinal deformation of a Shanghai metro tunnel. The results indicate that the traditional Euler–Bernoulli model overestimates the longitudinal internal forces of a tunnel. The proposed model based on Timoshenko beam theory predicts a smaller joint opening and a greater dislocation between rings than the Euler–Bernoulli beam model.     

基于薄壁圆柱壳理论的盾构隧道抗震拟静力分析法

为简化盾构隧道抗震分析,在获得深埋盾构隧道周边自由场剪应变和剪应力的基础上,基于弹性薄壁圆柱壳理论,给出了求解深埋盾构隧道水平地震剪切波作用下的附加内力计算公式,并与同等条件等效刚度数值分析方法结果进行了对比。研究表明：滑移和不滑移条件下的拟静力计算结果与相应的数值分析结果具有良好的一致性,说明基于弹性薄壁圆柱壳理论获得的盾构隧道拟静力公式具有良好的合理性。研究还表明：水平地震剪切波作用下,可滑移条件下的附加弯矩和附加剪力分别大于不滑移条件下的附加弯矩和附加剪力,可滑移条件下的附加轴力小于不滑移条件下的附加轴力;附加弯矩和附加轴力呈现反对称分布特性,其最大值通常分布在45°和225°雷达对称轴或135°和315°雷达对称轴上,附加剪力最大值一般分布在0°和180°雷达对称轴上。研究结论对盾构隧道工程抗震设计具有一定的参考价值。     

类矩形盾构隧道纵向抗弯刚度分析

类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度是分析其纵向受力变形的重要参数。基于等效连续化模型的基本原理,建立类矩形盾构隧道纵向等效连续化模型,推导得到类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度解析解。通过参数分析,研究螺栓、管片宽度、厚度和截面形状等参数对类矩形盾构隧道纵向抗弯刚度有效率的影响。研究表明,由于类矩形盾构隧道截面的特殊性,在建立等效抗弯刚度模型时,需分别对中性轴在隧道腰部和拱底两种不同的情况进行讨论;增加螺栓数量和加大管片宽度可提高类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度有效率,中性轴位置随着上移,环缝受拉张开区域减小;增加管片厚度可增加隧道绝对等效抗弯刚度,但是等效抗弯刚度有效率下降,中性轴位置下移;中性轴位置随着宽高比增大而快速下移,当中性轴位置角度与小圆弧圆心角相等时,中心轴下移曲线发生转折;当宽高比为1时,所得解析解退化为圆形盾构隧道等效抗弯刚度解。     

Strength and stiffness requirements for intermediate ring stiffeners on discretely supported cylindrical shells

Silos in the form of a cylindrical metal shell are often supported on a ring beam which rests on discrete column supports. This support condition produces a circumferential non-uniformity in the axial membrane stresses in the silo shell. One way of reducing the non-uniformity of these stresses is to use a very stiff ring beam which partially or fully redistributes the stresses from the local support into uniform stresses in the shell. A better alternative is to use a combination of a flexible ring beam and an intermediate ring stiffener. Recent research by the authors has identified the ideal location of the intermediate ring stiffener to provide circumferentially uniform axial membrane stresses above the stiffener. To be fully effective, this intermediate ring should locally prevent both radial and circumferential displacements in the shell. This paper explores the strength and stiffness requirements for this intermediate ring stiffener. Pursuant to this goal, the cylindrical shell below the intermediate ring stiffener is analysed using the membrane theory of shells and the reactions produced by the stiffener on the shell are identified. These reactions are then applied to the intermediate ring stiffener. Vlasov's curved beam theory is used to derive closed form expressions for the variation of the stress resultants around the circumference to obtain a strength design criterion for the stiffener. A stiffness criterion is then developed by considering the ratio of the circumferential stiffness of the cylindrical shell to that of the intermediate ring stiffener. The circumferential displacements of the ring and the shell are found for the loading condition previously obtained to determine the required strength. A simple algebraic expression is developed for this intermediate ring stiffness criterion. These analytical studies are then compared with complementary finite element analyses that are used to identify a suitable value for the intermediate ring stiffness ratio for practical design.     

远场剪切波作用下深埋矩形隧洞地震响应解析解

 既有理论针对土体与结构相互作用的地震响应研究一直集中在圆形隧洞截面,而就矩形隧洞的分析往往会增加动力计算的复杂性。基于拟静力法,采用复变函数理论和保角变换方法,推导获得远场剪切波作用下深埋矩形隧洞的地震响应解析解。该复变函数解答考虑了土体与隧洞间相互作用的剪应力和法向正应力,并针对保角转化函数引入修正系数,提高了在复平面转化时矩形隧洞截面表示函数的计算精度。结合数值模型验证解析方法的正确性,并对矩形隧洞归一化位移比和土体应力场变化进行参数分析。研究表明,通过引入修正系数,使得解析解精度得到一定提高,与数值模拟解答更为接近。矩形隧洞归一化位移比值随着隧洞衬砌与土体的相对刚度比值增大而减小,而随着截面尺寸比率的增大而增大。在矩形隧洞截面尺寸的比率和相对刚度比值一定的情况下,矩形隧洞的归一化位移比随着土体泊松比的减小而增大。当截面尺寸比率为1时(正方形隧洞),土体泊松比的变化对于隧洞归一化位移比值影响较小。矩形隧洞周围土体应力随着土体泊松比的增大而增大,随着土体弹性模量的增大而减小,而随着衬砌剪切模量的增大而减小。     

考虑腹板剪切变形及滑移的波形钢腹板梁理论模型

在采用栓钉等柔性剪力连接件的波形钢腹板组合梁中,由于波形钢腹板较大的剪切变形及双界面剪切滑移,平截面假定不再适用。为此,通过将波形钢腹板梁的弯曲分解为顶底板整体满足平截面假定的主弯曲和顶底板各自满足平截面假定的次弯曲,引入波形钢腹板的剪切变形协调条件和界面剪切滑移关系,推导了考虑波形钢腹板剪切变形及界面滑移的波形钢腹板梁弹性弯曲微分方程,利用给出的横隔板对次弯曲和滑移的约束边界条件,求得了简支波形钢腹板梁在不同荷载作用下的解析解,并采用有限元分析予以验证。在此基础上,分析了横隔板及滑移对梁体弯曲性能的影响。结果表明：横隔板约束对梁体变形影响很小,但会使其附近梁段顶底板出现应力集中;当界面剪切刚度系数大于0.9时,在高跨比1/20~1/10范围内,考虑滑移与不考虑滑移梁跨中挠度比小于1.05;界面剪切刚度系数越小,横隔板附近梁段顶底板应力集中越严重。     

基于ANSYS的不同截面形式带暗柱短肢剪力墙非线性分析

以五组钢筋用量和混凝土用量相同但截面形式不同的带暗柱钢筋混凝土短肢剪力墙结构非线性分析为研究背景,利用ANSYS分别对带暗柱的十字型、T型、L型、]型和Z型五种不同截面形式的钢筋混凝土短肢剪力墙进行单调荷载作用下的非线性分析,研究了不同截面形式的带暗柱短肢剪力墙的承载力、变形能力、刚度、延性、耗能等。分析结果表明,在钢筋用量和混凝土用量相同的情况下,不同截面形式的短肢剪力墙的性能不相同,其中]型和Z型的承载能力相对最好,十字型的延性和变形能力相对最强。在结构设计中,应根据实际需要选取合适截面形式的短肢剪力墙,使结构刚柔适中,经济合理。