盾构注浆荷载作用下带榫管片水平轴线偏移量计算方法研究

为探明隧道盾构注浆荷载作用引起带榫管片水平轴线偏移规律，以小曲率半径盾构隧道为例，分析壁后注浆引起管片上浮的诱因，考虑管片环“椭圆化”变形、纵向连接螺栓预应力、环缝影响范围和横向刚度等综合因素的影响，建立榫杆连接条件下带榫环缝的管片单元纵向等效抗弯刚度有效率计算式，并通过计算盾构注浆荷载作用下带榫管片的静态和动态上浮力，构建盾构注浆荷载作用下带榫管片上浮力计算表达式，由此分析小曲率半径隧道盾构注浆荷载作用下带榫管片受力情况及其在文克尔弹性地基梁假定条件下受上浮力作用的挠曲变形规律，建立盾构注浆荷载作用下带榫管片水平轴线偏移量计算方法，并依托实际工程加以验证。结果表明：该文理论值与模拟值和监测值均拟合良好，该文计算方法具有良好的工程适用性，可为盾构隧道工程及其类似工程中注浆荷载作用下管片偏移及错台问题提供有效的理论指导。     

盾构隧道管片衬砌内力分析的壳-弹簧-接触模型及其应用

考虑开挖后的洞周应力释放效应,采用有限元方法,使用厚壳、剪切弹簧、转动弹簧、压缩弹簧、接触及空间实体多种单元分析盾构隧道管片衬砌的三维内力状态,提出了地层-结构模式下的壳-弹簧-接触计算模型。该模型较好地考虑了管片间接缝处的挤压作用、管片接头刚度的影响、管片与围岩的共同变形以及封顶块的近似插入角,因此能有效地模拟盾构隧道管片衬砌的复杂受力状态。     

大断面盾构隧道管片接头抗弯力学模型研究

针对大断面盾构隧道复杂接缝面管片接头特点,考虑其接缝面细部构造、混凝土及传力衬垫的非线性力学特性、接缝面荷载传递特性以及接头螺栓预紧作用等因素的影响,建立了能够表征管片接缝面混凝土开裂与压碎、螺栓屈服以及接头破坏的管片接头抗弯力学模型,并结合管片接头抗弯足尺试验对大断面盾构隧道管片接头的抗弯性能进行对比分析。研究结果表明:弯矩较小时接缝面最大张开量增长较缓慢,当弯矩超过一定量值后,接缝面最大张开量显著增长;接缝张开高度超过螺栓位置而使螺栓受拉后,张开高度随弯矩增长幅度逐渐减小并趋于稳定值;负弯时接缝面的张开时机及螺栓的受力时机晚于正弯;轴力越大,接缝面的张开时机越晚,同等大小弯矩条件下张开高度的越小;管片接头抗弯刚度随弯矩增长总体呈非线性减小特点,轴力对于抗弯刚度的保持有益,轴力越大接缝面的抗弯能力越持久。研究结果可为大断面盾构隧道管片接头的设计提供指导与参考。     

盾构隧道衬砌结构应力与变形的三维数值模拟与模型试验研究

结合广州地铁三号线盾构隧道工程实例,提出钢筋混凝土衬砌结构三维非线性有限元计算模型,应用非线性有限元程序ANSYS分析了上部和周围土体荷载作用下衬砌的应力场与变形情况。结构计算模型采用三维实体单元,考虑了衬砌与周围土体的共同作用、土体和钢筋混凝土材料的非线性性质,通过模型刚度折减考虑了管片接头的不连续性对衬砌应力和变形性质的影响。为验证数值分析结果,进行了衬砌结构的相似模型试验。给出了衬砌结构的应力场、应变场、结构整体位移以及裂纹的分布图。     

盾构隧道衬砌整环力学机理模型

目前未见有普遍适用的理论公式来表征盾构隧道衬砌结构参数的内在联系。该文首先提出了用“代表性区段”体现整环结构弯曲刚度特征的思想,然后建立了通缝和错缝条件下管片环拼装力学机理模型,接着运用力学模型推导出弯曲刚度有效率和弯矩提高率等参数的取值公式和相互关系式,最后验证了公式的正确性。研究表明:力学模型能够推导出弯曲刚度有效率、管片体弯矩提高率、管片接头弯矩减少率、衬砌结构参数之间的关系公式;管片接头弯矩减小率未必等于管片体弯矩提高率,表明传统采用单一弯矩提高率值的做法不够科学;匀质圆环法还能给出环间接头径向最大剪力取值,并且其结果较为可靠;参数取值公式中有两个重要的中间参数,与环向相对刚度和径向相对刚度具有相似性,应予重视。参数取值理论公式的提出,对揭示盾构隧道整环拼装内在力学本质有着重要价值。     

纵向力作用下的盾构隧道管片结构纵向弯曲变形性能研究EI北大核心CSCD

为探明盾构隧道在纵向力作用下的纵向弯曲变形性能,以武汉两湖隧道工程(东湖段)为背景开展了管片结构纵向模型试验,对隧道的竖向位移与纵向应变进行了研究,探明了纵向力对盾构隧道纵向弯曲变形性能的影响。研究结果表明:纵向力能够提高隧道的纵向抗弯刚度,其对纵向抗弯刚度的提升作用随竖向荷载的增加呈先增大后减小的趋势。以竖向荷载分别为3200 kN、9600 kN、16000 kN为例,当隧道从无纵向力作用到竖纵荷载比K分别为0.56、1.67、2.78时,隧道的最大竖向位移分别减少了45.5%、56.8%、62.7%,而竖向荷载为22400 kN、K为3.89时仅减小了23.5%。管片结构纵向刚度有效率随竖向荷载的增加而减小,根据减小的程度可分为3个阶段:第一阶段为刚度弱化阶段;第二阶段为刚度稳定阶段;第三阶段恢复至刚度弱化阶段。纵向刚度有效率同时受竖向荷载与纵向力共同的影响,且当竖向荷载一定时,竖纵荷载比越小,隧道的纵向刚度有效率越大,当竖向荷载为22400 kN、竖纵荷载比K从35减小至3.89时,隧道的纵向刚度有效率减小了16.2%。以跨中横截面为例,隧道横截面的中性轴在竖向荷载的作用下会随着隧道的变形而上移,增加纵向力能使中性轴下移并趋近于拱腰位置。该文试验所得纵向刚度有效率在无纵向力时与现有模型试验结果相近,在考虑纵向力后大于现有研究结果,纵向刚度有效率应考虑残余纵向力的影响,建议取值为0.218~0.696。     

盾构隧道环间接头弯曲状态非线性研究

为探明盾构隧道环间接头抗弯性能在纵向弯矩、轴力组合作用下的状态非线性规律,将环间接头力学行为划分为7种变形模式及3种受力状态,分别推导了环间接头转角-纵向弯矩-纵向轴力三者关系的解析表达式与环间接头在不同弯曲状态间转变时的临界内力表达式,并以三维有限元计算对本文提出的解析公式进行验证。研究结果表明:盾构隧道特有的“管片环+接头”非连续结构形式导致环间接头弯曲行为具有状态非线性特征,不同弯矩、轴力组合作用下,盾构隧道环间接头变形模式于不同状态间转变并伴随抗弯刚度突变;纯弯作用下环间接头抗弯刚度为定值,轴向压力可使接头抗弯刚度较纯弯时提高数倍乃至无穷大;拉弯作用下接头抗弯性能维持在两个固定水平值之间,接缝面被完全拉开时环间接头抗弯刚度会随之被削弱数倍。     

基于分布式光纤监测的盾构隧道管片变形受力反演分析

为研究盾构隧道变形受力分布情况,依托于某盾构隧道进行了分布式光纤监测。在盾构隧道管片预制期间,将分布式光纤沿环向布设于管片内部钢筋笼的上、下表面。分别在管片安装后及变形稳定后进行了分布式光纤监测,得到管片内部真实应变分布。基于所得连续的应变数据,利用已经提出的反演分析方法计算出了监测期间管片的位移、内力及外荷载分布。反演计算结果表明,隧道监测期间盾构隧道的变形模式为向左的斜椭圆与整体环向压缩的耦合变形。由内力分布可知,在管片接头处内力的波动明显,这是由于管片接头处刚度变化导致的。为反映这种波动,管片设计中更宜采用梁-弹簧模型。给出了管片结构的破坏包络图,将反演分析所得内力值标注其中,并选取危险截面进行了结构安全校核,计算结果证明隧道管片受力安全。     

剪切波作用下盾构隧道地震效应的拟静力分析方法研究

针对均质土层中圆形盾构隧道在水平剪切波作用下的地震响应分析问题,在获得隧道周边自由场剪切应力的基础上,利用弹性中心法和空洞复变函数,给出了深埋盾构隧道在土层结构界面滑移和不滑移情况下的解析分析公式;并建立相同条件的等效刚度数值分析模型和考虑接头效应的有接头分析模型进行对比。研究表明:等效刚度拟静力法与等效刚度数值法所获得的剪切地震波作用附加弯矩、附加轴力分布形态及其最大值发生位置都具有良好的一致性;在三种方法获得的附加弯矩和附加轴力当中,等效刚度拟静力法最大,等效刚度数值法次之,有接头数值法最小;土层结构界面滑移相对不滑移而言,附加轴力偏小、附加弯矩偏大;等效刚度拟静力法结果偏于安全,公式简便,考虑界面滑移时更加接近实际,故可推荐考虑滑移条件的等效刚度拟静力法作为深埋圆形盾构隧道的抗震设计方法,并与常时荷载静力分析结果叠加后进行配筋设计。     

考虑剪切效应三维纤维梁单元的几何非线性增量有限元分析

该文以三维连续介质力学和虚功原理为基础,推导了增量U.L.有限元列式,该列式保留了大位移刚度矩阵项,并对该刚度矩阵进行修正使其成为对称矩阵。根据增量U.L.列式,推导了三维纤维梁单元的刚度矩阵。该单元采用平截面假定,以轴向节点位移表示截面上任意一点的位移,并结合Timoshenko梁理论来考虑剪切效应。以上原理编制分析程序,通过几个算例分析,证明了该方法的精确性、通用性。     

基于接头抗弯刚度非线性的壳-弹簧-接触-地层模型的建立

管片接头抗弯刚度与接头处所受弯矩和轴力相关,具有明显的非线性特性,导致隧道整体力学机理变得复杂。通过计算发现,接头抗弯刚度对结构内力有较大影响。因此,建立壳-弹簧-接触-地层模型,其中接头抗弯刚度根据接头处的受力情况调整,反复迭代计算得到衬砌的真实受力状态,简称迭代模型。通过大比例尺室内试验对模型计算结果进行了验证,然后采用该模型对狮子洋隧道复合地层中衬砌受力进行了计算分析,并与接头抗弯刚度恒定模型（简称恒定模型）进行了对比研究。结果表明:相对于恒定模型,迭代模型的刚度取值与模型实验更为接近,因此得到的结果也更为可靠;对于复合地层而言,恒定模型与迭代模型所得结果差别较大,且该差异随着软弱层厚度与隧道直径比值的增大呈增加趋势;当盾构隧道结构所处岩层较均匀时,全环各个位置处接头刚度值差别不大,此时若输入适当的接头刚度值,恒定模型也可以得到较为准确的计算结果。     

基坑上跨开挖诱发既有盾构隧道隆起变形研究EI北大核心CSCD

基坑上跨开挖将会引起既有盾构隧道隆起变形,危及既有盾构隧道的服役性能。目前基坑开挖引起的盾构隧道隆起变形的解析方法,通常将盾构隧道简化为埋置于弹性地基上的连续长梁,忽略了环间接头影响。针对前人研究的不足,提出带环间接头的盾构隧道计算模型,通过非线性Pasternak地基模型来考虑地基土变形的非线性特征,通过两阶段分析法,推导得到基坑上跨开挖作用下盾构隧道隆起位移和张开量简化解答。通过MINDLIN解计算基坑开挖引起的作用于盾构隧道上的附加荷载;建立基坑卸载下盾构隧道的隆起变形微分方程。利用有限差分法求解出基坑开挖引起的邻近盾构隧道隆起变形和内力分布。收集了三个工程实测数据,并将所提方法和实测数据、既有理论方法进行对比,验证所提方法的适用性。     

轴向变速运动弯曲梁的固有频率分析

基于动力刚度矩阵法对轴向变速运动弯曲梁的固有频率进行分析,根据Hamilton原理,推导轴向变速运动弯曲梁的时域控制方程和边界条件,通过傅里叶变换得到频域控制方程和边界条件,求解频域控制方程,并结合位移边界条件和载荷边界条件,建立轴向变速运动弯曲梁的动力刚度矩阵模型;引入Hermite形式的形函数,建立了轴向变速运动弯曲梁的有限元模型。算例中,通过对比现有文献中的结果、有限元模型结果和动力刚度矩阵法模型结果,验证了该文所建立的力学模型,动力刚度矩阵法比有限元法具有更高的精度和效率,分析了轴向变速运动弯曲梁固有频率随着弯曲梁轴向运动速度、加速度、轴向受力、边界条件的变化规律。     

三维锚杆单元理论及其应用

本文建立了一种考虑锚芯与灌浆间剪切破坏作用的三维锚杆计算模型．在这种模型中，假设锚芯的轴向位移沿锚杆方向成线性分布；沿径线方向位移为常数；假设灌浆的轴向位移沿锚杆方向成线性分布、沿径线方向则取空间轴对称问题的解析解．错芯中的轴向应力、灌浆中的切向剪应力以及由于侧向位移引起的横向剪应力是锚杆中的主要应力。锚芯与灌浆间的剪切破坏通过计算残余力来模拟，在数值计算时采用Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ迭代法。作为实际应用的例子，该模型被用于分析岩体拉拔试验和路堤加固，并与解析解和无锚杆作用的弹性分析进行了对比．计算结果显示了模型的可靠性和实用性．     

基于全寿命劣化分析的海底盾构隧道管片安全保障对策研究

管片接头是海底盾构隧道衬砌结构的薄弱环节,在海水的高压力与腐蚀环境的持续耦合作用下,其劣化性能严重影响整个海底盾构隧道衬砌结构的安全。本文在分析既有管片接头侵蚀劣化研究成果的基础上,引入隧道服役时间因素,建立可实现海水压力渗透与氯离子侵蚀的管片接头全寿命侵蚀劣化分析模型,分析了全寿命周期(100年)内海底隧道管片接头的渐进式侵蚀劣化规律,重点研究了海水压力与氯离子浓度对管片接头侵蚀劣化及钢筋锈蚀的影响,并基于全寿命周期内的侵蚀劣化分析,提出保障海底盾构隧道管片衬砌结构长期安全的最经济、最合理的对策。     

一种提高管片隧道衬砌结构抗内爆炸性能的工程措施研究

地铁等城市隧道是恐怖爆炸袭击的主要目标之一。盾构管片隧道由不同类型的预制混凝土管片通过接头处的紧固螺栓拼装而成的。由于接头的存在,与整体式衬砌结构相比,其整体刚度和承载水平比较弱,变形和破坏机理与整体式衬砌结构不同。考虑内爆炸的恐怖袭击条件,目前关于管片隧道衬砌结构抗内爆炸的研究成果很少。从分析全尺寸管片内爆炸试验结果入手,分析了内爆炸荷载作用下管片衬砌结构变形和破坏规律,梳理出控制衬砌结构破坏的关键因素和关键位置,提出一种在接头螺栓处添加柔性垫圈来降低与螺栓接触区域管片的破坏程度的方法,以期达到优化衬砌结构抗内爆炸性能的目的。最后采用数值模拟方法,对所提出了抗爆减爆工程措施进行了分析研究。结果表明,该方法可以有效减小管环在接头处的局部破坏,提高管片衬砌的抗内爆炸性能。     

用扩展有限元方法模拟混凝土的复合型开裂过程

用扩展有限元法对混凝土梁复合型开裂过程进行了数值模拟。裂纹面间的力学行为采用粘聚裂纹模型来描述,通过引入切向保留刚度考虑剪力分量的影响。开裂方向的计算采用了一种简化的最大切向应力准则。对Arrea和Ingraffea的混凝土梁复合开裂实验进行了数值模拟。计算给出了裂纹萌生、扩展的过程及破坏形态,并获得了与实验结果对比良好的荷载-裂纹开口滑移曲线。结果表明,扩展有限元法通过附加特定的位移模式,使裂纹两侧不连位移场的表达独立于网格划分,是一种能够模拟准脆性材料复合开裂问题的有效方法。     

荷载裂缝几何形态对管片外排钢筋锈层分布的影响

针对盾构隧道管片在服役期间出现外弧面开裂及外排钢筋锈蚀的问题,利用扩展有限元方法（XFEM）分析了不同荷载作用下拱腰处管片外弧面裂缝的几何形态,并结合达西定律建立了考虑管片裂缝几何特征的水分传输计算模型,在此基础上研究了荷载裂缝对管片外排钢筋锈层分布的影响。研究表明:在外部荷载作用下,拱腰处管片外弧面的裂缝形态近似为等腰三角形,且同等荷载作用下管片边部的裂缝最深;管片外排钢筋的纵向锈层形态类似“人”字形曲线,裂角越大,钢筋的纵向锈蚀范围越宽;管片钢筋在圆周方向的锈层形态类似椭圆形曲线,其不均匀锈蚀系数主要受裂缝深度的影响,裂缝深度每增加20 mm,不均匀锈蚀系数将增大3%~6%。     

盾构管片UHPC加固技术及力学性能分析

针对盾构隧道运行期管片破损问题,提出了利用具有优异的力学性能和耐久性能的超高性能混凝土（UHPC）材料加固管片的方法。建立了UHPC加固通缝拼装管片的三维非线性有限元模型,讨论了加固前后管片力学特性和变形行为,揭示了UHPC加固的承载机理和破坏模式。在此基础上,探讨了不同厚度、配筋率的UHPC加固层对加固效果的影响。研究表明,UHPC加固盾构隧道不仅能有效控制管片变形,提高结构承载力,并且在满足抗裂性能的条件下,顶底相对位移继续发展的容许值可以达到厘米级。该文研究将为隧道管片加固提供新思路。     

薄壁箱梁剪力滞剪切变形双重效应分析的矩阵方法

本文在得到薄壁箱梁同时考虑剪力滞及剪切变形影响微分方程初参数解的基础上,进一步推导出单元刚度矩阵和等效结点荷载,从而使薄壁箱梁势力滞、剪切变形效应分析方法方便地纳入广泛应用的矩阵位移法程序系统,为连续梁等复杂结构的剪力滞及剪切变形效应分析提供了强有力的计算手段。