基于有限元分析的TBM隧道管片计算模型

为研究以拼装管片作为长期受载体的全包防水隧道的设计计算方法,总结了现有的盾构管片计算模型,讨论对比了几种常用计算模型。分析了不同混凝土管片接头模型适应的地层条件,并通过建立二维和三维数值模型,对比分析了不同计算模型中混凝土盾构管片的内力水平。结果表明:(1)对于非均质地层中的盾构管片,弹性铰梁单位模型可以模拟管片接头的实际受力特性;(2)对于错缝拼装的TBM管片,可按修正惯用法,接头刚度折减系数取0.6～0.8;(3)接头刚度取值对管片弯矩的影响较大,而对轴力的影响较小。     

地基沉降引发输水盾构隧道复合结构受弯分析

结合混凝土、螺栓和钢管的弹塑性变形特性，基于纵向等效连续模型和平截面假定，建立衬砌管片、输水钢管及在衬砌管片与输水钢管之间填充混凝土的受弯分析模型.求解该模型，得到地基沉降作用下盾构隧道纵向接缝张开量、最大混凝土压应变及最大钢管拉应变等关键参数.将所建模型应用于杭州某输水盾构隧道工程，结果表明：地基沉降引起隧道受弯，隧道结构将产生7类临界状态，且先后顺序为螺栓达到屈服应力、环缝张开2 mm （螺栓和管片混凝土被侵蚀）、钢管达到屈服应力、环缝张开6 mm（钢管和填充混凝土被侵蚀）、管片混凝土开始受压屈服、填充混凝土开始受压屈服、螺栓达到破坏应力.当钢管紧贴衬砌管壁时，隧道结构处于最不利工况，容易导致钢管腐蚀和隧道脆性破坏.     

隐伏断层错动对盾构隧道影响的模型试验研究

为了探究隐伏断层错动下盾构隧道结构受力特点及地层破坏模式,基于盾构隧道纵向等效连续化模型,开展隐伏断层错动对盾构隧道影响的模型试验. 研究隧道结构纵向受力特征、环缝接头张开量与断层错动的关系,采用数值模拟手段验证模型试验结果的合理性. 试验及数值计算结果表明,隐伏断层错动下隧道结构纵向受力变化明显,断层错动对隧道结构纵向受力的影响范围小于60 m. 在断层顶部投影面附近的盾构管片环缝存在明显的张拉变形,在正断层错动下盾构环缝接头更容易产生张拉大变形. 正断层错动工况下的隧道结构纵向呈偏心受拉状态,逆断层错动工况下的隧道结构纵向呈偏心受压状态. 在正断层错动下地层发生明显的剪切变形,呈现倒三角形剪切变形扩展规律,地表产生横向贯穿裂缝,逆断层错动下的地层剪切变形相对较弱.     

钢-超高性能混凝土组合板横向受弯静力试验及有限元模拟

为了研究钢-超高性能混凝土（UHPC）组合板的受弯性能,开展8块该类组合板的受弯试验,分析正、负弯矩作用下的受弯破坏开展全过程.在正弯矩作用下,组合板受弯破坏经历了线弹性阶段、裂缝开展阶段和屈服阶段,结构刚度两次衰减的拐点分别是界面滑移与钢板屈服,结构破坏时加载点附近UHPC局部压碎且剪弯段及端部界面出现脱空现象;在负弯矩作用下,UHPC层出现横向裂缝导致结构刚度第一次下降,随着裂缝的发展,截面内力重分布使得钢筋应力持续增大直至屈服,最终主裂缝宽度过大导致结构刚度严重衰减,组合板因UHPC层受拉断裂而破坏.采用有限元软件ABAQUS,建立非线性有限元模型.模型中考虑界面接触、材料非线性、混凝土损伤塑性模型等,模拟试验全过程.在与试验结果进行对比分析的基础上,分析影响钢-UHPC组合板抗弯性能的主要因素,包括界面黏结方式、纵筋配筋率、栓钉数及布置,研究这些因素对组合板抗弯极限承载力、结构刚度、跨中挠度等力学性能的影响.     

盾构隧道衬砌变形中接头转动影响分析

为研究盾构隧道衬砌收敛变形中纵缝接头的影响,引入接头转动引起的收敛变形占衬砌总收敛变形的比值作为纵缝接头对衬砌变形影响的评价指标。基于接头初始装配角以及接头间的几何递推关系,提出一种用于计算盾构隧道纵缝接头转动产生收敛变形量的简易算法。首先,通过与多尺度混合分析结果对比验证所提出简易算法的有效性。然后,应用该方法对足尺管片试验结果以及三维精细化数值模拟结果中通/错缝拼装、接头位置、衬砌纵向力大小、重复加卸荷等因素对纵缝接头在隧道收敛变形影响的变化规律开展研究。结果表明：通缝拼装下,接头转动引起的收敛变形在管片总变形中占主导地位,而错缝拼装可以显著降低纵缝接头在衬砌收敛变形中的影响;接头越靠近弯矩最大处,接头转动对整体收敛变形的影响越大;纵向力的增加提高了管片的整体性,故接头转动引起的收敛变形占比随着纵向力的增加而减小;加荷后卸荷,由于管片自身弹性变形可恢复而接头转动无法恢复,卸荷阶段纵缝接头的影响增大。上述研究结果可为实际工程中的管片结构设计及隧道健康状态评价提供参考依据。     

内置钢箱-混凝土连续组合梁受力性能试验

为研究超静定内置钢箱-混凝土组合梁的塑性设计方法,进行了4根两跨内置钢箱-混凝土连续组合梁试验,获得了试验梁裂缝分布与开展、变形发展、破坏特征及塑性内力重分布等方面的试验结果.通过分析,给出了内置钢箱-混凝土连续组合梁等效塑性铰区长度计算公式,提出了以支座控制截面弯矩弹性计算值与组合梁正截面破坏时钢箱所承担弯矩之差为调幅对象、以相对塑性转角为自变量的弯矩调幅设计方法.     

考虑衬砌变形与接头特征的盾构隧道纵向刚度

针对盾构隧道纵向刚度计算未考虑衬砌差异变形、接头特征及错缝拼装增强效应,定义考虑错缝拼装作用的横向刚度有效率,提出衬砌差异变形系数与接头等效刚度修正系数.推导盾构隧道纵向等效刚度计算式并结合数值法开展算例分析,探讨纵向等效刚度对不同修正系数的敏感性.研究表明：衬砌结构承载时,水平变形较竖向变形小15%,假定两方向变形相同存在不足;利用实际接头和等效螺栓环计算管片环缝张开量相差17.6%,接头等效为螺栓环存在不容忽视的误差;衬砌错缝拼装使横向刚度提高了17.5%,对隧道纵向刚度影响显著;盾构隧道纵向刚度计算中,考虑衬砌差异变形、接头特征及横向刚度与否对应的等效刚度相差14.3%,对隧道纵向结构特性产生了明显的影响;隧道纵向刚度随着衬砌差异变形的增大近似线性减小,且随接头等效刚度修正值和横向刚度同向线性变化.     

CDP模型参数计算及取值方法验证

为了将混凝土结构设计规范中的混凝土应力-应变曲线应用到ABAQUS混凝土塑性损伤模型中,对混凝土塑性损伤模型参数计算方法及损伤因子的取值范围进行了研究,以1根简支梁受弯试验为例,对混凝土应力-应变曲线截断处及损伤因子的取值进行标定.为了验证所提模型参数计算方法及取值的合理性和准确性,选取了2根简支梁和1片剪力墙进行有限...     

盾构隧道管片施工期上浮特性

针对盾构隧道管片施工阶段的受力特点,建立包含管片与螺栓、盾构机作用、浆液和水土压力作用的管片施工期上浮三维分析模型.借助有限元软件ABAQUS进行求解,对管片施工期上浮变形规律及其引起的管片环接头变形、螺栓受力进行分析.结果表明：第1～5环管片环接头以错台变形为主,第6～12环管片环接头以张开变形为主;减小浆液初凝点与盾尾的距离对控制管片上浮最为有效;当千斤顶总推力较小时,可以通过增加千斤顶总推力进行上浮控制;增加螺栓预紧力对减小管片上浮量的作用比较有限.     

地面堆载下盾构隧道管片与环缝接头的性状分析

针对地面堆载对隧道管片与环缝接头影响的问题,提出地面堆载对下方隧道管片及环缝接头影响的三维数值分析模型和方法.该方法采用连续体有限元模型分析堆载引起的附加应力,并提取应力调整系数,将盾构隧道每环拼装结构等效为均质圆环、环与环之间采用螺栓连接,进行应力叠加三维荷载-结构分析.减少计算工作量,反映盾构隧道主要纵向特性.应用该方法对杭州地铁1号线隧道管片以及环缝接头在堆载作用下的响应进行分析,与现场监测结果进行对比.结果表明,数值模拟结果与现场结果有着较好的吻合,能够有效揭示隧道管片和环缝接头在堆载作用下的变形和破坏规律.     

预应力混凝土斜拉桥合龙段置换加固施工过程分析

预应力混凝土斜拉桥合龙段置换加固技术是为解决合龙段与相邻主梁节段之间的湿接缝失效问题而提出的。为分析这种加固技术的受力特点,介绍了这种加固技术的实现途径和施工要点,建立了典型的预应力混凝土斜拉桥的结构计算模型,系统地给出了施工阶段分析的方法,包括合龙段置换的结构基准计算模型的建立和合龙段置换施工过程的模拟,依据计算结果,分析了合龙段置换过程中桥面线形、索力以及塔顶偏位等结构状态参数的变化。研究表明,采用该方法能够反映斜拉桥结构状态的实际变化历程和现状检测结果,模拟计算结果与合龙段置换施工监测结果较为吻合,从而揭示了合龙段置换施工过程结构的变化特点,可为预应力混凝土斜拉桥合龙段置换加固的设计计算和施工控制提供依据。     

钢砼组合结构PBH剪力键的疲劳性能

为了研究钢箱-砼组合结构中PBH剪力键在反复荷载作用下的疲劳性能,设计制作了PBH剪力键试验模型,进行了24万次疲劳推出试验。在疲劳破坏形态和试验滑移及应变数据分析的基础上,利用数值工具开展肋板开孔孔径、穿入钢筋直径、混凝土强度3个参数的PBH剪力键疲劳寿命影响因素分析。研究表明：PBH剪力键的疲劳破坏形态与静载破坏相似,表观表现为混凝土面多处斜向劈裂裂缝、内部榫孔混凝土压碎、穿入钢筋局部屈服;疲劳破坏演化过程分为疲劳损伤开始、发展、破坏3个阶段,其中疲劳发展阶段占整个疲劳阶段的91.7%,结构刚度在疲劳损伤开始和发展阶段退化较慢,在疲劳破坏阶段退化较快;肋板开孔孔径、穿入钢筋直径、混凝土强度3个参数对PBH剪力键疲劳寿命影响均有明显影响,其中穿入钢筋直径对疲劳寿命的影响尤为突出。     

海底取水盾构隧道管片力学性状的数值研究

为了研究海底取水隧道管片在施工和运行过程中力学性状的不同,采用三维实体模型对国内首次采用八环错缝拼装的三门核电取水隧道标准段进行分析.模型中管片采用实体单元模拟,螺栓采用梁单元模拟,充分考虑各接缝间的接触作用.计算结果表明,与施工阶段相比,运行期整体直径变形增大了1.5倍,最大正弯矩增大了44.4%,环向螺栓受力增大了近11倍,各接缝张开量增大了近9倍.八环错缝拼装时,关键块位置的改变将在一定程度上影响各环的内力分布,运行期各环拱顶处正弯矩最大值是最小值的2.22倍.对于取水隧道而言,运行期充水工况是控制工况.     

不同连接形式的装配式混凝土梁柱节点受力性能试验研究

为研究不同连接形式的装配式混凝土梁柱节点受力性能,对1个现浇混凝土节点和2个装配式混凝土梁柱节点试件进行循环往复加载试验,分析节点的破坏特征、梁端弯矩—转角、节点核心区剪力—梁端转角、刚度退化、钢板的应变等。结果表明：方钢管连接的装配式混凝土节点呈梁端弯曲破坏,设置端板和水平连接板的装配式节点和现浇节点呈节点核心区剪切破坏。装配式节点的梁端弯矩和节点剪力显著提高,梁端转角显著增加,节点核心区剪切变形减小,刚度退化变缓,受力性能得到明显改善。在节点核心区设置方钢管和十字隔板作为钢骨架的节点受力性能最佳,远优于现浇节点。在节点核心区加入钢连接件,预制梁端设置预埋工字钢,现场采用焊接或者栓接装配,后浇连接区混凝土,这种连接形式能够有效传力,提升装配式节点的受力性能。     

新型钢——混凝土梁柱组合节点力学性能研究

建立三维有限元模型,分别对钢筋混凝土梁柱节点和新型钢管混凝土柱-钢骨混凝土梁节点的力学性能进行研究。钢骨采用格构式构造,即采用角钢代替梁中纵向钢筋,用钢量不会增加很多,用薄钢板代替箍筋,角钢可以和混凝土很好的协同工作,节点不采用传统的加强环式连接,而是将其直接穿过柱拉通。结果表明,新型节点可很好传递梁端弯矩和剪力,初始刚度大,且延性好,有很长的屈服平台,屈服后承载力下降不多,抗震性能优越。破坏时柱钢管应力较小,没有出现屈服,柱内核心混凝土大部分处于受压状态,应力较小。节点域和柱变形极小,说明该种节点整体性很好,刚度大。破坏时塑性角外移,避免了节点域的脆性破坏,符合强节点,弱杆件的抗震设计原则。     

盾构隧道管片接头在内爆炸作用下的动力反应

为了研究盾构隧道管片接头在内爆炸作用下的动力反应特点,基于显式动力分析软件LS-DYNA程序,以典型地铁区间盾构隧道为例,建立了考虑管片-管片、管片-螺栓及管片与周围土体界面接触效应的三维计算模型,研究了盾构隧道在内爆炸冲击荷载作用下的破坏机理,揭示了管片和连接螺栓的破坏特征。计算结果表明,提高连接螺栓强度和延性可改善盾构隧道的抗爆特性。     

球墨铸铁管道新型抗震接口力学性能试验及数值模拟

有效的管线接口抗震措施是优化城市供水管网抗震性能和震后功能恢复能力的关键。为此,基于机械自锚设计和自变形补偿等思想,提出一种球墨铸铁管道新型自锚式抗震接口。开展普通承插式接口和新型抗震接口的轴向拉伸拟静力试验及抗震接口精细化三维有限元数值模拟,研究新型管道接口的抗拉承载能力、初始抗拉刚度、抗变形能力和极限破坏状态等力学特性。结果表明:0.2 MPa以内的水压变幅对普通承插式接口的轴向力学性能和破坏方式的影响不大,接口初始漏水至功能失效状态的过渡变形约为2.5 mm;新型自锚式抗震接口具备良好的承载能力和抵抗大变形能力,其抗拉力学性能曲线分为3个阶段,即胶圈受力阶段、卡环受力阶段和卡环失效破坏,其中,在卡环变形量为9 mm左右时,达到峰值承载力330 kN左右。     

盾构机掘进工作面土压力计算方法比较分析

合理确定掘进工作面的土压力对于准确设定土压平衡盾构机密封舱的土压力以及有效控制隧道掘进过程中地表变形是十分重要的.基于弹性力学理论、土力学原理和迭加原理,分别建立了掘进工作面土压力三种计算模型.结合某工程实例,分析了三种计算方法的异同点.研究表明,基于弹性力学理论和土力学原理所得到的解基本相近;而采用土压力与水压力分开计算然后叠加方法所得到的解在极限条件下比前两种方法大50%.