梁单元模拟管片接头的盾构衬砌计算模型

目前考虑接头刚度的盾构非均质衬砌模型需要借助专业有限元软件计算,本文提出了用通用有限元软件来实现该功能的计算方法,即用普通梁单元模拟盾构衬砌管片接头。本文研究了实现该模型的关键问题,即建立起管片接头刚度、环间接头刚度与梁单元的几何参数、物理参数之间的关系。理论推导与数值计算表明:在模拟管片之间的接头时,Timoshenko梁能同时模拟接头的转动刚度、轴向刚度和剪切刚度,而Euler-Bernoulli梁只能模拟接头的转动刚度和轴向刚度;在模拟管片环之间的接头时,Timoshenko梁与Euler-Bernoulli梁均可以实现环间接头刚度的模拟,采用后者时求解梁单元截面参数比前者更简便。该模型能实现专业盾构隧道计算软件的主要功能,从而为盾构衬砌计算提供了一种简单、实用的方法。     

盾构衬砌管片的壳–弹簧设计模型研究

围绕盾构衬砌管片的设计模型问题,提出了一种新的壳–弹簧设计模型,详细论述了模型的建立过程。运用壳–弹簧模型与梁–弹簧模型分别对衬砌管片通缝和错缝拼装进行对比分析,比较分析了衬砌管片错缝拼装下两种模型计算结果的异同,对盾构管片的设计具有一定的指导作用。     

盾构管片接头非线性转动刚度研究

以一类采用斜直螺栓、不设传力衬垫构造形式的盾构管片接头作为研究对象,对接头非线性转动刚度变化特征以及主要影响因素进行研究。研究表明:①在特定接头轴力作用下,当弯矩超过张开临界弯矩后,接头转动刚度随着弯矩迅速衰减,接头相对柔度值仅与相对荷载(弯矩)有关,而与接头抗压刚度、截面尺寸、材料特性等无关;②高荷载水平下,接头的非线性转动特征与其有效高度的变化密切相关;③在管片接头尺寸和材料特性一定时,接头的张开临界弯矩、屈服临界弯矩以及极限弯矩等三个指标均受管片接头实际承受的轴力控制。在一定范围内,管片轴力增大,可以提高接头的极限承载力。     

盾构衬砌管片接头内力-变形统一模型及试验分析

首先在钢筋混凝土管片系列接头试验的基础上,总结提出了接头弯矩-相对转角关系的线性、双线性和非线性模型,以及接头轴力-相对轴向变形和剪力-相对剪切变形关系的分段式模型,并给出了用于描述荷载偏心距和螺栓初始扭矩对于接头刚度影响的理论模型。其次,基于平板型和弧型管片接头的受弯试验结果,分别给出了在有无防水密封垫情况下各类转动刚度模型参数的取值方法,提出了不同条件下的转动刚度模型选择依据,研究了不同螺栓初始扭矩和轴力对接头转动刚度取值的影响;基于平板型管片接头剪切试验结果,分别给出了在有无防水密封垫情况下三阶段剪切刚度模型的参数取值方法。研究结果验证了各接头刚度模型的有效性,将对盾构衬砌结构梁-接头模型计算理论的应用起到重要的推动作用。     

不同地层中隧洞管片衬砌结构计算分析

以上公山隧洞为例,分别选取了断层破碎带、挤压性地层及Ⅲ类围岩等三种较为典型的地段,并选取相应的三个断面进行管片结构内力及变形计算.计算采用考虑管片间接头效应的梁-弹簧模型,对于隧洞管片衬砌在错缝拼装方式下,分别对三种地层在结构内力、衬砌变形等方面的区别进行了分析,为管片的参数设计提供一定的参考.此外,将计算结果与引大入秦30A和38#隧洞的管片衬砌结构计算结果相比较,得出了一些有价值的结论.     

盾构隧道通用装配式管片衬砌结构计算分析

采用梁 -非线性弹簧模型 ,对盾构隧道通用装配式管片衬砌在基本拼装方案下各典型计算点进行最大截面内力及变形计算 ,确定管片设计控制荷载点 ;并在通用管片衬砌环布置时可能出现通缝及错缝拼装情况下进行多种方案组合计算 ,进而确定控制管片设计的拼装组合 ,并发现不同拼装组合条件下截面内力及变形的变化趋势     

圆形装配式衬砌结构力学模型研究

从圆形衬砌接头受力试验结果出发 ,得到接头刚度的非线性模式 ,从而提出装配式衬砌整环计算的梁 非线性弹簧力学模型。模型用组合弹簧模拟接头 ,梁模拟管片 ,推导了梁和接头单元的刚度矩阵 ,编制了圆形装配式衬砌专用程序 ,并用接头受力试验数据对模型的正确性进行了验证。应用梁 非线性弹簧模型对穿越黄河隧道一次衬砌结构的受力进行了分析。最后还对若干因素对衬砌内力的影响进行了数值模拟计算 ,所得结果与实际经验是吻合的     

盾构法隧道管片衬砌纵缝接头受力模型的研究

本文在研究已有接头模型的基础上，引入了相应简化假设，推导出了盾构法隧道管片平面型接头力学模型，利用该模型不仅能够得到表征接头抗弯性能的M-θ曲线、接头转角及张开量等，而且还能确定接头面处接触受压区的受力状态，这使得能够从接头受力张开以及接头面混凝土接触受压两个方面更加可靠和全面地判断接头是否处于安全状态。此外，文中还建立三维有限元模型对接头进行了弹性分析，通过对所推导模型与三维有限元模型分析结果的对比分析，发现两者之间吻合较好；这表明在弹性阶段，文中提出的模型能较好反映纵缝接头的受力状态。     

盾构隧道衬砌管片接头张合状态力学模型及数值模拟

盾构隧道衬砌管片接头处的力学性能极为复杂,采用局部刚度折减法并结合接头张合状态的力学模型进行盾构管片力学性能的数值模拟分析,研究衬砌管片及接头纵向连接螺栓的受力及变形特性。研究结果表明：管片局部刚度折减后整体管片的竖向位移及大变形范围均增大,管片水平位移变化量小,刚度折减区的水平位移略微减少,但影响整体管片内力分布均匀性;基于管片接头力学模型及变形协调原理,管片接头纵向连接螺栓的变形及其变化规律与整体管片的基本相同,但变形量相对较小,且螺栓水平方向变形减少量高于竖直方向的;管片接头纵向连接螺栓轴力基本为压力,承受压力的螺栓占全部螺栓的94.4%以上,弯矩及剪力值较小,其中弯矩沿隧道上下对称分布,剪力沿隧道左右两侧对称分布。本研究可为深入分析管片及接头的力学性能提供参考与借鉴。     

盾构法隧道管片衬砌纵缝接头受力模型的研究

本文在研究已有接头模型的基础上 ,引入了相应简化假设 ,推导出了盾构法隧道管片平面型接头力学模型 ,利用该模型不仅能够得到表征接头抗弯性能的M θ曲线、接头转角及张开量等 ,而且还能确定接头面处接触受压区的受力状态 ,这使得能够从接头受力张开以及接头面混凝土接触受压两个方面更加可靠和全面地判断接头是否处于安全状态。此外 ,文中还建立三维有限元模型对接头进行了弹性分析 ,通过对所推导模型与三维有限元模型分析结果的对比分析 ,发现两者之间吻合较好 ;这表明在弹性阶段 ,文中提出的模型能较好反映纵缝接头的受力状态。     

2D numerical investigation of segmental tunnel lining behavior

The application field of shield tunneling has extended in recent years. Most shield-driven tunnels are supported by segmental concrete linings. Although many well documented experimental, numerical and analytical results exist in literature concerning the functioning of segmental tunnel linings, their behavior under the influence of joints is still not clear.This paper presents a numerical study that has been performed to investigate the factors that affect segmental tunnel lining behavior. Analyses have been carried out using a two-dimensional finite difference element model. The longitudinal joint between segments in a ring has been simulated through double node connections, with six degrees of freedom, represented by six springs. The proposed model allows the effect of not only the rotational stiffness but also the radial stiffness and the axial stiffness of the longitudinal joints to be taken into consideration. The numerical results show a significant reduction in the bending moment induced in the tunnel lining as the joint number increases. The tunnel behavior in terms of the bending moment considering the effect of joint distribution, when the lateral earth pressure factor K₀ is equal to 0.5, 1.5 and 2, is almost similar and differs when K₀ is equal to unity. It has been seen that the influence of joint rotational stiffness, the reduction in joint rotation stiffness under the negative bending moment, the lateral earth pressure factor and Young’s modulus of ground surrounding the tunnel should not be neglected. On the other hand, the results have also shown an insignificant influence of the axial and radial stiffness of the joints on segmental tunnel lining behavior.     

圆形隧道装配式衬砌接头刚度模型研究

接头刚度Kθ是装配式衬砌结构设计的一个重要参数。目前 ,Kθ的取值尚无现成的公式或图表可循 ,一般是根据接头受力试验确定。本文通过试验建立了接头的力学模型 ,该模型将接头衬垫和连接螺栓抽象成弹簧 ,根据衬垫材料的压缩回弹曲线 ,建立了接头受力和变形的非线性方程式。为了避免应用中求解非线性方程组 ,本文推导了接头刚度的简化计算公式。应用所建立的模型可以求解接头转角、接缝张开量、螺栓拉力等参数 ,通过与接头受力试验实测数据对比 ,证明计算值和实测值是吻合的。文中还应用模型对各种因素对接头刚度的影响规律进行了模拟 ,所得结果是合理的。     

Simplified nonlinear simulation of shield tunnel lining reinforced by epoxy bonded steel plates

A high-efficiency simplified modeling approach based on fiber-beam elements and discrete elements is proposed for investigating the nonlinear response of shield tunnel reinforced concrete linings. The proposed approach focus on following main features: modeling simplicity and computational efficiency, the considerations of critical material and geometric nonlinearity associated with the entire loading process, including the stage of reinforcing the deformed concrete lining by steel plates. Comparison between the analysis results of the proposed numerical model and the experimental results from the full-scale structural test are presented to validate the developed model. The results show that the proposed model can capture the essential characteristics of the nonlinear load–deformation response of segmental tunnel lining. The modeling approach presents a balance between simplicity and accuracy, and serves as a viable alternative to detailed finite elements analysis.     

大断面盾构隧道结构横向刚度有效率的原型试验研究

通过对盾构隧道横向刚度有效率的影响因素进行分析,提出了针对大断面水下盾构隧道横向刚度有效率的原型试验求解方法,进而对南京长江隧道及广州珠江狮子洋隧道管片衬砌结构开展原型试验,得出两座隧道管片结构 和 随荷载条件变化的规律。结果表明,在同等荷载条件下,断面越大, 越小,对应 越大,错缝结构的 大于通缝结构。正弯区与负弯区的 不同,对于不同的管片结构型式, 与 的对应关系不同。同时,针对两座隧道不同结构形式给出了 , 的关系曲线,并提出了 10 m 级和 15 m 级水下盾构隧道通缝与错缝条件下 与 的建议值。     

盾构衬砌管片的设计模型与荷载分布的研究

本文围绕盾构衬砌管片的设计模型与压力荷载分布问题 ,首先概述了一种新的设计模型---梁 -接头不连续模型 ,在此基础上 ,利用管片内力的现场实测值 (如轴向力和弯矩 ) ,来反演确定作用在衬砌结构上的压力荷载的分布模式与大小 ,同时 ,运用反演分析技术对局部和全周地层弹簧作用模型进行了比较。     

盾构隧道衬砌结构的壳-接头模型研究

提出了一种新型的盾构隧道衬砌结构计算模型——壳-接头模型。该模型中采用壳单元模拟衬砌管片,管片和管片环之间通过接头联接单元相连。基于对盾构隧道衬砌结构接头力学特性的分析,建立了接头联接单元的刚度矩阵和计算流程,定义了弯曲、剪切和拉压刚度的计算方法,使之能准确模拟接头的力学行为。最后利用壳-接头模型模拟盾构隧道接头原型试验,计算结果与试验较为吻合,验证了壳-接头模型模拟盾构隧道衬砌结构力学行为的准确性和适用性。     

Development of a prestressed and precast concrete segmental lining

Prestressed & precast concrete segmental lining (P&PCSL) is used for shield tunnels. Its primary feature is that it integrates segments into one ring by introducing prestress in the tunnel circumferential and longitudinal directions. Introducing prestress enables the elimination of bolt joints and reduces the volume of reinforcement, thus reducing the manufacturing cost of precast concrete segments. It also enables quality improvement and labor saving in lining and provides greater adaptability for tunnels with large diameter, where deformation due to dead load is a problem. The P&PCSL has been implemented in three construction projects after undergoing various performance tests and workability verification tests.