盾构隧道原型管片接头抗弯性能试验

盾构隧道原型管片弧形接头试验在研究管片接头抗弯性能、尤其是破坏的发展过程时更接近实际,但由于加载力系复杂,试验难度较大。文章依托某输气盾构隧道工程,开展了原型管片弧形接头抗弯试验,首先进行弧形管片接头受力分析,考虑了弧形接头接缝变形对其内力的影响,确定了弧形管片接头抗弯试验的等轴力加载方法并推导了荷载计算公式。分析了接缝面应变、螺栓应力、张开量、张开高度以及抗弯刚度随接头内力的变化规律,讨论了弧形管片接头破坏的发生发展与接头变形的关系。结果表明,弧形管片接头接缝面轴力和弯矩的相对大小、螺栓受力状态对接头抗弯性能影响较大,轴力抑制接缝张开,对接头的抗弯能力有保持作用;弯矩使得接头发生张开变形,接头抗弯刚度随其增大而减小。压弯条件下,随着弯矩的增大,接缝变形呈近似线性发展;当接头张开至螺栓附近时,螺栓受力明显增大,此时接缝变形受到一定的限制;随着弯矩进一步增长,弯矩对于接缝张开变形的控制强于轴力和螺栓对于接缝面变形的控制,接缝变形基本由弯矩控制。故随着弯矩的增长,接缝变形呈非线性变化。接头破坏过程与接缝变形的关系可分为稳定变化阶段和失稳阶段,两者的破坏特征区别明显。前者表现为出现首条裂缝和螺栓屈服,后者表现为裂缝的持续发展以及接缝面混凝土压溃。对于弧形接头,两阶段分界点为弯矩与破坏弯矩比值达到0.75~0.85,或管片直径变化率为0.35%~0.45%;对于直接头,分界点一般出现在破坏弯矩比值达到0.35~0.45,故弧形接头和直接头的抗弯性能存在明显差异。轴压比为0.0902时,弧形接头压弯破坏属于延性破坏,破坏前裂缝的发展可以分为数量增长和宽度长度扩展两个阶段。当观察到大量宽度大于0.5mm的裂缝时,弯矩与破坏弯矩比值已达到0.95~0.97。研究结果可为盾构隧道管片接头的设计和类似试验提供重要参考。     

盾构隧道管片接头破坏特征及损伤特性试验研究

破坏特征和损伤特性是管片接头失效分析和承载性能研究的重要内容,对于确保其受力安全具有重要意义。文章开展了正负弯矩下管片接头抗弯破坏试验,对接头混凝土裂纹和压溃、螺栓受力和变形及接头位移等宏观破坏特征进行了总结,采用声发射技术对接头混凝土损伤演化过程和分布范围等细观损伤特性进行定量分析。研究结果表明：高轴压下管片接头破坏特征为4条主裂纹、微裂纹和缝面压溃区,随后受压区混凝土压溃;螺栓变形模式以弯曲为主,负弯矩下螺栓形变更加明显;接头破坏过程中声发射计数和能量存在显著峰值,该峰值出现时刻对应破坏现象为接缝面微裂纹向可见裂纹发展,说明此时接头承载状态发生了显著变化;接头损伤垂直于接缝面的分布范围为缝面两侧各0.855h(正弯,h为接头厚度)和0.584h(负弯),沿幅宽方向的分布范围为螺栓两侧各0.2b(b为单颗螺栓所占管片幅宽,即管片幅宽除以接头处螺栓颗数)。     

盾构隧道错缝拼装管片衬砌局部原型结构破坏试验

为探明盾构隧道管片衬砌的局部破坏特性,定量评价结构的安全状态,选取考虑前后环错缝拼装组合的原型管片结构局部构件进行加载试验研究。详述结构裂缝的发展、主应力的分布、螺栓的受力与管片内力、变形以及接缝张开、错台的关系,揭示结构的破坏机理,并采用数值计算对试验结果进行验证。研究结果表明：结构初始裂缝出现在中间环内弧面靠近相邻环接缝处,并发展成为最终破坏的主裂缝。在恒定截面轴压比、增大偏心距的加载方式下,结构中部为压弯破坏,两侧为压剪破坏。试件接缝并未发生破坏,张开量较小,错台量较大,手孔附近应力集中较为严重。错缝构件的破坏机理可归纳为：结构刚度较大的区域首先开裂,导致整体刚度重分布,之后刚度较大的区域继续开裂,如此循环,直至结构变形过大发生破坏。可将裂缝宽度、接缝错台量与控制截面竖向位移作为结构安全的评价指标。     

工字形钢梁-矩形钢管柱单向螺栓节点抗弯承载力理论计算方法

针对工字形纯钢梁和钢-混凝土组合梁分别与矩形钢管柱和矩形钢管混凝土柱采用单向螺栓(也称单边拧紧螺栓)连接形成的4种节点形式,对其在弯矩作用下的受力机理及破坏模式进行分析,讨论导致节点失效的因素。总结节点在弯矩作用下的9种失效模式,包括：单向螺栓拉断、端板受弯屈服、矩形钢管柱壁翼板受拉屈服、矩形钢管柱壁翼板受压屈服、矩形钢管柱壁腹板受压屈曲、混凝土楼板局部压溃、钢筋屈服、矩形钢管柱内混凝土局部压溃、矩形钢管柱壁腹板受压屈服,进而基于破坏模式给出节点各组件承载力的计算公式。对4种节点在不同破坏模式下的正弯矩承载力和负弯矩承载力进行分析,给出节点承载力计算公式。将节点抗弯承载力的理论计算结果与试验结果进行对比,验证理论计算方法的可靠性。     

通缝拼装盾构隧道结构极限承载力的足尺试验研究

针对轨道交通通缝拼装的盾构隧道结构的承载性能,进行结构的足尺静载试验。具体介绍试验方案和加载方案的设计,提供结构变形、管片裂缝、接缝变形和连接螺栓受力的发展情况以及破坏过程等试验结果;对结构的承载性能和破坏机理进行分析。足尺试验研究表明:试验结构的破坏由不同部位接缝混凝土先后受压破坏形成,属梁铰机制;管片接缝是隧道极限承载力的关键断面;周边卸载工况下结构的承载力安全系数比顶部超载工况小,对盾构隧道结构的承载更为不利。     

高轴压作用下盾构隧道复杂接缝面管片接头抗弯试验

在采用盾构法应对大埋深、高水压等特殊环境时,具有凹凸榫、双侧止水构造的复杂接缝面接头大量运用,在该情况下其抗弯性能较为复杂。文章结合广深港高速铁路狮子洋隧道工程,针对高轴压作用下复杂接缝面管片接头的抗弯性能、破坏特征开展了足尺试验研究,试验结果表明,高压作用下管片接头抗弯刚度在初始段小弯矩作用下增长近似线性,后段呈明显非线性,而且轴力水平越大线性段保持越长;由于负弯曲时管片内侧接触传力区混凝土参与受压,增加了接缝面的抗弯能力,使负弯荷载下抗弯刚度比正弯荷载下抗弯刚度略大。接缝面张开情况随弯矩呈“台阶状”变化,在接缝面线性张开时轴力的增长对于接缝面张开的约束作用不明显,而非线性增长阶段轴力对与张开量的约束明显;止水材料对于接头抗弯刚度的影响很小,在进行管片接头抗弯刚度的设计与计算分析时可忽略不计;正弯荷载与负弯荷载作用时管片接头的破坏过程不同,正弯荷载作用下接头螺栓先于接头破坏,负弯荷载作用下接头破坏时螺栓未破坏。研究结果可为盾构法隧道的设计、施工和相关研究提供重要参考。     

盾构隧道纵向接头局部足尺试验研究

沿盾构隧道纵向,管片环与管片环之间的接头称之为纵向接头。纵向接头是变形的薄弱部位,在变形过程中受到相邻管片的约束,其受力特点与管片接头不同。文章首先采用数值模拟方法,研究纵向接头局部试验的可行性,然后开展纵向接头局部足尺试验,研究接头的受力变形特征,所得结论如下：对纵向接头进行分析时,对比整环模型及纵向等效刚度梁模型计算结果,两者接头张开量、螺栓应力相差在11%以内,管片结构塑性损伤区分布特征基本一致,故纵向等效刚度梁模型可作为纵向接头局部足尺试验的依据;纵向接头局部足尺试验时,纵向接头张开量的变化对轴力更加敏感,螺栓应变增长与环间力(轴力、弯矩)的增加基本保持一致。接缝转角在环间拉力下趋近于0,且追随环间弯矩的变化;各工况中构件表面混凝土最大拉应变出现在套筒侧管片外表面中部,最大压变出现在手孔侧管片的内表面。破坏试验中,纵向拉力3232kN时管片结构先于螺栓破坏,此时螺栓未达屈服强度。     

预制桥面板齿槽-U筋湿接缝受力机理分析

为改善装配式桥梁预制桥面系连接性能,提升施工效率,提出一种新型齿槽-U筋湿接缝构造。通过非线性有限元模型,从混凝土应变、结合面接触应力、U筋应力等方面分析了其受力机理,并对抗弯性能影响因素开展了参数化研究。结果表明：新型湿接缝弯曲破坏过程中,依次发生预制板齿槽根部混凝土开裂、结合面渐进损伤脱黏、U筋受拉屈服,最终因顶部混凝土压溃导致结构失效。模型存在明显的弹性段、弹塑性段和屈服段。所提出的湿接缝构造U筋传力可靠,极限荷载时已发生屈服。有齿槽模型开裂荷载较无齿槽模型提高30.1%。湿接缝模型抗弯承载力受U筋直径、桥面板厚度影响较大。湿接缝长度对裂后刚度与延性存在影响。     

壁式钢管混凝土柱抗震性能试验研究

通过3个截面高宽比为3.0的壁式钢管混凝土柱足尺试件在高轴压比下的低周反复加载试验和有限元分析,研究壁式钢管混凝土柱的破坏模式、滞回行为、承载能力、变形性能和能量耗散能力。结果表明：试件的破坏模式为压弯破坏,破坏区域钢板受压鼓曲、钢管纵向焊缝涨裂、混凝土压溃;试件滞回曲线稳定饱满,无明显捏拢现象;纵向隔板能够约束钢管壁板平面外变形,提高钢板局部屈曲强度;试件破坏时位移延性系数大于3.0,等效黏滞阻尼系数大于0.4,减小钢管壁板宽厚比可有效增加试件耗能能力。设计轴压比为0.54～0.69时,壁式钢管混凝土柱屈服位移角大于0.005rad,极限位移角大于0.02rad,具有良好的变形性能和耗能能力。建立的精细有限元模型可准确预测壁式钢管混凝土柱在恒定轴力和反复水平力下的滞回行为。有限元分析表明,轴压比对壁式钢管混凝土柱的极限位移影响显著,提高含钢率可有效增加其承载力和变形性能。     

隧道纵向变形对管片结构力学性能的影响

以通缝拼装有凹凸榫的地铁盾构隧道衬砌结构,常由于不均匀沉降等使得管片发生错位,导致管片或者螺栓发生破坏,影响地铁运营安全。基于管片错位模式在隧道纵向变形分析基础上建立三维有限元模型对管片及螺栓受力进行计算。结果表明:基于管片剪切模式时,管片错位达到0.03mm时主应力σ1超过3.0MPa,这将超过混凝土的抗拉强度;采用连接螺栓的张力应力模式时,当铰接处开口达到2.0mm,金属螺栓应力超过640MPa,这将达到螺栓的屈服强度。当开口达到6mm,即开口缝隙达到隧道防水控制标准,螺栓应力可达688.7MPa;尽管该值小于螺栓的破坏强度,但应从地铁隧道防水的角度进行控制以保证结构安全。     

复杂接缝面管片接头的力学性能数值分析

根据武汉长江隧道工程管片接头所具有的复杂接缝结构特点,采用三维非线性有限元方法,对管片混凝土和接头承压衬垫均采用非线性材料性质,对螺栓采用三维实体结构模拟并考虑了螺栓预紧力的作用,对榫头采用三维实体模拟并考虑了接触关系,完成了对管片接头力学特征的分析研究。分析表明,接头弯曲刚度随接头弯矩增大而明显减小,但当弯矩增至一定程度后,接头切线弯曲刚度反有轻微增大;随接头弯矩的增长,端面混凝土最大压应力也相应增大,但当接头弯矩增到一定程度后,接头端面混凝土最大压应力数值趋于稳定不变;随接头正弯矩增大,弯螺栓拉应力将有明显提高,而随接头负弯矩增大,弯螺栓拉应力将会有所衰减。研究结论可供类似盾构隧道工程参考。     

分离式拼缝混凝土叠合板受力性能研究

为研究采用马镫钢筋作为抗剪拉结钢筋的分离式拼缝混凝土叠合板的受力性能,通过3块简支板的静力加载试验,对其在不同马镫钢筋布置下的荷载-挠度曲线、承载能力、变形性能进行了研究,并分析了其裂缝成因、拼缝处受力机理,推导了其开裂荷载的计算式。结果表明:规范分离式拼缝叠合板的荷载-挠度曲线发展趋势为三折线形,其开裂荷载计算与普通叠合板计算有所区别; 试件拼缝处易产生沿着叠合面的撕裂破坏,其附加钢筋容易发生局部滑移或者锚固失效; 试件屈服荷载受附加钢筋的黏结滑移影响有一定的降低,其极限承载力取决于拼缝处现浇混凝土与预制板的拉结强度; 试件拼缝处裂缝数目与宽度和马镫钢筋有关,合理改变马镫钢筋布置能够有效减少裂缝数目及宽度; 试件屈服前变形呈现整体弯曲,屈服后变形主要集中在拼缝处,最终试件均出现了混凝土压碎现象,其破坏形态呈现二折线形; 根据相关规范,针对附加钢筋滑移问题可通过锚固弯钩、加长钢筋长度、抬高钢筋位置等措施进行改进。     

自复位装配式钢-混凝土混合框架节点抗震性能试验研究

结合装配式梁、柱构件螺栓连接施工便捷的特性与后张预应力筋预压连接的抗震性能优势,提出一种自复位装配式钢-混凝土混合结构框架节点,该节点由钢筋混凝土柱和钢-混凝土混合梁通过高强螺栓拼装而成,主要通过后张梁内的无黏结预应力筋提供复位力,并通过摩擦耗能装置与钢梁段塑性变形进行耗能。共完成了5个边节点的低周往复加载试验,分别研究了混合梁内预应力筋的初始预拉力与摩擦装置中高强螺栓的初始预紧力对该节点承载能力、抗震性能、耗能能力和复位能力的影响。研究结果表明：试件表现出明显的两阶段滞回特性,第一阶段为钢梁段屈服前,混凝土梁与钢梁段接触面呈现出持续开合复位机制,滞回曲线呈现明显双旗形,复位效果明显;第二阶段为钢梁段屈服后,随着荷载增大,钢梁的塑性变形逐渐增大,滞回曲线趋于饱满,试件耗能能力显著增加。试件的峰值荷载、延性系数和累积耗能值随摩擦装置中高强螺栓的初始扭矩增大而增大,峰值荷载和复位能力随梁内预应力筋的初始预拉力增大而增大。在整个试验过程中,各试件梁、柱主体构件损伤不明显,基本实现震后可恢复。     

土工格室碎石基层+刚性路面承载特性模型试验研究

为深入了解土工格室碎石基层上刚性路面的受力变形性能和破坏机理,在以往工作的基础上开展了进一步的模型试验,分别研究了该结构在静荷载作用下的荷载位移曲线和动荷载下的破坏模式,并且模拟了基层下土体被掏空时的工作情况,获得了大量的试验数据,试验结果表明该处治方法可大大提高路面整体的受力性能,加强路面板的协同工作能力,有效扩散上部荷载,从而可有效增大刚性路面板的破坏荷载,并且可以保证在 严重 板底脱空 情况 下的工作性能,将有效减少错台、唧泥等现象的发生。 土工格室的加入使得碎石基层具有了半刚性基层的作用与功能 ,为长寿命水泥路面结构优化研究提供了一条新的思路。     

管片衬砌配合陶粒可压缩层支护结构型式的模型试验研究

提出一种适用于深部地层TBM工法隧道的管片衬砌配合陶粒可压缩层的让压支护技术,结合台格庙矿区TBM施工的长距离斜井工程,采用模型试验方法,从管片衬砌弯矩、轴力、变形、破坏特征对比分析陶粒和碎石可压缩层的让压效果,从可压缩层的压缩变形路径和颗粒移动特征角度揭示各自的让压机制。研究结果表明：陶粒内部蜂窝状构造使其具备高压缩性,压缩率是碎石的10倍;陶粒可压缩层的让压效果要优于碎石可压缩层;不等压地应力条件下,碎石可压缩层会在一定程度上减小管片衬砌负弯区的抗力系数,导致负弯矩偏大,负弯区裂纹数量和宽度增加。陶粒和碎石的形状和内部构造差异导致两者让压效果和机制不同,最终导致管片衬砌的内力和变形、破坏特征差异。陶粒可压缩层让压机制由相互嵌挤、错动移位和挤压破碎作用三部分组成;碎石可压缩层的让压机制由前两部分组成;不等压地应力件下,由于陶粒的圆形形状特征,其向地应力较小侧自由移位和挤压作用发挥程度要高于菱角状外形的碎石,这一特征不仅增加了陶粒的让压效果还会在一定程度上增大了地应力较小侧的地层抗力系数,改善了管片衬砌受力特性。研究结果对未来TBM工法修建深部斜井的支护结构型式设计具有一定参考价值。     

北京大兴国际机场铝合金玻璃采光顶节点试验研究

以北京大兴国际机场铝合金板式节点为研究对象,通过试验和有限元分析,对压弯状态下板式节点的力学性能进行研究,得到以下3点结论。①节点约束肢I型杆件的腹板和上翼缘交界处发生撕裂破坏。这是由于该交界处为高应力区,发生局部屈服形成塑性铰,在竖向力作用下腹板发生弯曲进而导致出现撕裂破坏。②节点轴向和竖向荷载位移曲线均包含3个阶段,在弹性阶段节点具有较大的刚度,屈服阶段具有良好的变形和耗能性能。弯矩转角曲线包含2个阶段,弹性阶段节点具有较大的转动刚度。③螺栓直径R对节点极限承载力影响最大,连接板厚度T对节点转动刚度有最大的影响。基于主要参数对节点力学性能的影响,以提高材料利用率为目标对节点的结构参数进行优化。     

拉压耦合大变形锚杆作用机理及其试验研究

在高应力作用下,围岩发生大变形破坏的现象非常普遍,硬岩常常产生严重的岩爆灾害,软岩则会表现出挤压大变形问题,严重影响深部工程安全。在这种条件下采用的支护体系不仅要具有较高的承载力,而且要能够适应较大的围岩变形而本身不发生破坏。提出了一种拉压耦合大变形锚杆,并详细介绍了它与围岩之间的相互作用机理。新型锚杆通过改善锚固结构,优化锚杆受力状态,提高了锚固结构的极限承载力,使锚杆杆体的变形性能得到充分的发挥,避免了传统锚杆因杆体不均匀变形导致的破坏问题。因而,高应力大变形条件下新型锚杆的锚固性能更优,更有利于保持围岩稳定。室内实验研究证实,在同等条件下拉压耦合锚杆的极限承载力明显大于传统锚杆,并且具有良好的大变形特性。针对矿山深部开采中遇到的软岩大变形和硬岩岩爆等灾害,新型锚杆将实现更优的加固效应。     

钢筋混凝土框架变梁中节点受力性能分析

为了研究钢筋混凝土框架变梁中节点在地震荷载作用下的受力性能及变形特点,通过10个梁高不等的钢筋混凝土框架中节点试件在低周反复荷载作用下的试验,重点分析该类中节点试件的破坏特点和层间变形能力。研究结果表明:变梁中节点通裂荷载与极限荷载接近,外荷载作用下各试件均发生了核心区剪切破坏,该类节点抗震性能较差,不能满足刚性节点设计的要求。进一步的层间变形能力分析表明,变梁中节点可以较好地满足弹性阶段的变形要求,以通裂阶段作为极限状态控制设计时不能满足弹塑性阶段的变形要求,故在节点核心区抗震验算时建议核心区抗剪强度乘以一个小于1的安全储备系数以确保整体结构的安全。