基于塑性损伤的盾构隧道双层衬砌三维实体非连续接触模型研究

 在分析基于梁-弹在分析基于梁–弹簧模式和壳–弹簧模式盾构隧道双层衬砌数值模型的基础上,分别建立依据接合面接触状态不同划分的盾构隧道双层衬砌三维实体复合结构和叠合结构计算模型。该模型通过混凝土塑性损伤模型表征混凝土的非线性特性,考虑管片内置钢筋对结构力学性能的影响,采用已有模型模拟钢筋屈服、硬化和软化现象,建立三维螺栓实体代替弹簧单元模拟管片接头,真实反映盾构管片之间、管片与连接螺栓及管片与二次衬砌接合面的接触情况。以广深港狮子洋隧道双层衬砌为工程实例,建立2种计算模型进行研究,通过与依托同样工程背景下的相似模型试验管片和二次衬砌内力和位移结果进行对比分析,两者具有较好的一致性,验证了该模型模拟盾构隧道双层衬砌结构力学行为的准确性和适用性。研究结果表明：(1) 双层衬砌在受力过程中管片与二次衬砌在局部存在非协调变形,接合面发生分离现象,出现零压区。(2) 由于封顶块构造的原因,封顶块对应位置二次衬砌易出现应力集中现象,该位置轴力和弯矩变化不均匀,管片与二次衬砌接合面接触压应力较其他位置偏大。研究成果对盾构隧道双层衬砌的设计分析具有一定的参考价值。     

盾构隧道横向地震响应规律研究

盾构隧道衬砌是典型的装配式衬砌,各种类型接头的存在使得它与整体式衬砌的力学特性存在较大差异。将管片横向接头考虑为旋转弹簧、管片环间接头考虑为剪切弹簧的梁–弹簧模型能够真实地反映管片衬砌的力学行为,但该模型目前仅应用于静力及拟静力分析。将动力有限元方法和梁–弹簧结合起来,提出一种盾构隧道横断面地震响应分析的动力有限元计算模型和方法,这种方法能够有效地模拟地基与结构之间的动力相互作用,能够模拟不同管片接头形式及纵向拼装方式的影响,并且具有很高的计算精度和效率。随后利用该方法对武汉长江隧道工程盾构段典型横断面进行了隧道地震响应分析,研究了不同的结构及接头参数对结构受力与变形的影响规律以及地基加固的减振效果。分析结果表明,管片横向、纵向接头刚度以及管片厚度的改变对衬砌整体变形的大小影响较小,但对衬砌内力尤其是剪力和弯矩的影响显著,三者的增大都会增大结构的内力,而对盾构隧道周围的土体采取适当方法进行地基加固处理,能有效降低结构的内力和变形,减震效果显著。     

管片衬砌梁–弹簧广义模型及接头转动非线性模拟

梁–弹簧模型法在盾构管片衬砌设计计算中逐渐得到广泛应用,但现有的梁–弹簧模型无法模拟盾构衬砌管片接头的不连续变形及接头转动刚度的非线性特性。基于此,开展了梁–弹簧模型在衬砌设计中的适用性及非线性接头转动刚度在梁–弹簧模型中的应用研究。研究表明:根据对相邻管片在接头位置结点位移处理的不同,可将梁–弹簧模型分为梁–弹簧连续模型和梁–弹簧不连续模型,后者又称为梁–接头模型,可准确分析盾构管片衬砌的内力及变形。采用梁–弹簧不连续模型求解衬砌内力及变形时:对于线性接头转动刚度模型,可基于卡氏第二定理求解;对于多段线性模型,可基于卡氏第一定理或克–恩定理求解;对于非线性模型,可采用增量–迭代法数值求解。     

一种改进的盾构隧道双层衬砌计算模型及其工程应用

提出一种改进的盾构隧道双层衬砌计算模型,该模型可以反映接头抗弯刚度的非线性以及管片与二次衬砌接触面压剪弹簧失效机理。采用该模型对狮子洋隧道衬砌的力学行为进行了分析,结果表明:(1)管片结构最大正负弯矩随接头抗弯刚度增大而增大,而二次衬砌内力及管片结构最大轴力受接头抗弯刚度影响较小;(2)若不考虑管片与二次衬砌接触面的接触弹簧失效,将会使得计算结果量值偏大;(3)当盾构隧道所处岩层均匀时(t/D=0或1,t为结构范围内软弱层的厚度,D为隧道直径),全环各个位置处接头刚度值差别不大,当岩层不均匀时,接头抗弯刚度的取值差异分布显著;(4)径向弹簧、切向弹簧受力的最大值与平均值随着t/D的增加呈增大的趋势。     

盾构隧道双层衬砌结构三维力学分析模型及验证

在已有双层衬砌梁–弹簧模型的基础上,提出了改进的双层衬砌盾构隧道三维壳–弹簧力学分析模型。该模型采用压杆–弹簧组合方式模拟双层衬砌的结合面力学相互作用,并充分考虑了由盾构隧道管片接缝引起的结构刚度沿环、纵向分布不连续效应。依托武汉地铁8号线越江隧道工程进行建模计算分析,将计算得出的内力数据与现场实测的内力数据进行对比,两者具有一定的一致性,验证了该模型模拟双层衬砌盾构隧道结构三维力学行为的准确性和适用性。研究结果表明:(1)管片内力分布受到环缝和纵缝的影响呈现明显的不连续性,且由于地层岩性不均,管片上部与下部的弯矩亦有较大差异;(2)管片受力稳定后施作二衬,管片自身的内力量值变化较小,二衬主要受到自重作用,内力分布呈现"上小下大"分布规律,其量值与管片相比较小,在建设初期仅起到辅助承载作用。     

双圆盾构隧道衬砌不同内力计算模型对比分析

盾构隧道衬砌结构的内力大小及分布规律对衬砌管片的设计和施工控制具有重要的意义,尽管单圆盾构的内力计算模型已经比较成熟,但对于双圆盾构的内力计算仍有待进一步研究.文章拟对目前国内所采用的双圆盾构内力计算模型进行综合分析,并与所建议的双圆盾构梁-弹簧法比较分析表明:在相同边界条件下,双圆盾构衬砌结构的内力解析解获得的轴力和弯矩值一般偏大,数值解最小,而实测值介于二者之间,但不同方法计算结果所表现的分布规律基本一致,证明作者所提出的双圆盾构梁-弹簧模型可为双圆盾构衬砌结构的设计和施工提供参考依据.     

基于接头非线性抗弯刚度的盾构隧道迭代算法的实现与应用

盾构隧道接头环向抗弯刚度反映了接缝在一定的轴力水平下抵抗弯矩作用产生变形的能力,具有典型的非线性特征,设计中对刚度取值的偏差会导致结构变形和内力出现差异。通过将管片接头弯矩-轴力-转角的三维曲面参数编制汇总到数据库文件中,实现接头非线性力学效应向整环模型输入的迭代计算方法。采用接头刚度迭代算法与传统的(修正)惯用法、多铰圆环法、梁-弹簧模型的内力与变形结果进行比较。运用大比尺相似结构模型试验对不同外荷载作用下的计算成果进行验证。最后采用迭代算法对复合地层条件下的衬砌结构进行计算分析,并利用现场实测数据进行验证。研究结果表明:接头刚度影响着衬砌的整环抗弯刚度,对于受力均匀的衬砌结构而言,采用梁-弹簧模型的计算结果与迭代计算模型相差不大,满足工程设计要求;对于上下交叠的软硬程度差异极大的复合地层而言,衬砌结构内力相差较大,采用接头刚度迭代算法的计算结果与现场实测值吻合较好,证实了该算法的可行性和合理性。     

拼装方式对大断面越江电力盾构隧道 结构内力的影响

针对大断面电力盾构隧道穿越长江时管片拼装方式对隧道结构内力影响显著的问题,以苏通GIL综合管廊工程盾构隧道衬砌结构为研究对象,利用梁-弹簧模型模拟管片结构,采用荷载-结构模型计算管片结构荷载,对不同拼装方式下衬砌结构力学行为进行研究,分析了拼装方式对输电盾构隧道结构内力的影响效应。结果表明:错缝拼装控制管片结构内力,通缝拼装控制管片变形量; 通缝拼装的受力性能要优于错缝拼装,但通缝拼装的变形更大,在施工时要根据使用要求进行选择,同时管片结构力学行为在不同拼装方式下是不同的,与封顶块的位置、错缝角度、目标环的环向和纵向接头的位置有关; 拼装方式对管片最大变形量、最大正弯矩、最大负弯矩影响较大,对管片最大轴力影响较小; 在错缝拼装时,尽量避免错缝角度为180°,最理想的错缝角度在32.7°～81.8°之间; 所得结论可为输电盾构隧道管片拼装方式的选择提供借鉴和参考。     

北京地铁盾构隧道管片设计合理性探讨

介绍了管片衬砌内力计算理论——修正惯用法和梁-弹簧模型法，并分别用其计算北京盾构地铁隧道的两个工程实例，通过比较分析得出梁-弹簧模型更符合北京地铁隧道工程实际。最后，通过理论分析，推荐使用梁-弹簧模型法对北京地铁隧道管片进行设计优化，可减少其配筋量，为北京地铁工程创造更高的经济效益和社会效益。     

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     

一种改进的盾构隧道双层衬砌分析模型及其应用研究

 在分析现有3种双层衬砌数值模型的基础上,提出改进的双层衬砌盾构隧道衬砌梁–接头弹簧–结合面压杆弹簧组合分析模型。该模型采用压杆、结合面点位移耦合等技术,解决现有模型中地层与衬砌之间、双层衬砌结合面之间存在拉力以及结合面剪切应力与剪切位移无关等问题,提出适用于该模型的双层衬砌结合面和地层衬砌接触面参数计算依据,探讨结合面单元数量对分析结果的影响,研究杭长客运专线钱塘江隧道双层衬砌的力学行为。研究结果表明：(1) 双层衬砌厚度增大将引起双层衬砌弯矩明显增大,其增大趋势与双层衬砌厚度增大趋势基本一致;(2) 双层衬砌厚度的增大对轴力的影响甚微;(3) 双层衬砌弯矩在管片衬砌和二次衬砌之间的分配比例与管片衬砌和二次衬砌的厚度相对比例无线性关系。研究结果对未来水下双层衬砌盾构隧道的设计分析具有一定的参考价值。     

错缝拼装下管片宽度对盾构隧道力学行为的影响

采用可以考虑管片接头力学性能的壳-弹簧计算模型,对错缝拼装下具有不同管片宽度厚度的盾构隧道的力学性能进行了模拟分析。根据管片接头的受力平衡条件与变形,推导了管片接头转动弹簧刚度与轴向弹簧刚度的关系。基于环向接头的无量纲转动弹簧系数对计算模型的参数进行了统一,从而使各个数值分析模型的结果具有可比性。对壳-弹簧模型的计算结果与传统梁－弹簧模型的结果进行了对比分析,分析结果表明随着管片宽度的增加,二者解析结果的差呈现出递增趋势。依据壳-弹簧模型的计算结果,将弯矩在管片方向上进行精细化分析,研究表明弯矩在管片宽度方向上的分布是非均匀的,在管片端部有集中的现象。根据管片宽度与弯矩分布的关系,建立了弯矩集中度的概念,提出了管片边部强梁的优化配筋方案。     

武汉长江隧道管片衬砌结构力学特征模型试验研究

针对武汉长江隧道承受高水压和穿越高渗透性砂性土质的特点,在相似模型试验中专门采用盾构隧道-地层复合体模拟试验系统和旋转式水压装置共同作用,实现对水压和土压的分别控制加载,完成水土分算和水土合算的不同水土压力场条件下管片衬砌结构力学特征的模型试验,最后对高水压和变水压条件下的管片衬砌结构力学变化规律进行了分析。研究表明,高水压条件下的管片衬砌结构最大正负弯矩、最大变形量和结构偏心矩整体水平均有明显偏小,而平均轴力水平有明显提高;随着水压力加大,管片衬砌结构的平均轴力明显增大,最大正负弯矩略有增长或基本不变,最大偏心矩明显减小。该研究为武汉长江盾构隧道的衬砌结构设计提供有价值的参考。     

地震作用下盾构隧道衬砌结构动力响应分析

盾构隧道衬砌结构在地震载荷作用下的安全越来越受到重视,本文运用有限元软件数值模拟地震作用过程,分析地震作用下不同管片接头模型中管片性能的变化规律,结果表明：盾构隧道在地震横向作用下产生较大的横向位移,不同管片接头模型中管片的位移时程曲线趋势基本一致,且随着管片刚度减小而增大,但均比地表土体横向位移小很多|地震作用下不同管片接头模型中管片和连接螺栓的内力分布情况相类似,随着管片刚度减小,管片横向方向和剪切方向的应力均减小,连接螺栓的轴力、剪力和弯矩均增大,其中剪力增加的幅度最大,弯矩最大值位于隧道两拱腰处。     

层状复合地层条件下管片衬砌结构力学特征模型试验研究

针对武汉长江隧道承受高水压和局部区段穿越软硬程度差异极大的层状复合地层的特点,采用盾构隧道–地层复合体模拟试验系统和旋转式水压装置共同作用,完成了在不同水土压力场作用下对层状复合地层和单一地层两种不同地层条件下的管片衬砌结构力学特征相似模型试验,并根据试验结果分析了层状复合地层对盾构隧道管片衬砌结构的力学特征的影响。研究表明,随着水压力加大,管片衬砌结构的平均轴力明显增大而最大正负弯矩略有增长或基本不变;处于坚硬岩层包围区域的管片体结构局部弯矩明显减小;小范围的硬岩层对管片衬砌结构整环最大内力影响不大。该研究为武汉长江隧道的管片衬砌结构设计提供有价值的参考。     

盾构隧道结构刚度不连续性对衬砌内力及变形影响分析

盾构隧道衬砌是由若干管片装配而成,管片接头的存在是盾构装配式衬砌的主要特征,管片间接头处的刚度的折减造成了隧道结构整体刚度的降低。笔者根据管片接头双直线型力学模型,提出一种可以真实反映接头转角和弯矩耦合轴力非线性关系的有限元分析方法。结合某采用盾构法施工的输水管道工程,对施工开挖和运行充水工况进行二维数值模拟,计算结果表明,该有限元方法能有效模拟管片接头的力学特点,盾构隧道管片间接头的存在降低了衬砌的刚度,使管片环变形增大。     

输水隧道单层衬砌管片接头抗弯力学特性研究

因受到复杂的外部水土压力和较高的内水压力共同作用,单层衬砌盾构法输水隧道具有独特的接头构造。针对上海青草沙输水隧道(岛屿陆域段)单层衬砌管片接头的特点(铸铁手孔,双层螺栓),借助1:1足尺荷载试验及三维非线性弹塑性数值模拟对单层衬砌输水隧道管片接头的抗弯力学特性进行了研究。获得了单层衬砌输水隧道管片接头在不同接头轴力(拉/压力)、不同接头弯矩(正/负弯矩)和不同螺栓预紧力条件下接头张角及抗弯刚度的变化规律;并获得了环向螺栓轴力随接头弯矩的变化规律及管片接头的变形特性,研究成果可供类似工程借鉴。     

不同地质条件下盾构隧道受力变形特性研究

针对天津滨海地区盾构隧道衬砌结构,采用大型有限元软件ABAQUS建立三维地层-结构模型,考虑隧道管片材料非线性特征,利用混凝土材料的塑性损伤本构模型,研究地层和隧道结构相互作用后隧道管片结构内力分布与变形特征,以及隧道管片受拉和受压损伤情况。最后,研究不同地质条件和超载作用对隧道管片结构的影响。数值分析结果表明：隧道管环横截面变形表现为水平向外扩张、竖向压缩的特点,呈现“横鸭蛋”形状;隧道管环拱顶轴压力最小,拱腰轴压力最大;管片外侧受拉时最大弯矩位于拱腰,内侧受拉时最大弯矩位于拱顶;受拉和受压损伤分布均集中在拱底附近,其中管环受压损伤面积比受拉损伤面积大;地质条件越好,变形随轴线方向变化越均匀,轴力和弯矩、隧道结构竖向位移、横截面收敛变形,以及管环损伤面积与损伤程度越小。研究结果以期为进一步探讨隧道衬砌结构的变形性能与损伤分布提供参考。     

火灾下盾构隧道衬砌拼接接头力学行为试验研究

盾构隧道管片接头是隧道结构的薄弱部位,针对盾构隧道管片接头的抗火性能研究显得尤为重要,该文以存在安装误差的缩尺衬砌结构接头试件进行火灾试验,以管片的表观特征、温度场分布及变形响应等特征,研究火灾高温作用下盾构隧道衬砌结构接头的力学性能.研究结果表明:无初始缺陷的衬砌管片爆裂面积大且深度浅,具有初始缺陷的衬砌管片剥落深度...