盾构管片接头模型法向弹簧刚度确定原则研究

本文针对不设传力衬垫的盾构管片接头的罚函数接触算法和节理单元模型中的控制性参数－法向接触刚度和法向弹簧刚度的取值原则问题进行了相关研究,研究表明:法向弹簧刚度取值过小,将导致引入的计算误差过大,同时,取值也不能太大,更不能取为无穷大,以避免引起方程组病态而导致计算结果失真;弹簧类模型所引起的计算误差在理论上不可能完全消除;Lagrange Multiplier接触算法可完全消除弹簧类型模型引入的计算误差,但计算结果与试验结果相差较大;接头承受轴力越小,则Lagrange Multiplier接触算法计算结果与试验结果相差越大。同时,Lagrange Multiplier接触算法不能解释转动刚度与轴力关联现象。     

输水隧道衬砌管片环向接头力学性态试验

为了解管片接头的力学性态,以上海青草沙输水盾构隧道为研究背景,研制了专门的试验系统,进行了1∶1原型管片接头试验,对管片环向接头的变形规律和相关参数取值进行了研究。研究结果表明:管片接头混凝土、主筋、螺栓最大值等均满足设计强度要求;接头张角和变形规律与螺栓预紧力有关,张角较小,满足隧道防水要求;管片接头抗弯刚度与横向荷载正相关,加载过程抗弯刚度最大值为20 456(kN.m).rad-1,可作为类似工程设计和施工的参考。     

盾构隧道施工阶段管片接头刚度试验研究

以广州地铁盾构隧道管片为对象,通过室内足尺试验对施工阶段盾构隧道管片接头的抗弯刚度进行研究,结果表明管片接头刚度呈线性变化,且与管片接头的构造形式密切相关,并随接头内力组合的不同而变化。     

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。     

地铁盾构管片接头抗弯刚度模型试验与数值分析

为研究盾构管片接头抗弯刚度力学特性,采用缩尺模型试验与数值模拟的方法对其进行了研究,得到了如下结果:(1)当弯矩值小于拐点值(150 kN·m)时抗弯刚度曲线可近似为一条过原点的直线,当弯矩值超过拐点值(150 kN·m)时抗弯刚度的曲线斜率变化明显,且曲率随着偏心距e的增大而增大;(2)进行了管片纵缝接头精细有限元模拟,数值模拟获取的抗弯刚度与模型试验获取的抗弯刚度趋势一致,但前者比后者大10%~20%。经过分析得到如下结论:(1)管片抗弯刚度的曲线是高度非线性的非单调函数,其斜率较为复杂难以用方程表示;(2)弯矩越大抗弯刚度越小,正弯矩的抗弯刚度绝对值明显大于负弯矩的抗弯刚度绝对值,在偏心距e固定的情况下,随着偏心轴力N的增大,抗弯刚度先增大后减小;(3)本文数值模拟所采用的方法和选用的本构关系可用于指导计算管片结头抗弯刚度。     

盾构隧道管片无衬垫接头抗弯刚度研究

在考虑接头细部构造特征的基础上,通过合理的假定和简化,建立了无弹性衬垫的管片接头抗弯刚度计算模型,并对接头抗弯刚度计算公式进行了推导.该模型考虑了接触面几何尺寸、螺栓数量、螺栓位置、螺栓预紧力以及接头弯矩、轴力等因素对接头抗弯刚度的影响.文中得出公式与接触力学模型计算结果相比,当受压区混凝土在弹性范围内时二者吻合良好,当超过弹性范围后偏差较大.因为正常使用阶段混凝土一般处于弹性状态,且本模型计算过程简便快捷,故可作为盾构隧道设计的参考.     

地铁区间盾构隧道衬砌纵向接头抗弯刚度试验研究

基于衬砌管片接头荷载试验,分析影响纵向接头抗弯刚度的主要因素,研究不同影响因素作用下纵向接头抗弯刚度的变化规律,建立衬砌管片纵向接头抗弯刚度理论计算模型。研究认为:当轴力较小时各种影响因素对纵向接头抗弯刚度影响较大,当轴力达到一定值时各种因素对纵向接头抗弯刚度影响有限;管片纵向接头构造对接头抗弯刚度影响尤为显著。     

盾构管片接头刚度衰减系数(ACS)的影响

以盾构隧道衬砌三环原型加载破坏试验为基础,通过严格按照足尺试验尺寸、试验条件建立分析模型并消除环间作用的方法建立了单环加载破坏分析模型,着重就某局部管片接头转动刚度衰减对整环内力(弯矩)的影响进行分析,研究表明:(1)在盾构隧道管片整环破坏历程中,管片接头转动刚度的变化历程可通过转动刚度衰减系数这一特征变量进行追踪;(2)特定位置管片接头转动刚度衰减时,可导致其他位置管片弯矩发生增加或降低,且增减幅度并不一致;(3)在整环外加荷载增量保持不变的条件下,特定位置管片接头转动刚度的衰减(破坏)可导致管片环其它位置的弯矩迅速增加,从而引起或加速整环管片的破坏。     

盾构隧道管片接头抗弯刚度简化计算方法研究

考虑盾构隧道管片接头刚度对管片环整体受力的影响,文章采用三维有限元方法,基于不考虑弹性衬垫的接头力学模型,分析埋深、土体侧压力系数、螺栓预紧力、螺栓强度等级4种因素对正、负弯矩区域接头抗弯刚度的影响,建立弯矩-接头转角-侧压力系数三维曲面,推导出接头抗弯刚度在不同侧压力系数下的简化计算公式.     

输水盾构隧道管片接头力学与变形模型研究

输水盾构隧道的管片受到高内水压的作用,接头的变形问题非常突出,这直接决定了接头的防水构造形式。目前大多数管片环向接头的变形都是根据经验,并参考类似工程选取,这必然带来很大的随机性。而由于时间和成本问题,所有隧道工程都做足尺试验不现实。克服以往接头力学与变形模型的不足,考虑弹性密封衬垫的受力、接头混凝土的弹塑性变化以及螺栓预紧力,建立了接头力学计算模型;考虑了受压区混凝土的压缩变形,螺栓变形和手孔铸铁件的局部变形,建立了一个新的接头变形计算模型。同时进行了隧道管片 1 ∶ 1 接头试验,将试验得到的螺栓拉力和接头变形值与理论计算值进行比较。结果表明：本模型能比较真实地反映接头的受力和变形情况。     

盾构隧道管片环纵向接头抗弯刚度值的不动点迭代确定方法

 盾构隧道管片环纵向接头构造复杂,偏压荷载作用下,其变形具有明显的非线性特征,合理的接头抗弯刚度值是运用梁–弹簧模型进行盾构隧道管片环断面设计、计算的前提,而该抗弯刚度值与接头截面处内力组合情况密切相关。针对双衬垫式管片环纵向接头,利用已有简化力学模型,提出一定轴压作用下,接头各变形模式及各模式下的抗弯刚度解析式,并将已有管片接头各工况加载试验的转角实测值与对应变形模式的理论计算值进行对比,验证了其工程设计适用性。根据接头各变形模式下抗弯刚度解析式,结合基于梁–弹簧模型考虑接头刚度差异性的管片环内各纵向接头处截面内力解析式,构造关于管片环内各纵向接头抗弯刚度值的非线性方程组,由数值计算软件Maple编写该接头刚度非线性方程组的不动点迭代求解程序,多次试算最终得到合理的管片环内各纵向接头抗弯刚度值。     

地铁区间盾构隧道衬砌接头的荷载试验

以盾构隧道衬砌接头荷载试验为依据,研究接头强度、受力及变形规律,对衬砌接头抗弯刚度主要影响因素进行分析。研究表明,正偏心荷载作用下接头强度取决于接头局部抗压及抗剪强度,负偏心荷载作用下接头具有足够的承载能力,接头承载力由接缝位移张开量控制;偏心距、轴力、衬垫厚度以及螺栓预紧力对接头抗弯刚度影响较大。     

盾构隧道管片接头形式的探讨与选择

针对盾构隧道管片接头的详细研究,简要介绍了目前国内常用管片接头构造及其优缺点,对国外多种新型管片接头连接件进行了分析,初步提出了盾构隧道管片接头形式选择的建议。     

盾构管片接头转动刚度的理论与实验分析

在地铁区间盾构隧道的衬砌环结构的设计中,管片间接头处往往是结构的薄弱部位。本文在已有接头计算模型的基础上,引入简化假设,推导出了管片环向接头的力学模型,该模型考虑了混凝土的接触压力、螺栓的预紧力以及针对密封垫的修正。利用该模型可以得到接缝转角、张开量、螺栓拉力和接头转动刚度等内力和变形信息。为了验证模型的准确性,针对上海地铁区间隧道管片纵向接头进行了1∶1足尺加载试验,将试验的量测结果与理论模型的计算结果进行了对比。结果表明,计算模型可以很好反映接头的受力和变形情况。     

K型铸钢节点的刚度研究

利用有限元分析软件ANSYS对主支管夹角为45°的K型铸钢节点的刚域长度进行研究。通过变化若干主要几何参数,明确节点刚域长度随这些主要几何参数的变化趋势,并拟合出该类K型铸钢节点刚域长度的计算公式。     

软土地铁隧道纵向不均匀沉降导致的管片接头环缝开裂研究

地铁通车运行后,会因多种原因产生盾构隧道纵向不均匀沉降,诸如列车振动、渗漏、土体不均匀性等。隧道纵向过大,不均匀沉降会严重影响地铁的运行安全。基于某地铁隧道的纵向沉降实测数据,分析了纵向沉降对隧道结构安全性的影响。首先用抛物线分段模拟了隧道的纵向变形,得出了隧道纵向变形曲率;然后以等效轴向刚度模型为基础,建立了隧道纵向变形曲率与隧道管片接头环缝张开量之间的关系。通过对计算结果的分析,可较全面地了解整个隧道的纵向沉降以及隧道管片环缝张开量的现状,从而为软土隧道的运营阶段维护、改善结构和防水设计、施工方法等提供依据。     

钢管混凝土结构外加强环式节点刚性试验研究

对12个足尺钢管混凝土柱-钢梁外加强环空间节点进行了静力试验。基于“挠度法”,对节点刚度进行了测试。根据测试结果,分析了影响节点刚性的各种因素。最后指出,外加强环式节点可以当作刚性节点使用,但必须满足一定的条件,即外加强环必须具有足够的刚度。另外这种节点还具有明显的空间特性。     

盾构隧道功能梯度混凝土管片的研发及性能研究

武汉长江隧道工程所面临的高压富水环境要求衬砌结构管片具有高抗渗、长寿命的性能。引入功能梯度材料设计原理,对钢筋混凝土管片进行功能梯度设计与优化,实现管片外层高防水抗渗、结构层提供强度及内衬层耐火的多重功能。同时采用适当的界面处理技术,保证管片各功能层的性能均匀过渡,实现功能和结构一体化设计。对结构层混凝土、保护层材料性能分别进行测试,测试结果表明,保护层材料具有优良的抗渗性能,相比普通混凝土氯离子扩散系数降低一个数量级,寿命提高10倍以上,优于目前国际上已报道的最好水平(6×10-13m2/s);结构层、保护层混凝土力学性能优良,强度满足设计要求,保护层材料强度达C70以上,主体结构层达到C50;保护层材料与结构层材料体积稳定性良好;耐酸性气体腐蚀性能大大增强,90d中性化深度不足1mm;同时,管片内衬层通过刷涂防火抗爆材料有效提升了管片的内层耐火性能,耐火极限是未经处理试件的4.72倍;最后通过实际的生产及检测,进一步证明了功能梯度混凝土管片具有较好的服役性能。     

盾构隧道破损管片修补强度的理论与试验研究

在充分调研一软土盾构隧道管片在施工阶段出现破损的基础上,总结该区间的管片破损规律;分析管片修补块在隧道发生纵向变形时的受力状态,利用纵向等效刚度模型,分析管片修补块在环缝位置所受压应力和隧道纵向变形的关系进而得出盾构隧道管片破损修补的强度控制值;根据修补块的受力特征及管片破损形态设计室内试验模型,通过试验得到满足强度要求的修补材料。该研究可为盾构隧道管片破损修补提供一定依据。