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。     

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。     

盾构法隧道管片接头转动刚度的理论研究

以上海地铁隧道为工程背景，通过建立能够完整描述接头在任一组合力(弯矩、轴力以及联结螺栓预应力——作用下的受力及变形性状的接头力学模型，分析了管片接头转动刚度的一股变化规律。研究认为，对于给定的管片尺寸，管片接头转动刚度是接头承受载荷水平的函数，减小管片厚度将导致管片接头的正、负弯矩转动刚度的降低，同时，使得二者之间的差值更大，这对于管片接头的受力性能是不利的，而通过改变管片接头中联结螺栓的位置则可以改善这种情形。同时，调整管片厚度以及联结螺栓位置可以实现在不影响甚至提高管片接头受力性能的前提下降低管片厚度以降低工程造价的目的。     

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。     

考虑接头正接触非线性的盾构#br# 隧道管片接头力学模型研究

因盾构隧道接头传力具有显著的接触非线性,接头力学分析一直是盾构隧道结构分析的难点。文章针对盾构隧道管片接头在轴力和弯矩作用下的非线性变形问题,提出一种新的接头力学分析思路,通过引入刚性面假定、基于位移的接头力学建模方法、反平方根滤值函数,建立管片接头正接触非线性力学模型。研究发现：接头具有多种接触状态,反平方根滤值函数可以有效的反映接头正接触非线性;管片接头力学性能可由管片混凝土和螺栓力学性能两部分描述,其中管片混凝土变形能力与位移偏心距有关,螺栓变形能力主要与预紧力有关;从狮子洋和南京长江盾构隧道的试验数据对比来看,接头正接触非线性力学模型是合理的,接头力学模型性能与接头试验结果基本吻合。     

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。     

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。     

天津滨海Z2号线盾构隧道接头螺栓比选及抗弯刚度研究

针对不同形式螺栓接头,充分考虑复杂接缝间的不连续性及接头预紧力,以天津滨海Z2号线盾构隧道管片纵缝为研究对象,分析比较了直螺栓、斜螺栓和弯螺栓三种接头在不同弯矩和轴力条件下对管片接缝力学性能的影响。根据分析结果给出了三种螺栓接头的适用性,以及三种螺栓接头在不同埋深、弯矩作用下的抗弯刚度建议值。研究结果表明:螺栓形式对螺栓最大受力位置影响很小;螺栓拉应力和接缝张开量随轴力的增大而减小,但接头抗弯刚度均随之增大;螺栓拉应力、接缝错台量和张开量随弯矩的提升而增大,但接头抗弯刚度随之减小。     

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。     

钢梁-钢筋混凝土柱单剪板连接节点约束弯矩试验研究

钢梁与混凝土柱单剪板连接节点形式简单、施工方便。在单剪板节点结构设计中,通常把该类节点简化成铰接节点,认为其只传递剪力和轴力,忽略梁端弯矩的作用,从而高估了预埋件的承载能力,给结构留下了安全隐患。为了研究单剪板连接节点的受力性能,对3个不同螺栓布置的钢梁-钢筋混凝土柱单剪板连接节点进行了静力加载试验,研究了螺栓数量、螺栓直径等因素对试件破坏模式、荷载-挠度曲线和约束弯矩的影响。结果表明：钢梁-钢筋混凝土柱单剪板连接节点的约束弯矩随螺栓群惯性矩的增大而增大;试件的承载力和刚度受高强螺栓布置数量的影响较大,受螺栓直径的影响较小。在试验研究的基础上,建立了单剪板连接节点的受力简化模型,根据模型给出了约束弯矩计算方法和弹性阶段节点折算偏心距计算公式,其计算结果与试验结果吻合较好。     

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。     

钢板攻丝高强螺栓连接钢框架节点力学性能试验研究

对采用钢板攻丝高强螺栓连接的钢框架节点分别进行了高强螺栓拉伸及剪切试验、钢柱法兰连接节点静力及拟静力试验、梁柱半刚性连接静力试验.基于试验数据对节点连接的承载能力、失效模式以及刚度特征等关键问题进行了分析.研究结果表明:由自攻螺纹钢板及高强螺栓构成的连接形式具有良好的抗拉、抗剪性能,以螺杆断裂为最终破坏模式;钢柱法兰连...     

沉管隧道半刚性管节节段接头力学性能数值模拟

接头是沉管隧道受力最薄弱的环节。依托实际工程建立了沉管隧道节段接头三维数值模型,研究了沉管隧道半刚性管节节段接头抗弯及抗剪力学性能,得到了接头受力与变形规律及接头抗弯、抗剪刚度变化规律。研究结果表明：(1)在压弯工况下,节段接头张开量与接头弯矩关系呈现三阶段变化规律,当接头张开量小于0.1 mm时,其抗弯刚度约占本体刚度的49%～87%,当接头张开量大于1 mm时,其抗弯刚度不足本体刚度的10%,初始预应力损失导致接头抗弯性能降低;(2)压剪工况下的接头抗剪性能主要由节段之间端面混凝土摩擦力提供,设置剪力键传力垫层可充分发挥节段接头端面混凝土摩擦抗剪力,提高接头整体抗剪性能;(3)在压弯工况下传力垫层不影响接头转动,而弯剪受力模式降低了传力垫层总受压荷载。     

盾构管片接头简化数值模拟方法

由管片组装的盾构隧道衬砌环刚度分布不均,其薄弱环节为管片接头处。管片接头刚度的合理确定对于盾构隧道施工全过程模拟的合理性、地表沉降槽的确定以及土体损失的准确估算至关重要。根据管片接头受力特点及其构造,考虑对管片接头及其附近区域进行刚度修正,而管片其余区域保持原刚度不变,提出管片接头简化数值模拟方法——局部刚度修正法。基于圣维南原理和变刚度梁理论,推导了确定接头刚度的公式,并给出了相关参数的确定方法。结合室内盾构管片接头足尺试验成果,对不同荷载作用下管片接头的变形情况进行了数值模拟及对比分析。研究成果为盾构三维施工全过程的精细化数值模拟分析奠定了基础。     

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。