盾构隧道装配式管片接头有限元分析方法

带接头的管片内力的分析一直是盾构隧道研究的重点。将管片接缝处整体看作为一种材料,采用一种薄层有限单元法,从现有的接头力学模型出发,建立接缝材料的本构关系模拟管片接头效应。该方法能反映实际的接头在受到外力作用时,接头转角刚度变化过程。并且避免了由于接缝构造的复杂性而造成建立有限元模型的困难。     

盾构隧道管片接头受力的精细化三维有限元分析

盾构隧道通常由预制混凝土管片构成，管片间存在大量接缝。国内盾构隧道管片环内力常用计算方法中的梁-弹簧法能充分考虑纵向接头的位置，采用旋转弹簧和剪切弹簧模拟接头作用，与实际情况最为接近。但该方法中接头割线抗弯刚度kθ的取值主要通过经验类比或现场接头试验确定，尚无现成公式或图表可用。与耗资巨大且费时较长的接头加载试验相比，有限元数值模拟方法方便快捷，可进行多工况的重复分析。针对管片接头建立精细化三维有限元模型，研究管片接头的受力特性，分析管片接头kθ的影响因素，为kθ取值提供参考。     

盾构隧道管片施工阶段力学行为的三维有限元分析

管片是盾构隧道最基本的结构单元,与正常使用阶段相比,管片在施工阶段承受的荷载及相应的力学行为均有较大差异。从工程经验可知,管片开裂多发生在施工阶段,因此对管片在施工阶段力学行为的研究尤为重要。采用三维有限元法,利用通用有限元软件ADINA,建立一段具有9环管片的盾构隧道数值模型。通过加入与施工阶段相对应的注浆压力、千斤顶顶力及初步引入盾尾刷的挤压作用,分析盾构隧道的变形特点及应力分布。分析结果表明,在施工阶段,管片外荷载沿隧道纵向的差异使管片环的位移及应力沿隧道纵向产生变化,各环变形的特征也不相同。由于楔形块构造的原因,使得在均匀的注浆压力下,管片环仍然出现平面外的位移,并造成一定的错台量。若注浆压力不均匀,错台量将增大,甚至能造成管片开裂。千斤顶顶力对施工阶段管片的位移、应力有明显的影响,千斤顶顶力作用是管片在施工状态下最不利的工况。     

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。     

盾构隧道衬砌接头刚度有限元分析

接头刚度是装配式衬砌结构设计的一个重要参数,通过有限元分析软件ANSYS建立了管片接头的平面和空间有限元模型,应用所建立的模型对影响接头刚度的主要因素即管片与管片之间垫层材料的性能和厚度、连接螺栓预紧力的大小及管片接头不同的受力状态进行了系统的分析,为盾构隧道管片设计提供了参考。     

盾构隧道预应力管片接头的模型试验研究

盾构隧道普通混凝土管片接头的抗弯刚度主要是通过现场试验确定,目前尚无现成的公式或者图表可遵循,对于预应力管片这一新型的结构型式则更有必要对其接头的正负转角刚度,为此进行了弯曲的预应力管片接头试验.文章介绍了模型试验的设计及试验过程,通过试验数据分析了影响预应力管片接头刚度的各项因素,如施加预应力的大小、偏心距等,并得出了计算其刚度的经验公式.     

盾构隧道预应力管片接头的模型试验研究

盾构隧道普通混凝土管片接头的抗弯刚度主要是通过现场试验确定,目前尚无现成的公式或者图表可遵循,对于预应力管片这一新型的结构型式则更有必要对其接头的正负转角刚度,为此进行了弯曲的预应力管片接头试验。文章介绍了模型试验的设计及试验过程,通过试验数据分析了影响预应力管片接头刚度的各项因素,如施加预应力的大小、偏心距等,并得出了计算其刚度的经验公式。     

模型盾构隧道管片纵缝接头设计方法

考虑到拼装的缩尺模型管片环与原型管片环的纵缝接头刚度相似性难以满足要求,建议缩尺模型隧道采用开槽模型接头,并分别得到了采用两侧同时开槽、内侧开槽及外侧开槽的模型接头设计计算方法。通过开槽模型接头的管片环模型与梁—弹簧模型的计算结果比较,表明开槽模型接头的设计方法可行,开槽模型接头能很好地模拟拼装管片接头。在综合考虑开槽模型接头的开槽宽度对管片环结构内力与变形的影响与开槽模型接头的加工可行性的基础上,建议开槽模型接头对应的管片环中心角取值为3°~5°。提出的开槽模型接头设计计算理论可用于缩尺模型管片环的纵缝接头设计及在惯用法均质圆环的基础上进行局部抗弯刚度折减的数值模型隧道的建模。     

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.     

盾构隧道管片钢筋力学行为初探

钢筋混凝土管片是盾构隧道最基本的结构单元,钢筋作为管片的主要组成部分,其力学行为影响管片配筋形式及配筋量,从而影响盾构区间隧道的造价。本文以广州地铁使用的管片为研究对象,利用大型通用有限元软件ADINA,计算了单块管片在施工阶段受到千斤顶顶力作用时的钢筋应力;同时,将整环管片在正常使用阶段受到的土压力、水压力及周围土层的弹性抗力抽象为7种荷载,计算了整环管片模型下管片钢筋的应力。计算结果表明,管片的制作和安装精度明显影响了管片在施工状态时的钢筋应力,存在制作或施工误差的管片,其钢筋应力为无误差管片的2.3～4.7倍,但两种情况的钢筋应力均处于较低的水平;在正常使用阶段,考虑接头的整环模型管片钢筋的最大拉应力为73.3 MPa,最大压应力为67.7 MPa,分别相当于钢筋强度设计值的24.4%和22.6%。施工阶段管片钢筋应力水平与正常使用阶段钢筋应力水平并无明显区别。为进一步了解管片配筋的力学行为,还需要研究管片及其配筋在长期荷载作用下的力学行为,在保证隧道耐久性的前提下,合理的使用钢筋。     

地铁盾构隧道整环衬砌结构三维有限元分析

利用大型通用有限元软件ABAQUS建立地铁盾构隧道整环衬砌结构的三维有限元模型,计算分析衬砌环在试验荷载工况下的荷载—变形关系曲线、变形过程中隧道管片的内力发展过程;计算分析试验荷载工况下衬砌环直径变形量发展至一定收敛限值时,进行钢板加固,并继续计算完成荷载-变形全过程关系曲线、变形过程中隧道管片的内力发展过程。通过与试验结果的对比分析,有限元计算结果与试验结果两者的变化规律是一致的;计算结果在反映结构应力/应变分布规律方面有重要参考作用。     

盾构隧道管片设计参数的灵敏度分析

在我国目前的工程实际应用中 ,盾构隧道的设计多采用将管片考虑为均匀刚度的环来进行结构计算。由于国内目前尚无统一的盾构隧道设计规范 ,无论在荷载条件还是结构模型的取值中均存在一定的随意性。针对这一现状 ,本文对设计中的关键参数进行了灵敏度分析 ,明确了围岩条件、结构条件对设计计算结果的影响 ,提出了设计取值的一些原则     

纤维混凝土在盾构隧道衬砌管片中的应用研究

由于传统盾构隧道混凝土管片存在的问题,新型管片的研究成为盾构隧道技术研究的一个重要方向.纤维混凝土管片的研究和应用在国内实例较少,尚处于起步阶段.文章通过材料试验,研究了纤维混凝土的抗压性能和高温下的抗爆裂性能,为纤维混凝土管片的应用提供试验依据;通过对纤维混凝土盾构隧道管片的承载力和裂缝宽度的结构分析,得出一些结构设计方面的建议.文章探讨了纤维混凝土管片的应用可能及相关问题,对推动我国新型隧道管片研究和应用具有实际的意义.     

移动式三维激光扫描系统在盾构隧道管片椭圆度检测中的应用

介绍对比了几种常用的地铁盾构隧道管片椭圆度检测方法,并在此基础上以GRP5000系统为例分析了基于移动式三维激光扫描系统的椭圆度检测的基本原理及内外业工作流程。通过实际项目检验,表明基于移动式三维激光扫描系统的地铁盾构隧道管片椭圆度检测方法具有优势。     

盾构隧道已开裂管片的受力变形特性

结合广州地铁某已运营的盾构区间隧道现状,通过采用三维Goodman单元来模拟管片已存在的裂缝,对盾构区间隧道已开裂管片的裂缝深度变化对管片结构造成的影响进行了分析,同时也对侧向土压力、地基弹簧系数以及地下水位等几种重要因素对管片受力变形特性的影响进行了评估。研究表明,随着裂缝深度的增加,管片砼的拉应力、压应力虽然达到最大值,但变化幅度并不大。但当裂缝接近径向贯通的时候,钢筋的拉应力值会大大增加,有可能超过允许值。同时,在盾构管片存在既有裂缝的情况下,盾构管片的最大拉应力值、水平和竖向收敛值、竖向沉降值均随侧向土压力系数、地基弹簧系数的减少而增大,同时随地下水位埋深的增大而增大。根据研究结果,对该区间隧道盾构隧道的裂缝等病害采取了针对性修复措施,目前无新的裂缝出现,总体处于稳定及安全的状态。     

软土地铁盾构隧道环缝张开可靠度分析

软土地铁盾构隧道运营后，受各种内外部因素影响，隧道产生较大的不均匀沉降，进而产生不同程度的环缝张开,严重影响运营安全。在综合考虑隧道衬砌几何尺寸、纵向曲率半径及沿隧道纵向抗压抗拉刚度比基础上,同时考虑认识不确定性及随机不确定性，通过区间Monte Carlo抽样模拟计算环缝张开的失效概率区间。讨论了环缝失效概率随不同纵向曲率半径及衬砌环沿隧道纵向不同抗压抗拉刚度比的变化情况，定量化的得到两者在一定失效概率区间下的控制范围。为地铁运营养护决策的制定、优化结构和防水设计提供依据。     

盾构隧道通缝拼装管片上浮的数值模拟分析

盾构隧道在施工阶段拼装管片的上浮问题一直是困扰地铁隧道施工的技术问题.应用有限元数值方法,模拟分析盾构管片结构设置和衬砌背后注浆造成管片结构和周围地层的位移变化特征,探讨盾构隧道上浮的变化规律.模拟结果表明,盾构隧道管片在壁后浆液的浮力作用和土体应力的共同影响下,应力相对集中的区域出现在与X轴夹角约45°的位置,模拟管片的上浮量约38mm,与现场实测结果比较接近.     

盾构隧道管片衬砌壳-弹簧计算模型研究

针对现有盾构隧道管片衬砌计算模型存在的问题,对管片接头的力学特性进行了分析。认为管片的接头实际应包括管片接缝和对应手孔间的管片部分,采用点弹簧模拟管片接头力学特性实际上是夸大了端部管片的刚度。提出了基于壳-弹簧模式的管片结构的整体环-纵向非连续计算模型,改进了接头的模拟方法。该模型将管片接缝以及对应手孔间管片部分视为一个受力整体,其宽度约为对应手孔之间的弧长,并提出了该接头抗弯刚度的定义方式。由于该模型考虑了管片接头的整体性,计算得到的内力值比梁-弹簧模型计算结果更加准确,且可反映管片结构纵向的受力特征。     

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。     

盾构隧道通缝拼装管片上浮的监测研究

盾构隧道管片上浮引起的拼装困难和防水隐患等问题对施工和运营的影响日益凸显,并直接影响到工程质量.文章对盾构推进过程中管片上浮进行了现场监测及其结果分析,进而得到上浮发生和发展规律,进一步从盾构工法特性、衬背注浆、盾构姿态及线路走向等影响因素着手,对盾构掘进过程中管片产生上浮的现象、原因进行了分析研究,并提出了控制措施.