盾构管片错缝拼装的一种简化计算有限元模型

盾构隧道衬砌存在通缝和错缝拼装两种形式,错缝拼装情况下,管片接头的有限元模拟存在一定难度.在采用壳-弹簧模型模拟衬砌前提下,提出一种计算盾构管片错缝拼装的简化有限元模型,同时验证了此模型的合理性.分析成果对目前盾构管片的设计具有一定的参考价值.     

壳-矩阵-弹簧模型衬砌结构受力性能研究

提出了壳-矩阵-弹簧系统模型,模型以平板壳单元模拟衬砌管片,以矩阵单元模拟衬砌拼装的螺栓,以土弹簧单元模拟衬砌与地层之间的相互作用。采用该模型对衬砌管片错缝拼装下的受力状态进行了分析,解决了采用传统的梁-弹簧模型平面应力-应变方法无法准确把握研究区域应力和变形的问题,可真实地反映衬砌管片结构的力学性态。采用壳-矩阵-弹簧模型分析了影响衬砌管片结构受力性能的不同因素,得出了一些有益的结论,以供盾构隧道衬砌结构设计计算参考。     

盾构隧道通用装配式管片衬砌结构计算分析

采用梁 -非线性弹簧模型 ,对盾构隧道通用装配式管片衬砌在基本拼装方案下各典型计算点进行最大截面内力及变形计算 ,确定管片设计控制荷载点 ;并在通用管片衬砌环布置时可能出现通缝及错缝拼装情况下进行多种方案组合计算 ,进而确定控制管片设计的拼装组合 ,并发现不同拼装组合条件下截面内力及变形的变化趋势     

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。     

盾构隧道通、错缝拼装管片受力及变形比较

通缝、错缝管片在国内盾构隧道施工中均有运用,关于两种衬砌形式孰优孰劣的争论一直存在.基于两种衬砌的结构特征,采用修正的地层弹簧模型,结合南京地铁一号线的工程实例,对通、错缝拼装隧道衬砌使用阶段的受力及变形进行了对比分析.得出了一些有益的结论,为设计施工提供参考.     

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。     

不同地层中隧洞管片衬砌结构计算分析

以上公山隧洞为例,分别选取了断层破碎带、挤压性地层及Ⅲ类围岩等三种较为典型的地段,并选取相应的三个断面进行管片结构内力及变形计算.计算采用考虑管片间接头效应的梁-弹簧模型,对于隧洞管片衬砌在错缝拼装方式下,分别对三种地层在结构内力、衬砌变形等方面的区别进行了分析,为管片的参数设计提供一定的参考.此外,将计算结果与引大入秦30A和38#隧洞的管片衬砌结构计算结果相比较,得出了一些有价值的结论.     

地铁单线盾构隧道管片衬砌合理厚度的探讨

目前我国地铁区间单线盾构隧道的外径为6．0m左右、采用钢筋混凝土平板型管片，其厚度为30cm和35cm两种。本文采用梁-弹簧模型对不同拼装方式下两种不同厚度的管片结构进行了力学分析。经过比较分析，得出管片衬砌的合理厚度和在不同管片拼装方式下的一些力学规律，可供有关工程设计时的参考。     

地铁单线盾构隧道管片衬砌合理厚度的探讨

目前我国地铁区间单线盾构隧道的外径为 6 .0m左右、采用钢筋混凝土平板型管片 ,其厚度为 30cm和 35cm两种。本文采用梁—弹簧模型对不同拼装方式下两种不同厚度的管片结构进行了力学分析。经过比较分析 ,得出管片衬砌的合理厚度和在不同管片拼装方式下的一些力学规律 ,可供有关工程设计时的参考     

盾构隧道管片受力与变形研究

文章结合上海地铁M9线工程实例,借助有限元法对不同拼装方式下地铁区间盾构隧道通用管片结构进行力学行为分析.结果表明:管片结构在不同拼装方式下的力学行为是不相同的,与拼装类型、分析目标环的环向和纵向接头的位王、封顶块的位置有关.对通、错缝拼装隧道衬砌使用阶段的受力及变形进行了对比分析,得出了一些有益的结论,为设计施工提供参考.     

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。     

异形盾构隧道衬砌结构计算模型和受力特征研究

首先通过原型整环管片力学试验研究了异形盾构管片环向接头转动刚度随隧道埋深增加的变化规律。基于试验成果建立了异形盾构管片壳-弹簧计算模型,并将原型试验结果与修正惯用法和壳-弹簧模型进行对比,给出了异形盾构管片内力分布模式,明确了修正惯用法作为异形盾构管片设计方法的可靠性,并将壳-弹簧模型推荐为能较为科学地反映异形盾构管片实际受力特征的计算模型。最后,基于壳-弹簧模型从经济和力学两个角度对异形盾构隧道与矩形和圆形隧道进行对比,证明了异形盾构应用于浅覆土地层的科学合理性。     

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。     

武汉长江隧道管片衬砌结构受幅宽影响的力学分布特征研究

 以武汉长江盾构隧道为工程背景,通过引入管片接头的弯矩–轴力–转角非线性曲线参数的三维壳–非线性弹簧计算模型对幅宽为1～10 m的管片衬砌结构的三维力学分布特征进行系统研究,并与传统梁–非线性弹簧模型的内力结果进行比较,得出管片衬砌结构受管片幅宽影响的内力分布规律。最后通过大比尺相似结构模型试验对计算成果进行验证。研究结果表明：三维管片衬砌结构的最大正、负弯矩一般发生于幅宽边缘部位;就幅宽边缘的最大弯矩而言,在偏安全地假定环间剪切刚度无穷大的情况下,梁–弹簧模型的最大值和三维结构最大值基本相等,表明采用梁–弹簧模型的计算结果用于结构分析是可以确保安全的;就幅宽中央的最大弯矩而言,梁–弹簧模型的最大值比三维结构相应结果明显偏大,说明采用梁–弹簧模型计算结果进行管片配筋会使幅宽中部区域结构配筋率偏大,造成不必要浪费;大幅宽管片的环间接头径向剪力值比梁–弹簧模型的计算结果小,并且幅宽越大两者差值越大。该研究成果对于类似大型越江和海底盾构隧道优化管片结构配筋和分析管片结构安全具有重要的参考价值。     

天津地铁通用楔形管环力学性能影响因素分析

为完善列车最高运行速度达120 km/h的快速轨道交通线路技术标准,本文依托天津地铁Z2线工程,基于ABAQUS软件建立了盾构隧道受力分析的壳―弹簧模型,引入混凝土塑性损伤本构,详细地研究了施工阶段曲线半径、千斤顶偏心推力、地层条件、混凝土管片宽度等分别对直线段和曲线段通用楔形管片的受力与变形,以及结构损伤面积的影响规律。结果表明:直线段管片受拉损伤面积随混凝土管片宽度的增大而增大,曲线段受拉损伤面积随混凝土管片宽度的增大而减小;当地质条件越好时,隧道管片主压应力及其变形减小,损伤面积也相应减小;隧道管片主压应力、结构变形,以及损伤面积均随曲线半径的增大而减小。本文研究成果可为软土地区快速轨道交通曲线段通用楔形管片的设计与施工提供参考。     

封顶块位置对地铁隧道管环力学性能影响研究

在盾构隧道施工和运营期,封顶块位置对盾构隧道的整体结构受力及变形有显著影响,因此对其位置的合理选择进行研究非常必要.采用ABAQUS有限元软件建立壳-弹簧模型,对封顶块不同软土不同埋深及在不同位置下盾构隧道通用管片结构力学行为进行研究分析.结果显示:同种软土中,通用管片整体结构弯矩随着埋深增加,弯矩增大;同种埋深下,随...     

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。     

盾构隧道双层衬砌横向力学结构参数优化研究

随着水下盾构隧道建设及运营环境日益复杂,安全要求日益提高,盾构隧道双层衬砌有望在工程中得到较为广泛的应用。本文依托武汉轨道交通8号线越江隧道工程,采用双层衬砌盾构隧道三维壳—弹簧力学分析模型,研究了不同工况下二次衬砌强度及厚度对双层衬砌内力及变形的影响,并对二次衬砌是否应当配筋的问题进行了探讨。研究结果表明:二次衬砌强度变化对管片衬砌结构内力影响甚微,但二次衬砌弯矩量值略有提高,同时通过提高二次衬砌强度来抑制隧道竖向变形的效果不明显,考虑到工程造价问题,二次衬砌强度不宜过高,取C40为宜;二次衬砌厚度增加对管片横向内力影响甚微,但对其结构受力有不利影响,综合考虑隧道运营期火灾以及列车撞击等因素,二次衬砌厚度取30~40 cm为宜;在外荷载增大情况下,二次衬砌拉应力量值显著增加,超过混凝土规范容许拉应力值,因此,实际工程中建议对二次衬砌进行配筋设计。研究结论可为盾构隧道双层衬砌的设计及施工提供有益的借鉴。     

盾构衬砌管片接头内力-变形统一模型及试验分析

首先在钢筋混凝土管片系列接头试验的基础上,总结提出了接头弯矩-相对转角关系的线性、双线性和非线性模型,以及接头轴力-相对轴向变形和剪力-相对剪切变形关系的分段式模型,并给出了用于描述荷载偏心距和螺栓初始扭矩对于接头刚度影响的理论模型。其次,基于平板型和弧型管片接头的受弯试验结果,分别给出了在有无防水密封垫情况下各类转动刚度模型参数的取值方法,提出了不同条件下的转动刚度模型选择依据,研究了不同螺栓初始扭矩和轴力对接头转动刚度取值的影响;基于平板型管片接头剪切试验结果,分别给出了在有无防水密封垫情况下三阶段剪切刚度模型的参数取值方法。研究结果验证了各接头刚度模型的有效性,将对盾构衬砌结构梁-接头模型计算理论的应用起到重要的推动作用。