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。     

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...     

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。     

考虑管片环间接头弱化的新建隧道上穿引起既有盾构隧道纵向变形分析

探究新建隧道上穿引起既有盾构隧道的纵向变形规律,对进一步评估并减少新建隧道施工对既有盾构隧道的不利影响具有重要的现实意义。现有解析方法多是将既有盾构隧道简化为搁置于线弹性地基上的等效连续梁,不能考虑隧道管片环间接头的弱化和土体非线性变形特征。首先,引入接头非连续盾构隧道模型和非线性Pasternak地基模型来考虑隧道管片环间接头的弱化及隧道–地基的非线性作用,推导得到新建隧道上穿开挖下既有盾构隧道纵向变形控制微分方程;其次通过有限差分法和牛顿迭代法求解得到既有盾构隧道纵向变形的数值解答;最后,对2个工程案例及常用等效连续梁模型对比验证。研究结果表明：等效连续梁模型计算得到的隧道纵向变形表现为连续特征,而所提方法考虑了隧道接头弱化作用,得到的隧道纵向变形表现为非连续特征,隧道纵向位移和弯矩在接头处会发生突变。通过参数分析可知,增加新旧隧道间净距可有效减少既有盾构隧道的隆起变形、弯矩和环间接头张开量;随着管片长度增加,既有盾构隧道的隆起位移略有减少,但是管片间环间张开量及弯矩随之增大;增加环间接头的刚度可有效减少既有盾构隧道的竖向位移和张开量,但是会导致隧道弯矩增加。     

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。     

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     

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。     

轴力和弯矩共同作用下盾构隧道纵向非线性等效抗弯刚度研究

实际工程中,盾构隧道纵向弯矩和轴力可能同时存在,若按传统的纯弯等效抗弯刚度计算可能会带来较大误差。考虑轴力和弯矩共同作用对纵向弯曲变形的影响,提出5种弯曲模式,在经典的志波模型的基础上,建立盾构隧道纵向等效抗弯刚度计算模型,基于该模型开发了计算程序,以成都地铁3号线盾构隧道为实例,对其纵向等效抗弯刚度和管环张开量随轴力和弯矩的发展规律进行分析,并讨论弯曲模式的实用判别方法,求出变形过程的临界弯矩,最后给出纵向弯曲变形为线性和非线性的内力条件。研究发现:盾构隧道纵向变形随弯矩的发展过程可按轴力分为4类,各过程下管环张开量和等效抗弯刚度随弯矩的发展规律十分不同;轴力对等效抗弯刚度有显著影响,一般呈现压弯纯弯拉弯的规律。研究成果可应用于盾构隧道结构纵向力学分析、抗弯刚度分析等方面。     

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。     

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。     

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。     

地铁盾构隧道管片受力分析

盾构管片接头刚度系数一直是影响盾构管片设计计算结果正确性的直接影响因素。通过建立盾构管片及弯曲螺栓的三维非连续介质模型,以及设置合理的管片接头接触模型,消除了接头刚度系数对计算结果的影响。对盾构管片在实际荷载作用下的受力与变形情况进行研究。研究表明:管片拱顶与拱底接头向内侧张开,两侧拱腰接头向外侧张开。非连续介质模型中,盾构管片的分块拼装形式以及管片间连接螺栓单元的设置改变了管片环的整体刚度,管片接头附近出现了不均匀的波浪形云图。相对于惯用法模型,三维非连续介质模型的轴力值在接头处有明显突变,并且其最大正弯矩值小于惯用法模型计算结果。两种计算方法得出的最大负弯矩值相差不大,本次研究取得的成果对盾构管片设计工作有一定的参考价值。     

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。     

热力盾构隧道先盾后井施工衬砌接头变形机理与控制

先盾后井是热力盾构隧道建设中一种高效经济的施工工法。结合中国首例大断面热力盾构隧道工程,基于纵向等效连续化模型和弹性地基梁理论,对施工过程中衬砌接头受力特征和变形机理进行了分析,并提出控制措施;然后建立了衬砌接头全断面接触面单元数值模型,对控制效果进行分析和评价;最后通过现场监测,得到了不同施工阶段管片纵向轴力及接缝变形规律。研究结果表明:先盾后井工法施工中,衬砌接头变形分为两个阶段:基坑开挖及管片拆除,其中管片拆除为接头变形的主因,基坑施工中,基底卸荷产生的负弯矩作用于隧道上,导致邻近竖井管片底部轴力减小、环缝张开,拆除基坑内管片时,作用于端头管片的残余盾构推力和螺栓预紧力消失,导致管片纵向轴力进一步衰减,环缝二次张开;根据现场监测结果,提出的对邻近竖井的管片纵向拉紧并复紧连接螺栓,进行混凝土铺底及衬砌背后二次注浆的控制措施能够有效控制轴力损失,减小接头变形,施工中环向接缝最大张开量3.51 mm,满足隧道防水要求;采用全断面接触面单元建立的数值模型可以较为精确地模拟施工中管片接头力学行为,其结果可作为控制效果评价参考依据。     

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...