基于接头抗弯刚度非线性的壳-弹簧-接触-地层模型的建立

管片接头抗弯刚度与接头处所受弯矩和轴力相关,具有明显的非线性特性,导致隧道整体力学机理变得复杂。通过计算发现,接头抗弯刚度对结构内力有较大影响。因此,建立壳-弹簧-接触-地层模型,其中接头抗弯刚度根据接头处的受力情况调整,反复迭代计算得到衬砌的真实受力状态,简称迭代模型。通过大比例尺室内试验对模型计算结果进行了验证,然后采用该模型对狮子洋隧道复合地层中衬砌受力进行了计算分析,并与接头抗弯刚度恒定模型（简称恒定模型）进行了对比研究。结果表明:相对于恒定模型,迭代模型的刚度取值与模型实验更为接近,因此得到的结果也更为可靠;对于复合地层而言,恒定模型与迭代模型所得结果差别较大,且该差异随着软弱层厚度与隧道直径比值的增大呈增加趋势;当盾构隧道结构所处岩层较均匀时,全环各个位置处接头刚度值差别不大,此时若输入适当的接头刚度值,恒定模型也可以得到较为准确的计算结果。     

既有盾构隧道管片衬砌结构病害、成因研究

针对既有盾构隧道管片衬砌结构的主要病害及其成因开展研究。首先，通过调研和查阅相关文献，了解、总结、分析既有盾构隧道管片衬砌结构的病害发生条件、发展过程及对盾构隧道功能的危害。其次针对不同工程水文地质条件、不同使用功能、不同隧道规模等主要因素，并综合施工工艺流程、营运环境等具体因素，分别对盾构隧道管片衬砌结构病害的成因进行分析、总结。综合分析得出盾构隧道管片衬砌结构的主要病害有很多，包括衬砌结构错台、渗漏水、衬砌结构破损与开裂、材料劣化、纵向不均匀沉降等。最后对主要病害的成因进行了透彻的分析、研究。该研究对今后盾构隧道的修建及养护有很大的作用。     

一种提高管片隧道衬砌结构抗内爆炸性能的工程措施研究

地铁等城市隧道是恐怖爆炸袭击的主要目标之一。盾构管片隧道由不同类型的预制混凝土管片通过接头处的紧固螺栓拼装而成的。由于接头的存在,与整体式衬砌结构相比,其整体刚度和承载水平比较弱,变形和破坏机理与整体式衬砌结构不同。考虑内爆炸的恐怖袭击条件,目前关于管片隧道衬砌结构抗内爆炸的研究成果很少。从分析全尺寸管片内爆炸试验结果入手,分析了内爆炸荷载作用下管片衬砌结构变形和破坏规律,梳理出控制衬砌结构破坏的关键因素和关键位置,提出一种在接头螺栓处添加柔性垫圈来降低与螺栓接触区域管片的破坏程度的方法,以期达到优化衬砌结构抗内爆炸性能的目的。最后采用数值模拟方法,对所提出了抗爆减爆工程措施进行了分析研究。结果表明,该方法可以有效减小管环在接头处的局部破坏,提高管片衬砌的抗内爆炸性能。     

近距离下穿既有盾构隧道的隧道钻爆降振技术研究

以广深港客运专线益田路隧道为工程背景,对爆破作用下既有盾构隧道管片的振动响应进行研究。结合应力波理论计算了盾构隧道管片的爆破振动速度安全允许值,并利用现场数据进行验证;结合既有隧道的现场监测数据,分析了管片的振动速度变化规律,提出了减振措施和优化爆破方案,确保既有盾构隧道的运营安全。结果表明:爆破施工过程中,既有隧道衬砌管片最大振速达到7.19 cm/s,小于计算的9 cm/s安全允许振动速度,管片接缝无损伤,计算的衬砌管片安全允许振动速度可为类似工程提供参考;钻爆法近距离下穿既有盾构隧道时,采用电子雷管起爆技术,并结合适当的减振措施,可以有效降低既有隧道衬砌管片的爆破振动速度,确保结构安全稳定。     

基于分布式光纤监测的盾构隧道管片变形受力反演分析

为研究盾构隧道变形受力分布情况,依托于某盾构隧道进行了分布式光纤监测。在盾构隧道管片预制期间,将分布式光纤沿环向布设于管片内部钢筋笼的上、下表面。分别在管片安装后及变形稳定后进行了分布式光纤监测,得到管片内部真实应变分布。基于所得连续的应变数据,利用已经提出的反演分析方法计算出了监测期间管片的位移、内力及外荷载分布。反演计算结果表明,隧道监测期间盾构隧道的变形模式为向左的斜椭圆与整体环向压缩的耦合变形。由内力分布可知,在管片接头处内力的波动明显,这是由于管片接头处刚度变化导致的。为反映这种波动,管片设计中更宜采用梁-弹簧模型。给出了管片结构的破坏包络图,将反演分析所得内力值标注其中,并选取危险截面进行了结构安全校核,计算结果证明隧道管片受力安全。     

基于全寿命劣化分析的海底盾构隧道管片安全保障对策研究

管片接头是海底盾构隧道衬砌结构的薄弱环节,在海水的高压力与腐蚀环境的持续耦合作用下,其劣化性能严重影响整个海底盾构隧道衬砌结构的安全。本文在分析既有管片接头侵蚀劣化研究成果的基础上,引入隧道服役时间因素,建立可实现海水压力渗透与氯离子侵蚀的管片接头全寿命侵蚀劣化分析模型,分析了全寿命周期(100年)内海底隧道管片接头的渐进式侵蚀劣化规律,重点研究了海水压力与氯离子浓度对管片接头侵蚀劣化及钢筋锈蚀的影响,并基于全寿命周期内的侵蚀劣化分析,提出保障海底盾构隧道管片衬砌结构长期安全的最经济、最合理的对策。     

差异变形下地铁盾构隧道结构动力响应研究

地基沉降、临近施工扰动导致的工后差异变形广泛存在于我国已建地铁盾构区间隧道中,对服役期内隧道结构性能造成不利影响。基于赫兹非线弹性接触理论模拟轮轨接触关系,考虑车辆、轨道、隧道、围岩的空间结构特征和相互接触关系,建立了车-轨-隧-围岩一体化计算模型,计算了基坑开挖致使盾构隧道隆起变形后列车运行引起的结构动力响应。结果表明:隧道隆起变形加剧了轨道结构和隧道结构的动力响应,基坑边缘和中心位置处的衬砌环接头混凝土动应力变化较为剧烈,衬砌拱顶、拱底处的纵向接头螺栓剪力受影响较大,而拱腰处的环向螺栓内力变化幅度显著。     

盾构隧道衬砌结构应力与变形的三维数值模拟与模型试验研究

结合广州地铁三号线盾构隧道工程实例,提出钢筋混凝土衬砌结构三维非线性有限元计算模型,应用非线性有限元程序ANSYS分析了上部和周围土体荷载作用下衬砌的应力场与变形情况。结构计算模型采用三维实体单元,考虑了衬砌与周围土体的共同作用、土体和钢筋混凝土材料的非线性性质,通过模型刚度折减考虑了管片接头的不连续性对衬砌应力和变形性质的影响。为验证数值分析结果,进行了衬砌结构的相似模型试验。给出了衬砌结构的应力场、应变场、结构整体位移以及裂纹的分布图。     

盾构隧道管片衬砌的平板壳-接缝元-地基系统模型研究

基于Mindlin平板理论及钢筋混凝土分层组合式模型,提出了平板壳-接缝元-地基系统模型.模型以所构造的接缝元模拟管片衬砌间力的传递,可体现管片中钢筋、接缝处各种构造对衬砌结构力学性能的影响.模型在对管片接缝的模拟中以较容易确定的止水、衬垫、螺栓和混凝土等材料的力学及几何指标替代了传统方法中不易确定的接缝刚度指标,可更...     

考虑剪切作用的盾构隧道管片接头力学模型研究

目前使用较广泛的盾构隧道管片接头研究模型往往视切向为刚性,大多考虑了轴力与弯矩的共同作用而忽视了剪力作用。然而剪切力可能会使接头位置发生剪切位移,严重时可能引起管片剪切破坏、隧道错台等。该文将轴向、切向和转动三个方向的位移作为已知荷载,分别推导接头区域内螺栓与混凝土结构的刚度矩阵,然后对刚度矩阵进行合成,得到管片接头考虑剪切时的力学模型。并以狮子洋盾构隧道工程为依托,对比了有限元法与该模型的计算结果。研究表明,模型与有限元法计算的结果规律相同,两者具有较好的一致性。该文建立的模型考虑了轴向、剪切及弯曲三个方向上荷载的耦合作用,使之更符合接头的实际情况。研究成果对补充管片接头力学模型有一定参考价值。     

Study of the collapse mechanism of shield tunnels due to the failure of segments in sandy ground

Catastrophic tunnel collapses usually start with the partial failure of tunnel linings. However, research on the mechanism of such progressive collapses is limited. Among such collapses, a considerable number of accidents have arisen from the construction of a connecting passage, which requires removing segments at the springline. Therefore, in this study, a series of customized model tests were conducted to investigate the mechanism underlying tunnel collapse due to this operation. The test results showed that the inrush of the sand due to the removal of a certain segment at the springline may lead to the loss of soil resistance around the openings, resulting in a sudden increase in the bending moments of the adjacent linings. In particular, an increase in the cover-depth-to-diameter ratio (C/D) can aggravate the development of the maximum bending moment, although it has little influence on the affected length of the tunnel. To address the load sustained by the segments and joints during collapse that the model tests fail to show, 3D numerical analyses based on the load-structure model were performed. Via comparison with existing failure criteria for both segments and joints, the safety of the adjacent tunnel linings can be evaluated.     

沉管隧道地震响应的三维非线性数值模拟方法及应用

介绍了沉管隧道的传统抗震分析方法,针对上海某沉管越江隧道的非线性地震响应问题,提出了基于显式有限元和高性能计算上的大规模数值模拟仿真方法。建立了包括地基土、沉管隧道以及柔性接头在内的全三维分析模型,单元数和节点数均超过百万。充分考虑到土壤、橡胶等多个对象的材料非线性,以及土体-沉管间、柔性接头-管段间的接触非线性因素,最后利用动态显示算法及其关键技术进行了基于高性能计算机的大规模地震响应分析。计算结果描述了地基土-沉管隧道体系在地震荷载作用下的相互作用和整体变形,同时对沉管及柔性接头等关键部位进行了深入分析,从而为沉管隧道的抗震设计研究提供参考。     

含间隙铰的机械多体系统动力学模型

对四类间隙铰模型(连续接触模型、有限元模型、经典碰撞模型和接触变形模型)进行分析比较，给出了经典碰撞和接触变形模式的含间隙多体系统动力学模型。经典碰撞模式的动力学模型着重考察系统动力学的整体行为，不能预测碰撞过程中铰关节局部接触力的变化历程。接触变形模式的多体系统动力学模型考虑了碰撞体间的法向和切向接触力，以及阻力矩，能够求解系统运动过程中间隙铰轴销与孔体的碰撞力。采用间隙铰的非线性弹簧阻尼模型，研究了重力场及其方向性对空间可展机构动力学性能的影响。计算结果表明，无重力与有重力环境时含间隙可展机构动力学行为有较大地差别，重力作用使间隙铰内碰撞减弱。为了保证在地面试验中可靠地预测在太空展开性能，可展机构在地面试验时应采取重力补偿措施。     

利用球形弹簧摆对输电塔风振控制的有限质点法

为了研究球形弹簧摆对输电塔结构的风致振动控制效果,通过分段等刚度梁单元建立输电塔简化模型。给出了空间梁系结构基于Timoshenko梁理论的单元内力计算公式,并应用有限质点法对简化模型及其与球形弹簧摆的耦合系统进行风致响应分析。一方面,球形弹簧摆由于内共振性质实现非线性能量阱,从而增加振动抑制频带的宽度,提高了鲁棒性;另一方面,球形弹簧摆和结构的非线性耦合,使得顺风向的振动能量部分转移到横风向,尽管增大了横风向响应,但是降低了结构的总体响应。计算结果表明球形弹簧摆减振效果非常好,当将其安装在除塔顶外的三个位置时,位移最大值和加速度均方根减振率分别为32.5%~41.7%和35.7%~65.2%。保持质量比和安装位置不变,验证了球形弹簧摆具有较宽的设计频带。使用球形弹簧摆可以显著减小位移标准差,有利于降低结构的疲劳损伤风险。     

盾构隧道新型分布榫式管片结构的局部原型试验研究

大直径盾构隧道在穿越复杂地层或水下环境时,环间常设置加强措施以控制环间错动与张开变形.为探明环间设置分布式凹凸榫的新型分布榫式管片结构力学特性与破坏机理,针对佛莞城际狮子洋隧道所采用的环间分布四榫式原型管片,开展了考虑相邻环错缝拼装组合的局部原型试验,详述了结构变形、环缝错台、接缝张开的变化规律与特征,对裂缝发展规律与...     

A global bolted joint model for finite element analysis of load distributions in multi-bolt composite joints

This paper presents the development and validation of a global bolted joint model (GBJM), a highly efficient modelling strategy for bolted composite joints. Shell elements are used to model the composite laminates and the bolt is represented by a combination of beam elements coupled to rigid contact surfaces. The GBJM can capture effects such as bolt–hole clearance, bolt-torque, friction between laminates, secondary and tertiary bending in the laminates as well as the load distribution in multi-bolt joints. The GBJM is validated using both three-dimensional finite element models and experiments on both single- and multi-bolt joints. The GBJM was found to be robust, accurate and highly efficient, with time savings of up to 97% realised over full three-dimensional finite element models.     

Mock-up experiments on permeability measurement of concrete and construction joints for air tightness assessment

Concrete permeability is subject to various test conditions, and on-site measurement at in situ structural scale is much preferable. This paper presents an experimental study to measure the permeability of concrete linings and their construction (placing) joints between old and new concretes using a novel in situ permeability testing system. Using the developed system, we performed in situ scale permeability tests of rectangular concrete specimens with dimensions of 500 × 500 × 2800 mm³, within which the construction joints were artificially placed. From this model experiment, we verified an effective applicability of the system to both low permeability concrete matrices and highly permeable construction joints thanks to its selective capability of gas or water permeability test, depending on the air/water tightness of tested materials. The experimental results presented in this paper also showed that the intrinsic permeability of the construction joint could be higher than that of the concrete matrices by orders of magnitude (10¹–10⁴ times), but it could be reduced to as low as those of the concrete matrix by pasting a bonding agent on the interfacing surfaces. As a result of geomechanical monitoring during the experiment, the opening displacement of construction joints with relatively higher stiffness values showed a reversible deformation when the gas injection pressure was unloaded, which is much preferable in a storage performance perspective of underground lined rock caverns.     

Crack development in concrete structures due to imposed strains—Part I: Modelling

In the present paper, a technique for the modelling of crack development in reinforced concrete structures exposed to imposed deformations is described. In a second paper, parametric studies are performed for a wall fully restrained at the base. The objective of this research is to improve the control of cracking in engineering design. A two-dimensional Finite Element model with fournode elements is used to simulate concrete. Closing forces in cracks are modelled with spring elements. The spring stiffness is estimated from bond stress—slip relations for reinforcement and tension softening of concrete. Yield of reinforcement is also included in the model. Temperature change is used as load and the calculations are performed stepwise with opening of nodes and implementation of spring elements.     

考虑节点转动刚度的圆管杆件结构自适应有限元分析方法

为了判断杆件结构的有限元分析精度对节点转动刚度是否敏感,并据此调整杆件结构的离散方式,根据Zienkiewicz-Zhu后验误差估计理论,定义了正应力范数来衡量有限元的计算精度,推导了考虑节点刚度的梁单元节点力-位移公式,并以试算得到的梁/杆单元的两节点位移作为边界条件,根据半刚性节点位移-力的公式,给出了杆件需要采用梁单元、杆单元、梁+弹簧单元离散的节点刚度范围,然后通过试算确定杆件结构的合理离散方式。在ANSYS中用APDL语言实现以上算法,并以2个简单结构为例说明了该算法的流程并验证了它的正确性。