类矩形盾构隧道纵向抗弯刚度分析

类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度是分析其纵向受力变形的重要参数。基于等效连续化模型的基本原理,建立类矩形盾构隧道纵向等效连续化模型,推导得到类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度解析解。通过参数分析,研究螺栓、管片宽度、厚度和截面形状等参数对类矩形盾构隧道纵向抗弯刚度有效率的影响。研究表明,由于类矩形盾构隧道截面的特殊性,在建立等效抗弯刚度模型时,需分别对中性轴在隧道腰部和拱底两种不同的情况进行讨论;增加螺栓数量和加大管片宽度可提高类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度有效率,中性轴位置随着上移,环缝受拉张开区域减小;增加管片厚度可增加隧道绝对等效抗弯刚度,但是等效抗弯刚度有效率下降,中性轴位置下移;中性轴位置随着宽高比增大而快速下移,当中性轴位置角度与小圆弧圆心角相等时,中心轴下移曲线发生转折;当宽高比为1时,所得解析解退化为圆形盾构隧道等效抗弯刚度解。     

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。     

盾构隧道管片环纵向接头抗弯刚度值的不动点迭代确定方法

 盾构隧道管片环纵向接头构造复杂,偏压荷载作用下,其变形具有明显的非线性特征,合理的接头抗弯刚度值是运用梁–弹簧模型进行盾构隧道管片环断面设计、计算的前提,而该抗弯刚度值与接头截面处内力组合情况密切相关。针对双衬垫式管片环纵向接头,利用已有简化力学模型,提出一定轴压作用下,接头各变形模式及各模式下的抗弯刚度解析式,并将已有管片接头各工况加载试验的转角实测值与对应变形模式的理论计算值进行对比,验证了其工程设计适用性。根据接头各变形模式下抗弯刚度解析式,结合基于梁–弹簧模型考虑接头刚度差异性的管片环内各纵向接头处截面内力解析式,构造关于管片环内各纵向接头抗弯刚度值的非线性方程组,由数值计算软件Maple编写该接头刚度非线性方程组的不动点迭代求解程序,多次试算最终得到合理的管片环内各纵向接头抗弯刚度值。     

考虑横向性能的盾构隧道纵向等效刚度分析

盾构隧道作为一个三维问题,其横向性能与纵向性能是密切联系的,将其横向和纵向割裂为两个平面问题,虽然可使问题简单化,但无法考虑纵横向性能的匹配关系。在横向修正惯用法的基础上,将横向弯曲刚度有效率引入到纵向等效连续化模型的推导中,对考虑横向刚度影响的盾构隧道纵向等效抗弯刚度进行理论推导,得到了考虑横向刚度有效率的纵向等效抗弯刚度计算式,从而初步将纵向刚度的分析与横向刚度的变化统一起来,进而也说明了盾构隧道纵、横向抗弯刚度的相关性和匹配性。实例分析表明：盾构隧道横向抗弯刚度的大小与纵向等效抗弯刚度关系密切,表现为同方向、近线性关系变化,即纵向抗弯刚度随横向抗弯刚度的增大而增大。     

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.     

南京越江盾构隧道纵向抗弯能力研究

针对南京越江盾构隧道建立了三维有限元实体模型,根据中性轴的位置通过施加节点荷载的方法来施加纵向弯矩.模型中将管片环视为一均质体,采用接触单元来模拟管片环之间的相互作用.纵向螺栓采用梁单元来模拟,并考虑预紧力作用.计算表明,接触面上的受压区仅位于环缝上端很小一部分区域,环缝张开区域较大,但较大裂隙的分布也局限于环缝下端一小块区域.在弹性状态下,螺栓的轴力、最大拉应力与纵向弯矩基本上成线性关系.该工作可为管片结构的设计提供参考.     

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。     

盾构隧道管片接头抗弯刚度简化计算方法研究

考虑盾构隧道管片接头刚度对管片环整体受力的影响,文章采用三维有限元方法,基于不考虑弹性衬垫的接头力学模型,分析埋深、土体侧压力系数、螺栓预紧力、螺栓强度等级4种因素对正、负弯矩区域接头抗弯刚度的影响,建立弯矩-接头转角-侧压力系数三维曲面,推导出接头抗弯刚度在不同侧压力系数下的简化计算公式.     

广义的盾构隧道纵向等效连续化模型研究

 在传统纵向等效连续化模型基础上,考虑横向刚度的影响及纵向环缝影响范围,提出广义的盾构隧道纵向等效连续化模型。以耀华支路磁浮盾构隧道为工程背景,分析得到隧道纵向刚度有效率随横向刚度和环缝影响范围的变化规律。结果表明,随横向刚度减小,截面受压区面积增大,隧道纵向等效刚度有效率减小;随环缝影响范围的增大,纵向等效刚度有效率减小。传统纵向等效连续化模型和修正的纵向等效连续化模型可以看作是该模型的特例。研究结果对盾构隧道纵向稳定性分析具有一定参考价值。     

地铁区间盾构隧道衬砌纵向接头抗弯刚度试验研究

基于衬砌管片接头荷载试验,分析影响纵向接头抗弯刚度的主要因素,研究不同影响因素作用下纵向接头抗弯刚度的变化规律,建立衬砌管片纵向接头抗弯刚度理论计算模型。研究认为:当轴力较小时各种影响因素对纵向接头抗弯刚度影响较大,当轴力达到一定值时各种因素对纵向接头抗弯刚度影响有限;管片纵向接头构造对接头抗弯刚度影响尤为显著。     

连接螺栓对类矩形盾构隧道结构极限承载力影响的试验研究与分析

针对类矩形盾构隧道衬砌结构纵向接缝处弯矩正负性确定的特点,对纵向接缝连接螺栓位置进行了优化。基于结构整环足尺试验结果,对比分析了优化前后衬砌结构整体变形、接缝变形和螺栓应变的发展,研究了优化前后结构设计阶段受力性能、破坏机制、极限承载力和鲁棒性的异同。研究结果表明：①螺栓位置优化对结构设计阶段受力性能影响较小;②优化后结构在带缝工作阶段的受力性能明显提升,结构整体刚度提高,极限承载力提高30%;③优化后结构破坏呈延性破坏特征,属于塑性铰机制,结构结构整体安全性得到提高。     

类矩形盾构施工对地下管线影响的模型试验研究

类矩形盾构隧道开挖使土体以不均匀沉降形式作用于地下管线,导致管线产生纵向变形、破坏。针对类矩形盾构隧道施工,采用室内缩尺寸模型试验,综合考虑管隧相对位置、管线埋深及土体损失率3个影响因素,研究类矩形盾构隧道在砂土地层中施工,地下管线沉降、变形及地表沉降的规律变化。研究结果表明:管隧垂直工况时,管线竖向位移曲线呈高斯分布,竖线位移反弯点出现在隧道轴线附近处,管线弯矩呈"M"型分布,最大竖向位移及弯矩位于隧道轴线正上方;管隧斜交工况所受影响比管隧垂直工况影响更大;管线埋深越大,管线受影响程度越深;管线竖向位移随土体损失率减小相应降低,隧道轴线正上方管线竖向位移与管线最大正弯矩及两个较大负弯矩减小幅度较大,管线两端受影响程度较小;地表沉降受土体损失影响较大,沉降值比管线大。     

大断面类矩形盾构隧道管片接头极限抗剪切#br# 承载力试验研究

类矩形盾构隧道具有断面利用率大、覆土浅、施工成本低等优点,在城市高密度区域具有广泛的应用前景。相较于广泛使用的圆形隧道,类矩形隧道由于自身成拱效应较差,隧道肩部接头结构易产生较大的剪切荷载,有必要对接头的剪切性能进行研究。文章以某大断面类矩形盾构隧道为原型,以混凝土管片接头为试验对象,采用足尺试验方法对其抗剪切性能进行研究,归纳宏观破坏现象,获得了剪轴比（接头剪力/轴力）-相对错台量关系等整体力学响应特性,得到了剪力-螺栓应变曲线和剪力-混凝土表面应变等局部力学响应特性,并引入数字照相分析技术（DIC）对接头结构的开裂破坏全过程进行记录,分析剪切裂缝的扩展规律,最后对结构的抗剪承载性能进行评价。基于试验数据总结了管片错台随剪轴比的“四阶段”变化规律：克服摩擦阶段（剪轴比小于0.4）、间隙闭合阶段（剪轴比为0.4~0.75）、抗剪强化阶段（剪轴比为0.75~2.76）、屈服破坏阶段（剪轴比大于2.76）。试验结果表明,剪切荷载作用下该断面形式的大断面类矩形盾构隧道接头抗剪切屈服剪轴比为2.76,具有较好的抗剪切承载性能。研究成果可以为类似类矩形盾构隧道工程提供理论支撑和技术参考。     

地表堆载下盾构隧道纵向非线性变形简化解析解

既有盾构隧道在地表堆载下将会导致纵向不均匀沉降,威胁地铁列车的安全。目前地表堆载下盾构隧道的沉降预测方法没考虑到土体变形非线性的特点。基于所提的非线性地基模型,推导得到在地表堆载影响下盾构隧道纵向非线性变形简化解析解。地表堆载引起的隧道附加荷载通过Boussinesq解估算,通过连续梁模拟隧道的变形,推导得到在地表附加荷载下盾构隧道沉降的微分方程,引入有限差分法与Newton迭代法相互结合数值求解方法。通过三维有限元结果验证了其正确性,可以为在地表堆载下盾构隧道的沉降变形预测提供理论支持。     

框架中钢-混凝土组合梁等效弯曲刚度分析

框架体系中钢-混凝土组合梁在竖向荷载作用下的弯矩分布与其端部受到的转动约束条件密切相关,而在不同方向的弯矩作用下钢-混凝土组合梁截面的抗弯刚度又差异显著,要准确计算竖向荷载作用下组合梁的等效弯曲刚度必须充分考虑与其相连的梁柱变形对其端部产生的转动约束刚度。为此,采用分段刚度建立了框架中组合梁在竖向荷载作用下的等效刚度理论模型,以考虑不同梁端转动约束刚度和楼板开裂前后截面特性差异对组合梁等效刚度的影响。基于该理论模型进行大量参数分析,识别了影响组合梁等效弯曲刚度的两个关键参数：转动约束刚度与组合梁开裂后截面线刚度比和梁开裂前后截面刚度比,得到了随梁端转动约束刚度变化的组合梁在竖向荷载作用下等效弯曲刚度的计算式,在框架设计时可方便地用于组合梁的变形和内力计算。对比讨论了建议算式和现有公式的计算精度,并通过结构体系的非线性全过程分析对建议算式的合理性做了进一步的验证。理论分析和设计方法表明,组合梁在竖向均布荷载作用下的负弯矩区长度和等效弯曲刚度随梁端转动约束刚度变化显著,必须在设计中准确考虑。     

考虑碳化的地铁盾构隧道纵缝接头抗弯力学模型研究

长期服役的地铁盾构隧道内表面混凝土会产生碳化现象,从而改变纵缝接头的受力性能。针对地铁盾构隧道服役期混凝土碳化典型工况,考虑接缝面细部构造、正常及碳化混凝土不同非线性受力特性、接缝面接触特性以及螺栓预紧等因素,构建可以表征接缝面混凝土压碎、螺栓屈服以及接头极限状态的纵缝接头抗弯力学模型,并结合纵缝接头抗弯足尺试验对碳化后地铁盾构隧道纵缝接头的力学性能进行对比分析,验证工程设计适用性。研究结果表明：采用全积分形式进行纵缝接头混凝土本构关系运算,适用研究混凝土碳化的影响;负弯矩作用下,内表面边缘混凝土接触之前,混凝土碳化无明显的影响;接触之后,随着碳化厚度增加,螺栓应变、接缝张开量及压缩量等最大值均增大,极限弯矩也相应增大,但增幅不断减小;轴力不会对碳化后的纵缝接头力学性能产生明显耦合影响。