盾构隧道环间接头弯曲状态非线性研究

为探明盾构隧道环间接头抗弯性能在纵向弯矩、轴力组合作用下的状态非线性规律,将环间接头力学行为划分为7种变形模式及3种受力状态,分别推导了环间接头转角-纵向弯矩-纵向轴力三者关系的解析表达式与环间接头在不同弯曲状态间转变时的临界内力表达式,并以三维有限元计算对本文提出的解析公式进行验证。研究结果表明:盾构隧道特有的“管片环+接头”非连续结构形式导致环间接头弯曲行为具有状态非线性特征,不同弯矩、轴力组合作用下,盾构隧道环间接头变形模式于不同状态间转变并伴随抗弯刚度突变;纯弯作用下环间接头抗弯刚度为定值,轴向压力可使接头抗弯刚度较纯弯时提高数倍乃至无穷大;拉弯作用下接头抗弯性能维持在两个固定水平值之间,接缝面被完全拉开时环间接头抗弯刚度会随之被削弱数倍。     

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。     

大断面盾构隧道管片接头抗弯力学模型研究

针对大断面盾构隧道复杂接缝面管片接头特点,考虑其接缝面细部构造、混凝土及传力衬垫的非线性力学特性、接缝面荷载传递特性以及接头螺栓预紧作用等因素的影响,建立了能够表征管片接缝面混凝土开裂与压碎、螺栓屈服以及接头破坏的管片接头抗弯力学模型,并结合管片接头抗弯足尺试验对大断面盾构隧道管片接头的抗弯性能进行对比分析。研究结果表明:弯矩较小时接缝面最大张开量增长较缓慢,当弯矩超过一定量值后,接缝面最大张开量显著增长;接缝张开高度超过螺栓位置而使螺栓受拉后,张开高度随弯矩增长幅度逐渐减小并趋于稳定值;负弯时接缝面的张开时机及螺栓的受力时机晚于正弯;轴力越大,接缝面的张开时机越晚,同等大小弯矩条件下张开高度的越小;管片接头抗弯刚度随弯矩增长总体呈非线性减小特点,轴力对于抗弯刚度的保持有益,轴力越大接缝面的抗弯能力越持久。研究结果可为大断面盾构隧道管片接头的设计提供指导与参考。     

钢-混凝土组合梁界面滑移剪切变形的双重效应分析

组合梁界面滑移将减小组合梁刚度,增大变形,影响构件性能。同时组合梁往往重载,具有较小的跨高比,剪切变形不可忽略。根据最小势能原理和变分法,建立了同时考虑滑移效应和剪切变形双重作用的挠度滑移控制微分方程,分析了滑移引起挠度增大的原因,求得了集中荷载和均布荷载作用下的挠度和滑移的解析表达式。该方法物理意义明确,推导过程简单,计算结果与实测结果吻合良好。推导了不同荷载作用下的滑移效应附加弯矩,利用附加弯矩表达公式,可直接利用结构力学挠度计算公式计算滑移对挠度的影响。     

盾构隧道衬砌整环力学机理模型

目前未见有普遍适用的理论公式来表征盾构隧道衬砌结构参数的内在联系。该文首先提出了用“代表性区段”体现整环结构弯曲刚度特征的思想,然后建立了通缝和错缝条件下管片环拼装力学机理模型,接着运用力学模型推导出弯曲刚度有效率和弯矩提高率等参数的取值公式和相互关系式,最后验证了公式的正确性。研究表明:力学模型能够推导出弯曲刚度有效率、管片体弯矩提高率、管片接头弯矩减少率、衬砌结构参数之间的关系公式;管片接头弯矩减小率未必等于管片体弯矩提高率,表明传统采用单一弯矩提高率值的做法不够科学;匀质圆环法还能给出环间接头径向最大剪力取值,并且其结果较为可靠;参数取值公式中有两个重要的中间参数,与环向相对刚度和径向相对刚度具有相似性,应予重视。参数取值理论公式的提出,对揭示盾构隧道整环拼装内在力学本质有着重要价值。     

深部复合地层管片衬砌与可压缩层联合支护技术研究

深埋盾构隧道所受围岩压力主要为围岩挤压型大变形产生的形变压力,其主要特点是变形持续时间长且具有重复性,支护完成后围岩压力仍将持续增大,企图通过增加支护刚度来抑制围岩变形是不现实的,采用让压支护是解决问题的一个方向。同时,深部围岩赋存条件复杂,岩体结构复杂多变,盾构隧道穿越复合地层不可避免。以国内两座大埋深盾构煤矿斜井为背景,采用相似模型试验和有限元数值计算手段,对比分析不同复合地层条件下管片衬砌+可压缩层联合支护时管片衬砌的力学性能。研究结果表明:在模型正确建立且参数取值合理的前提下,有限元数值计算结果可以和相似模型试验结果很好的吻合。均一地层条件下可压缩层可使管片最大弯矩减小12.5%~19.9%,最大轴力减小14.2%。复合地层使管片弯矩量值和分布均产生明显变化,但对管片轴力的影响则不明显,管片弯矩对复合地层抗力更为敏感,而轴力对复合地层抗力不敏感。有可压缩层情况下,复合地层中管片内力分布更加均匀,轴力的变化不明显。复合地层相对厚度对管片最大正弯矩的影响较为稳定,对管片最大负弯矩影响显著,使其产生位置偏向相对较软一侧的地层,且相对厚度越大偏移越明显。"上硬下软"复合地层中管片弯矩更容易受地层相对刚度的影响。     

变刚度变轴力Timoshenko悬臂柱的弯矩放大系数

该文由简到繁,分析了等截面到变截面,同时考虑剪切变形和弯曲变形的Timoshenko悬臂柱的弯矩放大系数。通过求解等截面悬臂柱集中力下的基本微分方程,得到弯矩放大系数的表达式。并在此基础上,研究了悬臂柱的轴力、截面的弯曲刚度和剪切刚度均沿高度线性变化的情况。通过研究获得了弯矩放大系数及其沿高度的变化规律,并拟合成与等截...     

粘弹性饱和土中深埋圆形隧道衬砌-土相互作用

基于Biot理论,采用渗流-力学耦合模型研究分析了粘弹性饱和土体中深埋圆形隧道衬砌-土相互作用问题,并考虑了衬砌材料的徐变特性。假定衬砌和土体完全接触,运用积分变换理论在Laplace变换域中得到了衬砌和土体接触面上的应力、变形及衬砌的薄膜力和弯矩。利用Laplace数值逆变换得到时域中的解,并由此分析讨论了衬砌和土体的相对刚度、阻尼比、以及衬砌的相对厚度对隧道衬砌与土体相互作用的影响。数值结果同时也反映了应力、变形、薄膜力和弯矩的随时间变化过程。     

考虑抗滑移刚度的钢管混凝土柱的荷载传递

提出了钢管混凝土抗滑移刚度的概念,给出了均布荷载和集中荷载作用下钢管混凝土柱的轴力、界面剪应力、界面相对滑移等的解析解,发现在考虑滑移的情况下,钢管混凝土柱的轴压刚度保持不变。对国内进行的39个方钢管混凝土、29个圆钢管混凝土试件的粘结滑移试验进行分析,根据试验数据汇总得出钢管混凝土界面抗滑移刚度的数值。利用ANSYS软件建立钢管混凝土柱模型,分析了顶板厚度对混凝土应力分布和柱轴压刚度的影响,分析结果表明,顶板在增强钢管和核心混凝土共同工作上有着重要作用。     

考虑行波效应的沉管隧道抗震性能:振动台阵试验研究

为研究沉管隧道结构及接头的抗震性能,通过振动台阵试验研究了沉管隧道结构及其接头动力响应特征。试验分别考虑了一致及不同视波速的纵向行波激励,对比研究了行波效应对土和沉管隧道及其接头的影响规律和影响程度。试验结果表明:一致激励下,隧道与土体具有比较一致的整体运动,而考虑纵向行波效应时,土体和隧道产生相对滑移,同时纵向行波效应及其输入方向对接头轴力、弯矩和变形有较大影响,行波效应使得沉管隧道接头的反应趋于不均匀,沉管隧道及其接头进行抗震设计时应考虑行波激励的影响。     

State space formulation for composite beam-columns with partial interaction

A state space formulation is established for analyzing static responses of composite members with partial shear interaction under the combined action of an arbitrary transverse load and a constant axial force. Three generalized displacements (deflection, rotation angle, and interface slip) and three generalized forces (bending moment, shear force, and axial force) are combined into a state vector, which satisfies a state equation whose solution is easily obtained using matrix theory. The interfacial normal contact stress between the two subelements of a composite member is derived in order to check the validity of the basic assumption of identical deflection (or curvature) possessed by the two subelements. We find that, when a concentrated load alone acts on clamped–clamped or clamped–free beam-columns, tensile normal contact stress does appear at certain part of the interface. The formulation is then readily extended to analyze continuous composite beam-columns and inhomogeneous composite beam-columns. In particular, a non-continuous model of slip stiffness along the interface with discrete rectangular pulses is incorporated into the analysis, and the numerical results indicate a significant effect of slip stiffness ununiformity on the critical axial load as well as internal actions of the composite members.     

大断面越江盾构隧道管片拼装方式对结构内力的影响效应研究

大断面越江隧道管片拼装方式对结构内力的影响一直引人关注,由于拼装方式的不同将引起管片结构内力的分布与量值的变化。鉴于此,该文对圆形盾构隧道管片拼装效应的产生机理进行了理论分析,着重探讨了纵向相互作用力对管片环向内力的影响,随后以南京长江隧道为工程背景,对其管片在通缝与错缝拼装条件下结构环向内力分布及错缝拼装下目标管片内力沿圆周及幅宽方向的内力分布规律开展了原型试验研究。结果表明,由于环间的相互作用效应,使错缝结构局部区域弯矩呈现出加强的效果。在纵向螺栓作用区域,管片环向弯矩增幅、轴力降幅较大。沿管片幅宽方向,正弯矩呈“凹”型分布,负弯矩呈“凸”型分布,轴力呈“凸”型分布。该研究结果可为大断面水下盾构隧道的设计、施工和相关研究提供重要参考。     

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。     

组合梁在负弯矩作用下的刚度分析

为探讨组合梁在负弯矩作用下钢梁与混凝土板之间的滑移效应以及混凝土与纵向钢筋之间的粘结滑移对截面刚度的影响,建立了考虑以上两种滑移效应的组合梁受力模型,并结合试验进行了理论推导和对比分析。结果表明,即便按照完全剪力连接设计的组合梁,滑移效应仍在一定程度上产生了附加曲率,使组合梁的截面刚度比按照换算截面法得到的刚度降低(10%~20%左右),在设计时不可忽略。本文同时推导了计算悬臂组合梁挠度的公式,并为有关连续组合梁刚度的进一步试验研究提供了依据。     

地震波斜入射下考虑场地非线性、地形效应和土结动力相互作用的大跨连续刚构桥地震响应分析

基于多源叠加粘弹性人工边界和等效线性化理论,建立了SV波斜入射下考虑场地非线性、地形效应和土-结构动力相互作用的大跨结构动力响应分析计算方法。该文首先给出了SV波斜入射下非线性场地的自由场等效线性化求解方法,然后利用ANSYS有限元软件对一座5跨连续刚构桥和场地建立了有限元模型,计算了考虑场地非线性情况下不同入射角、不同地形和不同场地刚度工况下连续刚构桥的动力响应。计算结果表明:桥墩轴力随着入射角的增大而增大,剪力则随着入射角的增大而减小;局部地形不规则程度对桥梁结构内力放大效应有所不同,地形变化越剧烈,放大效应越明显;土体刚度对考虑土-结构动力相互作用的桥梁结构动力响应有较大影响,土体越软,土-结构动力相互作用效应越明显。     

基于柔度法梁模型的盾构隧道衬砌结构纵向变形计算方法

由于纵向力及螺栓屈服等因素的影响,盾构隧道衬砌结构的纵向抗弯刚度沿隧道轴线分布并不均匀。针对该问题,引入隧道在附加沉降变形条件下的典型内力分布模式构造内力形函数,建立基于柔度法的盾构隧道衬砌结构纵向梁模型,并通过在轴向和环缝两个层次引入数值积分方法进行求解;基于该模型,得到了在柔性边界和刚性边界两种典型边界下沿隧道轴线的环缝变形分布,并讨论了数值积分策略对于计算结果的影响。研究结果表明:纵向力和螺栓屈服的影响在结构纵向变形计算中不可忽略,而考虑以上两点因素后,结构由于受局部集中变形的影响,位移模式将非常复杂,所提出的柔度法模型则能够避免传统刚度法模型在处理该问题上的局限性,从而用很小的计算代价获得较为精确的隧道结构纵向变形。