地铁盾构隧道衬砌结构变形及破坏探讨

盾构隧道衬砌结构的变形与破坏模式受接头的力学性能控制,但目前国内地铁盾构隧道接头形式多样,不同形式的接头对整环结构受力性能的影响机理还不清晰。基于足尺试验,分别研究单环、多环的国内典型地铁直螺栓接头衬砌结构、弯螺栓接头衬砌结构、快速接头衬砌结构的受力性能,对比分析其正常运营状态的变形、周边扰动下的破坏模式与极限承载力。结果表明：①通缝拼装盾构隧道衬砌结构的性能由纵缝接头性能决定,提高纵缝接头延性可使结构破坏模式从接头处连接件脆性断裂转变为结构整体失稳;②错缝结构性能取决于环间相互作用强弱,随着环间相互作用的增强,结构首个塑性铰位置从纵缝接头向管片本体转移;③可通过环间、环内的协调设计,优化结构正常运营状态基本受力性能,提高结构极限承载力并使结构发生延性破坏。     

盾构管片整环足尺寸模型试验研究综述

在地铁施工和运营期间,盾构管片在不良工况影响下经常出现变形过大和承载力降低等问题。以优化盾构管片受力和提高安全性能为目的,国内外学者通过整环足尺寸模型试验对管片变形性状和破坏关键性能点进行了大量研究。依据试验对象的不同,分别从未加固类管片和加固类管片对研究现状进行了总结和阐述,明确盾构管片结构整体变形、管片内力、接缝变形、管片裂缝、混凝土应变、接缝螺栓、管片错台量等发展情况,总结管片受力变形规律、极限承载力及破坏特征。明确国内外研究的不足,进一步优化加载装置、加载方式和加固技术,对未来该领域的研究提出进一步展望。     

通缝拼装盾构隧道结构极限承载力的足尺试验研究

针对轨道交通通缝拼装的盾构隧道结构的承载性能,进行结构的足尺静载试验。具体介绍试验方案和加载方案的设计,提供结构变形、管片裂缝、接缝变形和连接螺栓受力的发展情况以及破坏过程等试验结果;对结构的承载性能和破坏机理进行分析。足尺试验研究表明:试验结构的破坏由不同部位接缝混凝土先后受压破坏形成,属梁铰机制;管片接缝是隧道极限承载力的关键断面;周边卸载工况下结构的承载力安全系数比顶部超载工况小,对盾构隧道结构的承载更为不利。     

盾构管片纵向接缝承载力原型加载实验

在地铁区间盾构隧道的衬砌环结构的设计中,管片间接头处往往是结构的薄弱部位。为验证纵向接缝的极限抗弯承载力,采用新型液压加载装置,针对国内地铁区间隧道常用的通缝拼装的管片纵向接缝进行了足尺加载试验。得到接头在压弯工况下的极限弯矩和极限变形,同时总结归纳了接头达到承载力极限状态的破坏现象,为纵向接缝力学性质的研究提供了一些参考。     

地铁盾构隧道纵向接缝承载能力试验研究与解析分析

当前地铁运营实践和研究表明管片接缝是盾构隧道衬砌结构的薄弱环节,接缝的受力性能直接决定了隧道结构的承载能力。依托于整环试验研究结论,以盾构隧道管片纵缝接缝为研究对象,对不同运营工况下管片接缝的承载性能进行了足尺试验研究,获得不同工况下构件挠度、接缝转角等变化规律,得到转角刚度。分析得到了纵缝接缝的破坏链条,推导了可模拟接缝受力全过程的解析模型分析了纵缝接缝的全过程受力性能及其极限承载力。并借此模型对接缝截面与全截面受力变形进行对比分析,通过试验数据与解析模型数据的对比分析验证解析模型的合理性。     

使用图像分析研究隧道衬砌管片的位移变化

以复合材料加固前后的盾构隧道管片为对象,进行了盾构隧道管片在侧向荷载作用下变形能力和极限承载力的整环加载试验,使用图像处理技术对加固前后衬砌圆环管片接缝两侧的位移变化进行了研究。根据加载过程中不同时刻的试验图像,使用粒子图像测速技术得到了不同时刻、不同位置接缝两侧混凝土管片的位移变化情况。结果表明:未加固阶段管片顶部接缝处管片表面位移相对较小,两侧位移变化不相等,封顶块位移大于邻接块位移,加载结束时最大位移发生在封顶块位置;整环加固后,封顶块位移大于邻接块位移,加载结束时裂缝开始扩展;加固前后位移变化幅度大小次序依次是封顶块、标准块、邻接块和底块,破坏最先发生位置是封顶块和邻接块的连接位置;使用复合材料加固后,各处接缝两侧管片位移变化幅度及整体位移变化量均小于加固前,管片承载力增加,强度明显提高。本文结果对研究隧道衬砌破坏机理有一定的参考价值。     

螺栓连接装配式多层剪力墙抗震性能试验研究

提出了一种应用于装配式多层剪力墙结构水平接缝与竖向接缝的螺栓连接节点.设计了4个分别带有竖向与水平接缝连接节点的装配式多层剪力墙试件,为了其结构性能,试件的配筋率有所放松且未设置边缘构件.通过进行抗震性能试验,得到了螺栓连接装配式多层剪力墙构件的破坏模式,分析了其受力机理.研究结果表明,螺栓连接装配式多层剪力墙受力特点与装配整体式剪力墙区别较大.装配式多层剪力墙试件破坏模式为水平接缝的弯曲破坏,初始刚度、承载力和延性可以满足多层结构的能力需求,但应分别验算构件和水平接缝的承载力;所有试件水平接缝未发生剪切破坏,带有竖向接缝剪力墙的竖向接缝在层间位移角超过1/300后出现显著滑移,各预制部分逐渐独立受力,超过1/167后完全失效.建议螺栓连接的装配式多层剪力墙在进行结构分析时,在小震作用下采用整体墙肢模型,在中震和大震作用下采用独立墙肢模型.     

输气盾构隧道原型管片接缝弯压破坏试验

长距离输气盾构隧道常需穿越复杂地层，接缝作为衬砌结构的薄弱环节，构造复杂，在大弯压荷载下变形易超出设计要求而导致破损。为探明接缝的压弯力学特性和破坏机理，选取原型弧形接缝结构进行加载试验。详述接缝影响范围内管片受力、变形、破坏的全过程，定量分析破坏程度与结构内力、形变的关联。结果表明：偏心距可影响接缝变形的挤压、隆起趋势从而影响结构的弯矩分布。在压弯作用下，接缝经历了螺栓屈服前缓慢变形阶段、屈服时突变阶段和屈服后快速变形破坏阶段。接缝破坏时变形量较小，两侧被压溃的混凝土范围约等于管片厚度。破坏机理可归纳为：螺栓屈服导致接缝张开，致使弹性密封垫下部接触受压区面积减小、压强增大造成混凝土压溃，进而外弧边沿嵌缝槽处混凝土受压接触并最终压溃，导致接缝破坏。     

侧向荷载作用下公路隧道衬砌损伤演化分析

为了研究侧向荷载作用下隧道衬砌的损伤演化机制,采用1∶10相似模型试验分析了隧道结构在侧向荷载下的受力变形特征、破坏形式和损伤过程,基于试验结果利用数值计算反演分析了衬砌结构刚度衰减规律。研究表明:侧向荷载下隧道受力变形过程分为4个阶段:弹性受力阶段、拱腰开裂阶段、保护层局部破碎剥离阶段、结构软化破坏阶段;结构破坏模式表现为拱肩位置的斜剪破坏,关键部位破坏顺序为“拱腰开裂—拱肩脆性剪坏—拱腰延性破坏”,破坏时形成三铰拱可变体系。衬砌结构刚度在拱腰开裂后快速衰减,结构丧失承载力时刚度衰减幅度为84%;考虑隧道安全性评价,以结构技术状况评定值为界,结构在无破损、轻微破损、中等破损、严重破损、危险状态下的刚度折减系数分别为0.95、0.57、0.33、0.21、0.16。     

通缝拼装盾构隧道衬砌结构抗倒塌性能的试验研究

针对周边卸载工况下通缝拼装盾构隧道衬砌结构的失效机制,提出拟静力试验方法,并完成衬砌结构抗倒塌性能足尺试验。基于试验成果与现象,对衬砌结构受力全过程进行分析,并对衬砌结构的破坏模式、极限承载力和整体安全度进行分析讨论。通过试验和计算得出结论:意外事件下衬砌结构的破坏属梁铰机制,当结构体系出现足够多塑性铰时,利用虚功原理可预估衬砌结构的极限承载力。采用结构的荷载储备比作为安全指标,周边卸载工况下衬砌结构整体安全系数可达到1.62。     

综合管廊变形缝抗剪锚筋往复加载试验研究

现浇钢筋混凝土综合管廊变形缝发生变位,会使廊内连续布置管线沿纵向产生附加内力,影响管道安全。为限制综合管廊变形缝处的变位,工程采用在缝间设置抗剪锚筋。为研究综合管廊变形缝处抗剪锚筋的力学性能和抗震延性,以成都天府新区某综合管廊工程为背景,以抗剪锚筋布置方式、锚筋数量以及抗剪锚筋锚入长度为参数,通过4个整体结构缩尺模型的往复加载试验,对采用抗剪锚筋连接的综合管廊变形缝受力性能和抗震延性进行较为系统的研究,得到试件的破坏形态和破坏现象、力 位移曲线及延性系数。试验研究结果表明：综合管廊变形缝处设置的抗剪锚筋具有良好的延性和抗震性能;试验条件下的抗剪锚筋锚入长度均未出现锚固失效;试件破坏现象以抗剪锚筋断裂为主,并伴有混凝土大幅度开裂;试件的极限承载力大小与抗剪锚筋配置数量成正比;仅侧壁布置抗剪锚筋相对于四周均布置抗剪锚筋,极限承载力大小无明显变化,极限位移相对更大,延性性能相对较差。     

通道开口对超大直径盾构法车站结构力学行为影响研究及结构优化

针对狭窄空间地铁车站施工困难以及明挖施工造成道路长期封堵等工程现状,提出采用顶管法结合超大直径盾构隧道暗挖地铁车站的工法.针对工法中拆除管片后,未拆除管片轴力骤降,附近纵缝剪切和抗弯性能降低的结构特性,同时也为体现管片空间力学特征,文章提出采用基于荷载-结构模式的壳-接触计算模型,研究在拆除管片和拆除内部支撑的两个关键...     

冷弯方钢管柱-H型钢梁外伸端板单向螺栓连接节点性能试验研究

为研究冷弯方钢管柱-H型钢梁外伸端板单向螺栓(hollo-boh)连接节点的静力性能,对3个足尺寸的边柱节点进行了静力加载试验,试验研究参数为端板厚度和柱壁厚度.通过分析试验现象得到了不同端板厚度、柱壁厚度下单向螺栓连接节点的静力性能及破坏机理等,绘制了弯矩-转角曲线,对节点核心区各组件的应力-应变曲线进行了详细的分析...     

圆钢管混凝土K型焊接管板节点受力性能试验

为研究格构式钢管混凝土风力发电机塔架K型焊接管板节点的受力性能,进行了4个圆钢管混凝土K型焊接管板节点的单调静力加载试验和1个空心圆钢管K型焊接管板节点的对比试验,探讨了该类节点的破坏模式、极限承载力以及节点区应力分布和发展规律,研究了各试验参数对节点受力性能的影响。试验结果表明:塔柱内混凝土的填充使得焊接管板节点的破坏模式由节点交汇处塔柱管壁塑性变形失效转变为节点板失效和腹杆失效;节点的极限承载力大幅增加,变形减小;节点几何参数和构造参数的变化对试件受力性能的影响较大;当节点板中部设置加劲肋时,节点的承载力提高,节点板平面外失稳得以避免;当节点极限承载力由腹杆屈曲或屈服承载力控制时,在一定范围内随着腹杆与塔柱管径比和壁厚比的增加,节点的承载力提高。     

装配式波纹钢结构连接部位轴压力学性能试验研究

为探索装配式波纹钢结构连接节点的轴压力学行为,以无节点构件作为对照组,以预紧力矩和螺栓间距作为参数变量,开展波纹板轴压试验,研究波纹钢构件螺栓节点受力性能及其对极限承载力的影响,分析构件破坏形态和承载力变化。建立有限元模型,将模拟的构件破坏形态和荷载-位移曲线与试验数据进行对比验证,总结了不同螺栓排数下的构件破坏形态,得到了波纹钢螺栓连接部位荷载-位移特征曲线。结果表明:栓接波纹钢构件破坏形式分为波纹板变形破坏和螺栓孔变形破坏两种; 4排螺栓连接的波纹钢构件与无节点波纹钢构件破坏形态均为波纹板屈曲破坏; 随着预紧力矩的增加,构件滑移荷载和构件承载力峰值不断提高,当超过标准力矩20%时,滑移平台消失; 构件发生螺栓孔变形破坏时,荷载-位移曲线在峰值位置处延性较优; 研究成果可为装配式波纹钢结构连接部位设计优化提供参考。     

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。     

不同拼装方式下盾构隧道管片衬砌受力与破坏模式模型试验研究

管片拼装方式通常包括通缝拼装和错缝拼装两种形式,在不同工程中均有应用,拼装方式的不同直接造成管片衬砌结构体系上的差异,导致相同荷载条件下结构受力及破坏形态的显著差异。以狮子洋隧道为工程背景,采用相似模型试验方法,对比分析不同拼装方式对管片衬砌结构的力学特性及破坏特征的影响规律。试验结果表明：拼装方式对管片衬砌结构的力学性能及破坏形式影响显著,通缝拼装方式整体刚度相对于错缝拼装方式较小,衬砌结构发生失稳时,通缝拼装方式极限承载力最低,其临界失稳位移最大,在管片衬砌结构开始发生宏观破坏后迅速进入失稳阶段,承载力丧失具有突发性,衬砌结构破坏最为严重|错缝拼装提高了管片衬砌结构的极限承载能力,结构从局部出现宏观裂纹到发生整体失稳的过程较长,具有明显的渐进性特征,其中错缝拼装方式CF2的失稳开始荷载最大,临界失稳位移值最小,失稳破坏过程的渐进性明显,有利于管片衬砌结构承载及防水的需求。     

盾构隧道管片接头抗弯承载力计算模型研究

盾构隧道管片接头承载力的计算是管片设计和服役性能评估的重要部分和关键部分,针对形式相同而细部构造不同的管片接头,提出一套适用于其抗弯承载力计算的理论方法十分重要。鉴于此,文章基于接缝面的不连续特征将接缝面进行适当分区,建立盾构隧道管片接头抗弯承载力计算模型,并给出对应的求解算法。将理论模型的计算结果与接头足尺试验结果进行对比分析,验证理论模型的正确性,然后采用该计算模型对管片接头抗弯承载力进行分析与讨论。结果表明：管片接头抗弯承载力曲线具有明显的非线性特征,随着轴力的增大,接头极限弯矩呈先增大后减小的趋势。混凝土强度对于接头抗弯承载力的影响较为显著,而螺栓强度和螺栓直径对于接头抗弯承载力的影响程度受轴力控制,轴力较小时,上述两参数的增大对于接头抗弯承载力的提升效果明显,轴力较大时效果逐渐减弱,当轴力高于某一阈值后,螺栓对于接头抗弯承载力无影响。文章所提出的抗弯承载力计算模型与研究结果以期为盾构隧道结构设计、试验和性能评估提供重要参考。