盾构隧道衬砌结构的壳-接头模型研究

提出了一种新型的盾构隧道衬砌结构计算模型——壳-接头模型。该模型中采用壳单元模拟衬砌管片,管片和管片环之间通过接头联接单元相连。基于对盾构隧道衬砌结构接头力学特性的分析,建立了接头联接单元的刚度矩阵和计算流程,定义了弯曲、剪切和拉压刚度的计算方法,使之能准确模拟接头的力学行为。最后利用壳-接头模型模拟盾构隧道接头原型试验,计算结果与试验较为吻合,验证了壳-接头模型模拟盾构隧道衬砌结构力学行为的准确性和适用性。     

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。     

盾构衬砌管片的壳–弹簧设计模型研究

围绕盾构衬砌管片的设计模型问题,提出了一种新的壳–弹簧设计模型,详细论述了模型的建立过程。运用壳–弹簧模型与梁–弹簧模型分别对衬砌管片通缝和错缝拼装进行对比分析,比较分析了衬砌管片错缝拼装下两种模型计算结果的异同,对盾构管片的设计具有一定的指导作用。     

盾构隧道衬砌内力计算模型比较

结合目前正在施工的南京长江隧道工程实例,详细论述了盾构衬砌结构设计中常用的2种内力计算模型:匀质圆环模型和梁-弹簧模型,比较了这两种模型的计算结果,并从中得出了一些有价值的结论。     

壳-矩阵-弹簧模型衬砌结构受力性能研究

提出了壳-矩阵-弹簧系统模型,模型以平板壳单元模拟衬砌管片,以矩阵单元模拟衬砌拼装的螺栓,以土弹簧单元模拟衬砌与地层之间的相互作用。采用该模型对衬砌管片错缝拼装下的受力状态进行了分析,解决了采用传统的梁-弹簧模型平面应力-应变方法无法准确把握研究区域应力和变形的问题,可真实地反映衬砌管片结构的力学性态。采用壳-矩阵-弹簧模型分析了影响衬砌管片结构受力性能的不同因素,得出了一些有益的结论,以供盾构隧道衬砌结构设计计算参考。     

双圆盾构隧道衬砌不同内力计算模型对比分析

盾构隧道衬砌结构的内力大小及分布规律对衬砌管片的设计和施工控制具有重要的意义,尽管单圆盾构的内力计算模型已经比较成熟,但对于双圆盾构的内力计算仍有待进一步研究.文章拟对目前国内所采用的双圆盾构内力计算模型进行综合分析,并与所建议的双圆盾构梁-弹簧法比较分析表明:在相同边界条件下,双圆盾构衬砌结构的内力解析解获得的轴力和弯矩值一般偏大,数值解最小,而实测值介于二者之间,但不同方法计算结果所表现的分布规律基本一致,证明作者所提出的双圆盾构梁-弹簧模型可为双圆盾构衬砌结构的设计和施工提供参考依据.     

梁单元模拟管片接头的盾构衬砌计算模型

目前考虑接头刚度的盾构非均质衬砌模型需要借助专业有限元软件计算,本文提出了用通用有限元软件来实现该功能的计算方法,即用普通梁单元模拟盾构衬砌管片接头。本文研究了实现该模型的关键问题,即建立起管片接头刚度、环间接头刚度与梁单元的几何参数、物理参数之间的关系。理论推导与数值计算表明:在模拟管片之间的接头时,Timoshenko梁能同时模拟接头的转动刚度、轴向刚度和剪切刚度,而Euler-Bernoulli梁只能模拟接头的转动刚度和轴向刚度;在模拟管片环之间的接头时,Timoshenko梁与Euler-Bernoulli梁均可以实现环间接头刚度的模拟,采用后者时求解梁单元截面参数比前者更简便。该模型能实现专业盾构隧道计算软件的主要功能,从而为盾构衬砌计算提供了一种简单、实用的方法。     

盾构隧道衬砌接头刚度有限元分析

接头刚度是装配式衬砌结构设计的一个重要参数,通过有限元分析软件ANSYS建立了管片接头的平面和空间有限元模型,应用所建立的模型对影响接头刚度的主要因素即管片与管片之间垫层材料的性能和厚度、连接螺栓预紧力的大小及管片接头不同的受力状态进行了系统的分析,为盾构隧道管片设计提供了参考。     

地铁区间盾构隧道衬砌接头的荷载试验

以盾构隧道衬砌接头荷载试验为依据,研究接头强度、受力及变形规律,对衬砌接头抗弯刚度主要影响因素进行分析。研究表明,正偏心荷载作用下接头强度取决于接头局部抗压及抗剪强度,负偏心荷载作用下接头具有足够的承载能力,接头承载力由接缝位移张开量控制;偏心距、轴力、衬垫厚度以及螺栓预紧力对接头抗弯刚度影响较大。     

盾构隧道壳-弹簧模型与梁-弹簧模型的比较

论述了盾构隧道的经典计算模型,针对其不足设计了新的计算模型——壳—弹簧模型,与目前普遍使用的梁—弹簧模型进行计算比较,发现壳—弹簧模型能较好地反映结构的三维受力情况,新模型可为工程设计者提供参考。     

盾构隧道双层衬砌结构三维力学分析模型及验证

在已有双层衬砌梁–弹簧模型的基础上,提出了改进的双层衬砌盾构隧道三维壳–弹簧力学分析模型。该模型采用压杆–弹簧组合方式模拟双层衬砌的结合面力学相互作用,并充分考虑了由盾构隧道管片接缝引起的结构刚度沿环、纵向分布不连续效应。依托武汉地铁8号线越江隧道工程进行建模计算分析,将计算得出的内力数据与现场实测的内力数据进行对比,两者具有一定的一致性,验证了该模型模拟双层衬砌盾构隧道结构三维力学行为的准确性和适用性。研究结果表明:(1)管片内力分布受到环缝和纵缝的影响呈现明显的不连续性,且由于地层岩性不均,管片上部与下部的弯矩亦有较大差异;(2)管片受力稳定后施作二衬,管片自身的内力量值变化较小,二衬主要受到自重作用,内力分布呈现"上小下大"分布规律,其量值与管片相比较小,在建设初期仅起到辅助承载作用。     

空洞对盾构隧道结构受力与破坏影响模型试验研究

通过将渐进性破坏理论应用到盾构隧道管片衬砌结构病害(尤其是管片开裂)产生的破坏分析中,采用相似模型试验方法,通过超载的形式从管片衬砌结构内力及位移、声发射信息、管片破坏过程方面,分析地层空洞缺陷对盾构隧道管片从材料细观损伤到结构宏观局部破坏再到结构整体失稳的整个渐进性破坏失稳过程的影响。试验结果表明:空洞缺陷的存在对衬砌结构的极限承载能力及破坏模式具有显著影响,首先是会降低管片失稳临界点对应荷载值,临界点对应的最大位移值与隧道半径比值减小,其次降低管片结构开始出现宏观裂缝时的荷载值;对于空洞的分布位置,拱肩位置空洞的存在更容易导致结构的失稳,其次拱腰和拱顶;空洞的存在也会改变衬砌结构失稳起始位置的分布,导致失稳起始位置接近或直接位于空洞位置。     

水压作用对通缝拼装管片结构力学性能的影响研究

以苏通GIL综合管廊工程为背景开展了通缝拼装方式下的原型试验,从水压对管片环的受力、形变及抗裂性方面着手,对通缝拼装条件下水压力对管片结构力学性能影响进行了研究。试验结果表明：①通缝拼装管片结构在拱顶位置出现较大的位移,水压力的增大对管片结构拱顶形变和整体椭圆变形的控制有良好的效果,但管片最大单点位移相比椭圆度更易达到限值;②通缝拼装管片结构建议取单点最大形变率2‰~2.5‰作为形变控制标准;③在高水压作用下通缝拼装管片结构的纵缝张开主要发生在封顶块附近,由于该处纵缝密集、结构刚度最小、变形最大所致,水压力的增大对该处纵缝张开有明显的限制作用,且可减小相应连接螺栓的受力;④水压力的增大会较大幅度地提升管片的抗裂性能,并减小管片主筋的拉应力,但也会使主筋的压应力和箍筋应力有较大幅度的升高;⑤水压力的升高在一定程度上提高了管片结构的受力性能,但高水压使管片结构处于高轴压受力状态,易发生纵缝处的压剪破坏,该破坏具突发性。研究成果对水下盾构隧道的设计具有重要的指导意义。     

地表超载作用下盾构隧道劣化机理与特性

对某软土地区地铁盾构隧道进行了调研与分析,发现盾构隧道在现有计算理论所允许的地表超载作用下极易发生横向变形超限,并引发管片纵缝接头破损与渗漏水,对此展开了模型试验、数值仿真及理论分析。研究表明:地表均布超载导致的隧道附加竖向土压力并不是均匀分布,且在隧道中心正上方一定范围内要大于地表均布超载;隧道的穿越土层越软弱,地表超载导致的隧道周围附加土压力对隧道结构抵抗横向变形越不利;隧道发生横椭圆变形过程中,管片纵缝接头是管片环中的最薄弱部位。最后提出了软土地区盾构隧道采用"刚性衬砌"的设计理念,并给出了加大管片纵缝接头强度与刚度的建议。     

输水盾构隧道管片接头力学与变形模型研究

输水盾构隧道的管片受到高内水压的作用,接头的变形问题非常突出,这直接决定了接头的防水构造形式。目前大多数管片环向接头的变形都是根据经验,并参考类似工程选取,这必然带来很大的随机性。而由于时间和成本问题,所有隧道工程都做足尺试验不现实。克服以往接头力学与变形模型的不足,考虑弹性密封衬垫的受力、接头混凝土的弹塑性变化以及螺栓预紧力,建立了接头力学计算模型;考虑了受压区混凝土的压缩变形,螺栓变形和手孔铸铁件的局部变形,建立了一个新的接头变形计算模型。同时进行了隧道管片 1 ∶ 1 接头试验,将试验得到的螺栓拉力和接头变形值与理论计算值进行比较。结果表明：本模型能比较真实地反映接头的受力和变形情况。     

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。     

基于模型试验的盾构隧道纵向刚度分析

为探明盾构隧道纵向变形性能及抗弯刚度有效率的取值,基于模型试验,根据相似理论对通缝、错缝及匀质圆筒模型进行纵向模型试验研究。分别对3种纵向试验模型进行了加载试验,采用数据采集系统测试加载过程中的管片模型的纵向变形,得到了各级荷载下通缝、错缝及匀质圆筒模型纵向变形规律及其抗弯刚度有效率,并对试验结果进行对比分析。结果表明:1盾构隧道纵向变形与荷载基本呈线性关系;2通缝、错缝隧道纵向抗弯刚度有效率分别在0.18~0.39和0.20~0.40;3通缝和错缝隧道的纵向弯曲变形性能基本一致,错缝拼装效应对盾构隧道纵向变形的影响并不明显,研究成果可为盾构隧道的设计提供参考。     

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。