基于Timoshenko梁理论的车辆荷载下沉管隧道振动预测

考虑车辆荷载影响,将沉管隧道管节等效为置于黏弹性地基上的Timoshenko梁,改进传统柔性接头等效模型,考虑接头阻尼作用,建立沉管隧道管节动力响应计算模型。依据Timoshenko梁理论,推导管节竖向振动微分方程,采用数值方法对管节位移响应进行求解。依托宁波甬江沉管隧道工程,分析车辆荷载下沉管隧道管节中点和端部的竖向位移响应情况,计算接头两端最大竖向位移差,并进行单因素影响分析。研究结果表明:江中段管节竖向位移较岸边段大,管节中点竖向位移较管节端部大,最大竖向位移达到3.7 mm;各接头参数相同的情况下,岸边接头的竖向位移差较中间接头大,最大竖向位移差达到1 mm;地基分布弹簧系数、接头刚度和车速对管节竖向位移幅值影响较大,而在安全车距范围内,车流密度对管节竖向位移幅值影响不大。     

考虑管土效应的潮汐荷载引起沉管隧道管节沉降研究

利用三角函数拟合潮汐荷载,计算潮汐荷载作用下河床土层的一维非线性固结沉降。基于Winkler地基模型,依据潮汐荷载和土层沉降反算不同时刻的等效基床系数。考虑接头作用,建立管节–接头计算模型,分析潮汐影响下的沉管隧道管节竖向位移。依托宁波甬江沉管隧道工程,计算管节中点和接头竖向位移随潮位的变化,并将理论计算结果与实测结果进行对比分析。研究结果表明:J2接头截面竖向位移计算变化量与实测变化量较为吻合,表明本文提出的理论计算方法合理;潮汐影响下甬江隧道沉管段的浮动范围为4～8 mm,最大浮动量出现在E3管节中点截面,其中日浮动量和年浮动量分别达到6.9和7.4mm;同一管节截面的年浮动量稍大于日浮动量,且呈现正相关性;同一管节中,中点浮动量大于接头浮动量,而不同管节的同一位置截面中,越靠近隧道中点的浮动量越大。     

沉管隧道差异沉降容许值的计算

作为一种重要的跨越交通工具,沉管隧道逐渐被广泛采用。由于其结构的特殊性,管节接头是整个沉管隧道的薄弱环节,在地基刚度不均匀变化、上部不均匀载荷等因素的共同作用和影响下,沉管隧道不可避免地会发生差异沉降,并且过大的差异沉降对沉管隧道安全造成直接威胁。通过弹性地基梁的沉管隧道纵向计算理论,结合沉管隧道各管节沉降监测数据,计算出沉管隧道各管节的容许差异沉降值。结果表明各值均在容许值之内,说明该沉管隧道结构目前处于安全状态。     

预应力锚索对沉管隧道接头力学特性影响研究

沉管隧道接头作为整个隧道中的薄弱部位,其力学性能的好坏关系到整条隧道的防水和结构安全。为了分析预应力锚索对沉管隧道接头力学性能的影响,本文基于文克勒地基,建立了港珠澳沉管隧道荷载-结构法三维有限元模型,采用"初始应力法"对预应力锚索进行了模拟。考虑地基不均匀变化,通过对比分析施加预应力锚索对沉管隧道节段总体沉降,接头变形量,内力等的影响,得到以下结论:(1)施加预应力锚索能提高管节整体刚度,减小地基不均匀引起的差异沉降;(2)预应力锚索能有效控制节段接头的相对变位。     

车辆荷载下沉管隧道动力响应有限元分析

依托宁波甬江沉管隧道工程,利用MIDAS GTS NX软件建立沉管隧道三维有限元模型。采用非线性弹簧模拟接头,选取影响接头刚度的主要部件,依据各部件材料特性对接头各向刚度进行取值。通过对路床网格节点添加线性变化的荷载来模拟车辆行驶,对管节及接头产生的动力响应进行分析。结果表明,有限元计算结果与理论计算结果得到的管节中点竖向位移幅值接近,说明有限元模型的可靠性;江中段管节中点竖向位移较岸边段大,靠近岸边的接头两端竖向位移差较中间接头大;车辆荷载下沉管段最大主应力的最大值出现在沉管段北端的顶板处,且靠近岸边的接头剪力和弯矩大于中间接头,需要重点监测。     

沉管隧道接头竖向压剪力学性能研究

沉管隧道法如今已经受到许多国家的关注,并得到了广泛的应用,逐渐成为了水下隧道建设的第一选择。而沉管隧道中,接头是重要的组成部分,同时也是相对薄弱的位置。因此,管节接头的力学性能对沉管隧道结构的安全性有重要影响。本文依靠实际工程背景,根据沉管隧道接头的构造特点,并考虑接头各构件材料的非线性特征,通过有限元软件建立精细化的沉管隧道管节及接头力学模型。研究分析了GINA橡胶止水带的材料特性以及接头竖向钢剪力键在剪切作用力下的受力及变形机制,得到了接头竖向抗剪刚度和在极限荷载作用下剪力键可能出现的破坏模式,并探讨了不同轴向水压力对沉管接头竖向剪切特性的影响。     

沉管隧道结构纵向受力理论计算模型研究

考虑地基弹性抗力系数K随时间的变化,采用简支梁模型和弹性地基梁—简支梁复合模型,对沉管隧道管节沉放对接阶段结构纵向内力分布进行计算分析。改进半柔半刚性接头等效模型,采用定向支座结合剪切弹簧对接头进行模拟。考虑临时垫块的影响,对现有沉管隧道运营期结构受力计算方法进行修正。依托舟山沉管隧道,对管节结构纵向内力进行分析。研究结果表明:改进的接头模型可实现弯矩传递和两端位移差的限制,具有一定的合理性;某一管节沉放对接完成后,相邻的上一管节临时垫块部位的负弯矩发生较大幅度增大,可能引起该处顶板环向开裂;运营阶段管节临时垫块部位和桩基支承部位的负弯矩较大,需要重点监控。     

基于Timoshenko-Pasternak模型的多向受荷桩水平动力响应分析

为弥补传统动力Winkler地基梁模型在单桩水平动力响应分析中的不足,基于Timoshenko梁理论和Pasternak地基理论,建立同时考虑土体剪切效应和桩身剪切变形的Timoshenko-Pasternak模型.首先,从土体三维波动方程出发,借助微分变换解耦土体方程,利用分离变量法结合桩土边界连续性条件求解桩周土水...     

超长沉管隧道纵向地震响应频域分析方法

中国目前还没有专门的沉管隧道抗震规范,且以往的地震响应分析方法考虑的因素不够全面,比如通常忽略隧道惯性的影响、不能考虑复杂地基条件、不能考虑沉管底部非一致地震激励以及不能考虑土体动刚度系数和阻尼系数的外部激励频率相关性等。基于此考虑,在借鉴日本水下隧道抗震设计规范所推荐方法(响应位移法)的基础上,利用Winkler地基梁理论和快速Fourier变换技术,建立了动力Winkler地基梁频域分析方法。最后,分别采用响应位移法和本文所提之分析方法对港珠澳大桥海底沉管隧道工程进行了纵向地震响应计算,对两种计算方法作了讨论和评价,并提出了一些对港珠澳沉管隧道工程抗震设计具有参考价值的结论和建议。     

甬江沉管隧道运营期接头监测数据安全性分析

沉管隧道接头的力学性能是其安全运营的关键。通过宁波甬江沉管隧道23 a的运营期接头沉降的监测数据分析,找出了沉管隧道在软土地基中产生的不均匀沉降与沉管隧道接头各种形变的关系,讨论了甬江沉管隧道在23 a运营期间的不均匀沉降的规律。其次,建立GINA止水带的受力模型,计算了由于接头变形导致的GINA止水带受力的问题,并检验了接头止水的安全性。最后,提出了在隧道运营期间,可通过强制位移法利用隧道沉降监测数据对结构进行安全性评估的方法。     

考虑地基水平摩阻的Winkler地基Timoshenko梁分析

考虑地基水平摩阻的影响,建立Winkler地基上Timoshenko深梁的平衡方程,导出微分方程的初参数解和传递矩阵法,利用初参数解建立有限元列式和单元内均布荷载、集中力、集中力偶等非结点荷载的等效公式。当地基水平劲度系数为0时,地基退化为传统的Winkler地基,当梁的抗剪劲度无穷大时,Timoshenko梁退化为Euler梁,该模型是一种较为通用的模型。利用传递矩阵法和有限元法分析在均布荷载和集中力共同作用下的两端自由Timoshenko梁及在集中力、集中力偶和分布荷载共同作用下的二端自由阶梯梁弯曲问题,讨论Winkler地基、双参数地基、考虑水平摩阻的Winkler地基梁的挠度、转角、剪力、弯矩变化。算例结果表明:传递矩阵法结果与有限元结果完全一致,可相互验证其正确性,有限元精度不依赖于单元划分密度,水平摩阻对弹性地基梁有较大影响。     

沉管隧道管节接头专项检测及分析

沉管隧道管节接头作为整个隧道系统中最敏感、最薄弱的部分,其力学特性复杂,可靠性直接关系到整个隧道的运行安全.为规范沉管隧道管节接头检测工作,结合某座沉管隧道管节接头检测和监测数据,阐述了沉管隧道管节接头的检测内容,并对重点病害数据进行了综合分析,明确了管节接头的使用情况,同时提出了沉管隧道管节接头的相关检测和养护重点供...     

锁脚锚管受力分析的双参数弹性地基梁模型

 针对Winkler地基梁模型的固有缺陷,将能够反映地基连续性的Pasternak双参数地基梁模型引入到锁脚锚管–钢拱架的联合承载分析中,考虑锁脚锚管与钢拱架之间的变形协调与荷载传递,采用结构力学和弹性地基梁理论推导锁脚锚管挠度、剪力、弯矩和地基反力的解析表达式。分别通过算例和工程实例考察不同地基基床系数和剪切刚度对锁脚锚管力学行为的影响规律,并与Winkler地基梁模型进行比较。结果表明：基床系数越小,2种模型计算所得锁脚锚管剪力、弯矩以及地基反力等的差异越明显;由双参数模型所得的地基反力数值较大,而且分布范围更小,主要集中在锁脚锚管端部附近区域;由双参数模型所得的隧道下沉量要小于Winkler模型的计算值。给出了适当减小锁脚锚管长度,并增大其直径的建议。研究成果可为软弱围岩隧道支护设计提供理论参考。     

堆载作用下土体分层特性对地铁隧道纵向变形的影响研究

随着城市化进程的不断推进,地铁隧道附近可能会出现不同形式的地表堆载,将对地铁隧道的健康状态产生不利影响。现有的方法多是基于Boussinesq解求解地表堆载引起的附加应力,无法考虑土体的分层特性。首先采用Fourier积分变换得到了直角坐标系中竖向荷载作用下层状地基附加应力的基本解;然后将下卧隧道视为Timoshenko梁,基于Winkler地基模型和两阶段法求得隧道纵向位移和内力。为考察地基土成层性对既有隧道性状的影响,对上软下硬、上硬下软两种典型层状地基中的隧道进行了参数分析。结果表明：地基土成层特性对隧道形状影响比较大,相比而言,隧道下卧土层控制沉降的效果要优于隧道上覆土层。     

堆载作用下土体分层特性对地铁隧道纵向变形的影响研究

随着城市化进程的不断推进,地铁隧道附近可能会出现不同形式的地表堆载,将对地铁隧道的健康状态产生不利影响。现有的方法多是基于Boussinesq解求解地表堆载引起的附加应力,无法考虑土体的分层特性。首先采用Fourier积分变换得到了直角坐标系中竖向荷载作用下层状地基附加应力的基本解;然后将下卧隧道视为Timoshenko梁,基于Winkler地基模型和两阶段法求得隧道纵向位移和内力。为考察地基土成层性对既有隧道性状的影响,对上软下硬、上硬下软两种典型层状地基中的隧道进行了参数分析。结果表明:地基土成层特性对隧道形状影响比较大,相比而言,隧道下卧土层控制沉降的效果要优于隧道上覆土层。     

甬江沉管隧道运营期接头监测数据安全性分析

沉管隧道接头的力学性能是其安全运营的关键。通过宁波甬江沉管隧道23a的运营期接头沉降的监测数据分析,找出了沉管隧道在软土地基中产生的不均匀沉降与沉管隧道接头各种形变的关系,讨论了甬江沉管隧道在23a运营期间的不均匀沉降的规律。其次,建立GINA止水带的受力模型,计算了由于接头变形导致的GINA止水带受力的问题,并检验了接头止水的安全性。最后,提出了在隧道运营期间,可通过强制位移法利用隧道沉降监测数据对结构进行安全性评估的方法。     

深开挖后土体卸荷导致隧道隆起变形的算法

为提高隧道施工的安全性，对基坑施工造成的隧道变形情况的计算方法进行了研究。对导致隧道发生隆起变形的影响因素进行了分析，并对基坑土体发生损失造成的隆起变形进行简化处理；对基坑开挖后土体卸荷导致的隧道附加荷载和隧道的地基梁刚度采用了两阶段分析法进行了计算；最后，借助有限元分析方法对西安市2号线上方市政施工导致的隧道变形进行了模拟分析。研究结果表明：采用Pasternak模型，Winkler模型和Kerr模型对隧道变形进行了计算，发现Kerr模型的求解结果更加准确。     

被动状态下地埋管线的地基模量

 地下工程基坑、隧道开挖产生的自由土体位移场会引起周边地埋管线(如市政给排水管线、煤气管道等)产生附加变形并受力。基于Winkler地基模型的位移控制分析方法,将自由土体位移作为外部荷载即被动位移施加于管线上,管线与土体的相互作用采用Winkler地基弹簧模拟,弹簧常数一般根据Vesic公式得到。在基于弹性理论的推导中,Vesic公式的前提条件是弹性地基梁置于弹性半空间地表,竖向集中力或弯矩(主动荷载)置于梁的中心位置,这与地埋管线的一定埋深以及位移的施加情况是不一样的。为考虑上述2种因素对Winkler地基模量的影响,进行相应的理论探讨,提出考虑埋深影响的位移作用下地基模量的理论公式,并基于该地基模量进行隧道开挖对邻近地埋管线影响的位移控制理论分析。通过与弹性理论法、离心机试验以及实际工程观测结果的对比,验证该方法的合理性和正确性。     

沉管隧道离心模型试验及数值模拟

沉管隧道在开挖及回填过程中基底应力分布特征及其与沉管结构的变形特性分析在隧道工程中占重要地位。通过以港-珠-澳沉管隧道天然地基段某一横断面为研究对象,对整个施工过程进行不同垫层厚度的离心模型试验及有限元计算模拟,揭示沉管隧道天然地基开挖回弹及回填再压缩应力分布及变形特征、沉管结构的应变特征及垫层厚度对其影响,为沉管隧道的施工及地基处理方案设计提供参考。结果表明,开挖卸荷使基底产生拱形分布回弹。回填后基底应力呈马鞍形分布,仅中间部分应力随时间及回淤增加而增大;沉管底板应变呈马鞍形分布,工后应变量变化不大。垫层厚度变薄使基底应力分布匀化效果差,回填再压缩量及工后沉降量变大。     

考虑水平摩阻和双重剪切的弹性地基梁分析

考虑地基水平摩阻和抗剪能力及梁的剪切变形影响,建立双参数地基Timoshenko深梁的平衡方程,导出微分方程的初参数解和传递矩阵法,利用初参数解建立有限元列式和单元内均布荷载、集中力、集中力偶等非结点荷载的等效公式。当水平摩阻劲度系数为0时,地基退化为传统的双参数地基,当抗剪劲度系数为0时,可进一步退化成Winkler地基,当梁的抗剪劲度无穷大时,Timoshenko梁可退化成Euler梁,因此本模型是一种通用模型。利用传递矩阵法和有限元法分析不同地基模式对在跨中集中力偶作用下两端自由Timoshenko梁的影响、水平摩阻对在集中力、集中力偶和分布荷载共同作用下的一端铰支一端自由阶梯Timoshenko梁的影响。算例结果表明:传递矩阵法结果与有限元结果完全一致,可相互验证其正确性,有限元精度不依赖于单元划分密度,水平摩阻对弹性地基梁有较大影响。