青草沙水源地原水工程输水隧道单层衬砌管片接头荷载试验研究

针对华南地区盾构输水隧洞单层衬砌结构开展原位试验研究,揭示了该结构在真实地层条件下承受内压的受力变形规律,并采用三维有限元模型针对不同围岩条件对单层衬砌结构承载变形特性的影响开展进一步研究。结果表明：在内压作用下,单层管片衬砌结构呈现“横椭圆”变形且向外膨胀趋势,接缝张开量和螺栓应力随内压增加而增大;V类围岩中的单层管片衬砌输水隧洞应综合衬砌收敛变形和螺栓应力判断结构是否达到正常使用极限状态,而IV类围岩中的则以螺栓应力为结构达到正常使用极限状态的控制因素;随着围岩力学性能的提高,围岩分担内压的效果增强,能提高结构的内压承载能力;V类围岩中的单层管片衬砌输水隧洞内外压差不宜超过0.15 MPa,IV类围岩中的内外压差则不宜超过0.25 MPa。

     

输水隧道衬砌管片环向接头力学性态试验

为了解管片接头的力学性态,以上海青草沙输水盾构隧道为研究背景,研制了专门的试验系统,进行了1∶1原型管片接头试验,对管片环向接头的变形规律和相关参数取值进行了研究。研究结果表明:管片接头混凝土、主筋、螺栓最大值等均满足设计强度要求;接头张角和变形规律与螺栓预紧力有关,张角较小,满足隧道防水要求;管片接头抗弯刚度与横向荷载正相关,加载过程抗弯刚度最大值为20 456(kN.m).rad-1,可作为类似工程设计和施工的参考。     

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。     

输水隧道单层衬砌管片接头抗弯力学特性研究

因受到复杂的外部水土压力和较高的内水压力共同作用,单层衬砌盾构法输水隧道具有独特的接头构造。针对上海青草沙输水隧道(岛屿陆域段)单层衬砌管片接头的特点(铸铁手孔,双层螺栓),借助1:1足尺荷载试验及三维非线性弹塑性数值模拟对单层衬砌输水隧道管片接头的抗弯力学特性进行了研究。获得了单层衬砌输水隧道管片接头在不同接头轴力(拉/压力)、不同接头弯矩(正/负弯矩)和不同螺栓预紧力条件下接头张角及抗弯刚度的变化规律;并获得了环向螺栓轴力随接头弯矩的变化规律及管片接头的变形特性,研究成果可供类似工程借鉴。     

盾构隧道施工阶段管片接头刚度试验研究

以广州地铁盾构隧道管片为对象,通过室内足尺试验对施工阶段盾构隧道管片接头的抗弯刚度进行研究,结果表明管片接头刚度呈线性变化,且与管片接头的构造形式密切相关,并随接头内力组合的不同而变化。     

盾构隧道预应力管片接头的模型试验研究

盾构隧道普通混凝土管片接头的抗弯刚度主要是通过现场试验确定,目前尚无现成的公式或者图表可遵循,对于预应力管片这一新型的结构型式则更有必要对其接头的正负转角刚度,为此进行了弯曲的预应力管片接头试验.文章介绍了模型试验的设计及试验过程,通过试验数据分析了影响预应力管片接头刚度的各项因素,如施加预应力的大小、偏心距等,并得出了计算其刚度的经验公式.     

盾构隧道预应力管片接头的模型试验研究

盾构隧道普通混凝土管片接头的抗弯刚度主要是通过现场试验确定,目前尚无现成的公式或者图表可遵循,对于预应力管片这一新型的结构型式则更有必要对其接头的正负转角刚度,为此进行了弯曲的预应力管片接头试验。文章介绍了模型试验的设计及试验过程,通过试验数据分析了影响预应力管片接头刚度的各项因素,如施加预应力的大小、偏心距等,并得出了计算其刚度的经验公式。     

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.     

盾构隧道装配式管片接头有限元分析方法

带接头的管片内力的分析一直是盾构隧道研究的重点。将管片接缝处整体看作为一种材料,采用一种薄层有限单元法,从现有的接头力学模型出发,建立接缝材料的本构关系模拟管片接头效应。该方法能反映实际的接头在受到外力作用时,接头转角刚度变化过程。并且避免了由于接缝构造的复杂性而造成建立有限元模型的困难。     

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。     

盾构隧道结构刚度不连续性对衬砌内力及变形影响分析

盾构隧道衬砌是由若干管片装配而成,管片接头的存在是盾构装配式衬砌的主要特征,管片间接头处的刚度的折减造成了隧道结构整体刚度的降低。笔者根据管片接头双直线型力学模型,提出一种可以真实反映接头转角和弯矩耦合轴力非线性关系的有限元分析方法。结合某采用盾构法施工的输水管道工程,对施工开挖和运行充水工况进行二维数值模拟,计算结果表明,该有限元方法能有效模拟管片接头的力学特点,盾构隧道管片间接头的存在降低了衬砌的刚度,使管片环变形增大。     

高轴压作用下盾构隧道复杂接缝面管片接头抗弯试验

在采用盾构法应对大埋深、高水压等特殊环境时,具有凹凸榫、双侧止水构造的复杂接缝面接头大量运用,在该情况下其抗弯性能较为复杂。文章结合广深港高速铁路狮子洋隧道工程,针对高轴压作用下复杂接缝面管片接头的抗弯性能、破坏特征开展了足尺试验研究,试验结果表明,高压作用下管片接头抗弯刚度在初始段小弯矩作用下增长近似线性,后段呈明显非线性,而且轴力水平越大线性段保持越长;由于负弯曲时管片内侧接触传力区混凝土参与受压,增加了接缝面的抗弯能力,使负弯荷载下抗弯刚度比正弯荷载下抗弯刚度略大。接缝面张开情况随弯矩呈“台阶状”变化,在接缝面线性张开时轴力的增长对于接缝面张开的约束作用不明显,而非线性增长阶段轴力对与张开量的约束明显;止水材料对于接头抗弯刚度的影响很小,在进行管片接头抗弯刚度的设计与计算分析时可忽略不计;正弯荷载与负弯荷载作用时管片接头的破坏过程不同,正弯荷载作用下接头螺栓先于接头破坏,负弯荷载作用下接头破坏时螺栓未破坏。研究结果可为盾构法隧道的设计、施工和相关研究提供重要参考。     

基于接头非线性抗弯刚度的盾构隧道迭代算法的实现与应用

盾构隧道接头环向抗弯刚度反映了接缝在一定的轴力水平下抵抗弯矩作用产生变形的能力,具有典型的非线性特征,设计中对刚度取值的偏差会导致结构变形和内力出现差异。通过将管片接头弯矩-轴力-转角的三维曲面参数编制汇总到数据库文件中,实现接头非线性力学效应向整环模型输入的迭代计算方法。采用接头刚度迭代算法与传统的(修正)惯用法、多铰圆环法、梁-弹簧模型的内力与变形结果进行比较。运用大比尺相似结构模型试验对不同外荷载作用下的计算成果进行验证。最后采用迭代算法对复合地层条件下的衬砌结构进行计算分析,并利用现场实测数据进行验证。研究结果表明:接头刚度影响着衬砌的整环抗弯刚度,对于受力均匀的衬砌结构而言,采用梁-弹簧模型的计算结果与迭代计算模型相差不大,满足工程设计要求;对于上下交叠的软硬程度差异极大的复合地层而言,衬砌结构内力相差较大,采用接头刚度迭代算法的计算结果与现场实测值吻合较好,证实了该算法的可行性和合理性。     

盾构隧道管片接头形式的探讨与选择

针对盾构隧道管片接头的详细研究,简要介绍了目前国内常用管片接头构造及其优缺点,对国外多种新型管片接头连接件进行了分析,初步提出了盾构隧道管片接头形式选择的建议。     

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。     

考虑剪切变形的力矩分配法研究

建立了考虑剪切变形的力矩分配法公式,证明了不考虑剪切变形的力矩分配法公式是考虑剪切变形力矩分配法公式的特例,推导并得出了各种边界条件下,考虑剪切变形的梁端弯矩,剪力计算公式及表格。     

大断面盾构隧道结构横向刚度有效率的原型试验研究

通过对盾构隧道横向刚度有效率的影响因素进行分析,提出了针对大断面水下盾构隧道横向刚度有效率的原型试验求解方法,进而对南京长江隧道及广州珠江狮子洋隧道管片衬砌结构开展原型试验,得出两座隧道管片结构 和 随荷载条件变化的规律。结果表明,在同等荷载条件下,断面越大, 越小,对应 越大,错缝结构的 大于通缝结构。正弯区与负弯区的 不同,对于不同的管片结构型式, 与 的对应关系不同。同时,针对两座隧道不同结构形式给出了 , 的关系曲线,并提出了 10 m 级和 15 m 级水下盾构隧道通缝与错缝条件下 与 的建议值。     

1∶1站立式大断面异形盾构管片力学试验系统的研发与应用

异形盾构管片由于特殊的断面型式,在应用到实际工程前须对其承载能力、力学特征和破坏模式进行研究。提出一种1∶1站立式原型异形盾构管片力学加载方法,构建可重构式的钢结构加载和数据采集平台以及基于PLC闭环控制理论的千斤顶液压控制系统。基于该试验系统,研究自重状态和覆土状态下异形管片结构内力和形变特征,揭示浅埋条件下管片结构自重对异形管片内力和形变的影响规律,获得所研究的异形盾构管片极限埋深为18.5 m,并通过对管片结构内外弧面裂缝分布规律的分析,发现了异形管片明显的弯矩传递现象。