盾构隧道管片接头三维有限元分析

钢筋混凝土管片作为盾构隧道最基本的结构单元,其承载力影响管片环的整体性能。接头对管片环有削弱作用,使得对接头力学行为的分析显得尤为重要。通过对盾构隧道管片接头进行精细的三维有限元分析,得到接头的极限荷载及极限荷载下的应力、裂缝分布。研究发现,正弯矩作用下的接头强度取决于接头的局部强度;接头极大降低了管片环的整体承载能力;螺栓等连接件与管片混凝土之间的强度匹配也影响了管片接头强度。     

基于塑性损伤的盾构隧道双层衬砌三维实体非连续接触模型研究

 在分析基于梁-弹在分析基于梁–弹簧模式和壳–弹簧模式盾构隧道双层衬砌数值模型的基础上,分别建立依据接合面接触状态不同划分的盾构隧道双层衬砌三维实体复合结构和叠合结构计算模型。该模型通过混凝土塑性损伤模型表征混凝土的非线性特性,考虑管片内置钢筋对结构力学性能的影响,采用已有模型模拟钢筋屈服、硬化和软化现象,建立三维螺栓实体代替弹簧单元模拟管片接头,真实反映盾构管片之间、管片与连接螺栓及管片与二次衬砌接合面的接触情况。以广深港狮子洋隧道双层衬砌为工程实例,建立2种计算模型进行研究,通过与依托同样工程背景下的相似模型试验管片和二次衬砌内力和位移结果进行对比分析,两者具有较好的一致性,验证了该模型模拟盾构隧道双层衬砌结构力学行为的准确性和适用性。研究结果表明：(1) 双层衬砌在受力过程中管片与二次衬砌在局部存在非协调变形,接合面发生分离现象,出现零压区。(2) 由于封顶块构造的原因,封顶块对应位置二次衬砌易出现应力集中现象,该位置轴力和弯矩变化不均匀,管片与二次衬砌接合面接触压应力较其他位置偏大。研究成果对盾构隧道双层衬砌的设计分析具有一定的参考价值。     

考虑接头正接触非线性的盾构#br# 隧道管片接头力学模型研究

因盾构隧道接头传力具有显著的接触非线性,接头力学分析一直是盾构隧道结构分析的难点。文章针对盾构隧道管片接头在轴力和弯矩作用下的非线性变形问题,提出一种新的接头力学分析思路,通过引入刚性面假定、基于位移的接头力学建模方法、反平方根滤值函数,建立管片接头正接触非线性力学模型。研究发现：接头具有多种接触状态,反平方根滤值函数可以有效的反映接头正接触非线性;管片接头力学性能可由管片混凝土和螺栓力学性能两部分描述,其中管片混凝土变形能力与位移偏心距有关,螺栓变形能力主要与预紧力有关;从狮子洋和南京长江盾构隧道的试验数据对比来看,接头正接触非线性力学模型是合理的,接头力学模型性能与接头试验结果基本吻合。     

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。     

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。     

盾构隧道管片接头受力的精细化三维有限元分析

盾构隧道通常由预制混凝土管片构成，管片间存在大量接缝。国内盾构隧道管片环内力常用计算方法中的梁-弹簧法能充分考虑纵向接头的位置，采用旋转弹簧和剪切弹簧模拟接头作用，与实际情况最为接近。但该方法中接头割线抗弯刚度kθ的取值主要通过经验类比或现场接头试验确定，尚无现成公式或图表可用。与耗资巨大且费时较长的接头加载试验相比，有限元数值模拟方法方便快捷，可进行多工况的重复分析。针对管片接头建立精细化三维有限元模型，研究管片接头的受力特性，分析管片接头kθ的影响因素，为kθ取值提供参考。     

盾构管片接头模型法向弹簧刚度确定原则研究

本文针对不设传力衬垫的盾构管片接头的罚函数接触算法和节理单元模型中的控制性参数－法向接触刚度和法向弹簧刚度的取值原则问题进行了相关研究,研究表明:法向弹簧刚度取值过小,将导致引入的计算误差过大,同时,取值也不能太大,更不能取为无穷大,以避免引起方程组病态而导致计算结果失真;弹簧类模型所引起的计算误差在理论上不可能完全消除;Lagrange Multiplier接触算法可完全消除弹簧类型模型引入的计算误差,但计算结果与试验结果相差较大;接头承受轴力越小,则Lagrange Multiplier接触算法计算结果与试验结果相差越大。同时,Lagrange Multiplier接触算法不能解释转动刚度与轴力关联现象。     

盾构法隧道管片衬砌纵缝接头受力模型的研究

本文在研究已有接头模型的基础上，引入了相应简化假设，推导出了盾构法隧道管片平面型接头力学模型，利用该模型不仅能够得到表征接头抗弯性能的M-θ曲线、接头转角及张开量等，而且还能确定接头面处接触受压区的受力状态，这使得能够从接头受力张开以及接头面混凝土接触受压两个方面更加可靠和全面地判断接头是否处于安全状态。此外，文中还建立三维有限元模型对接头进行了弹性分析，通过对所推导模型与三维有限元模型分析结果的对比分析，发现两者之间吻合较好；这表明在弹性阶段，文中提出的模型能较好反映纵缝接头的受力状态。     

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。     

盾构管片接头接触面缺陷模型分析

为合理确定盾构管片接头节理单元（goodman单元）法向刚度,首先采用经典弹性接触理论与试验结果进行了对比,在经典弹性接触理论的接触面光滑、弹性假设与试验数据发生背离的背景下,提出了“接触面缺陷”假设,认为计算模型中的节理单元实质上是用来描述物理模型中的因“接触面缺陷”引起的初始非线性位移,而节理单元法向刚度实质上是轴力与接触面初始非线性位移关系的割线刚度。并以此为基础,提出节理单元法向刚度的确定方法以及相应的验证方法。与试验数据的比较和验证表明,以本方法确定的参数进行的反分析结果与实测的管片轴向位移以及弯矩-转角曲线非常吻合,本方法可得到试验数据的有力支持,是可行的。     

盾构隧道管片接缝气密性模拟方法与影响因素分析

盾构隧道穿越含气地层时,施工对地层的扰动易引发气体泄漏,气体易由盾构管片接缝处进入隧道内部,极易引发爆炸等灾害.依托穿越长江高压含气地层的苏通GIL综合管廊工程,较系统地研究了影响盾构管片接缝面气体泄漏的主要因素,并提出对应改进措施.通过接缝室内模型试验,分析了气压加载下接缝面气体泄漏的全过程,从而揭示了气体在不同泄漏...     

盾构衬砌管片接头内力-变形统一模型及试验分析

首先在钢筋混凝土管片系列接头试验的基础上,总结提出了接头弯矩-相对转角关系的线性、双线性和非线性模型,以及接头轴力-相对轴向变形和剪力-相对剪切变形关系的分段式模型,并给出了用于描述荷载偏心距和螺栓初始扭矩对于接头刚度影响的理论模型。其次,基于平板型和弧型管片接头的受弯试验结果,分别给出了在有无防水密封垫情况下各类转动刚度模型参数的取值方法,提出了不同条件下的转动刚度模型选择依据,研究了不同螺栓初始扭矩和轴力对接头转动刚度取值的影响;基于平板型管片接头剪切试验结果,分别给出了在有无防水密封垫情况下三阶段剪切刚度模型的参数取值方法。研究结果验证了各接头刚度模型的有效性,将对盾构衬砌结构梁-接头模型计算理论的应用起到重要的推动作用。     

地铁盾构隧道管片受力分析

盾构管片接头刚度系数一直是影响盾构管片设计计算结果正确性的直接影响因素。通过建立盾构管片及弯曲螺栓的三维非连续介质模型,以及设置合理的管片接头接触模型,消除了接头刚度系数对计算结果的影响。对盾构管片在实际荷载作用下的受力与变形情况进行研究。研究表明:管片拱顶与拱底接头向内侧张开,两侧拱腰接头向外侧张开。非连续介质模型中,盾构管片的分块拼装形式以及管片间连接螺栓单元的设置改变了管片环的整体刚度,管片接头附近出现了不均匀的波浪形云图。相对于惯用法模型,三维非连续介质模型的轴力值在接头处有明显突变,并且其最大正弯矩值小于惯用法模型计算结果。两种计算方法得出的最大负弯矩值相差不大,本次研究取得的成果对盾构管片设计工作有一定的参考价值。     

热力盾构隧道先盾后井施工衬砌接头变形机理与控制

先盾后井是热力盾构隧道建设中一种高效经济的施工工法。结合中国首例大断面热力盾构隧道工程,基于纵向等效连续化模型和弹性地基梁理论,对施工过程中衬砌接头受力特征和变形机理进行了分析,并提出控制措施;然后建立了衬砌接头全断面接触面单元数值模型,对控制效果进行分析和评价;最后通过现场监测,得到了不同施工阶段管片纵向轴力及接缝变形规律。研究结果表明:先盾后井工法施工中,衬砌接头变形分为两个阶段:基坑开挖及管片拆除,其中管片拆除为接头变形的主因,基坑施工中,基底卸荷产生的负弯矩作用于隧道上,导致邻近竖井管片底部轴力减小、环缝张开,拆除基坑内管片时,作用于端头管片的残余盾构推力和螺栓预紧力消失,导致管片纵向轴力进一步衰减,环缝二次张开;根据现场监测结果,提出的对邻近竖井的管片纵向拉紧并复紧连接螺栓,进行混凝土铺底及衬砌背后二次注浆的控制措施能够有效控制轴力损失,减小接头变形,施工中环向接缝最大张开量3.51 mm,满足隧道防水要求;采用全断面接触面单元建立的数值模型可以较为精确地模拟施工中管片接头力学行为,其结果可作为控制效果评价参考依据。     

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。     

考虑衬砌接头的土-盾构隧道有限元模型初探

本文作者详细推导了由梁单元和衬砌接头单元组成的混合单元的刚度矩阵,形成了考虑衬砌拉头的土－盾构隧道有限元模型。利用有限元法计算了考虑衬砌接头和不考虑衬砌接头两种情况下衬砌的内力和衬砌的变形。由计算可知,衬砌接头对衬砌的轴力和位移影响相对较小,但对衬砌的弯矩影响较大,因此在盾构隧道的抗震设计中必须考虑衬砌接头的影响,否则将使设计趋于保守。