基于结构受力模式主动调整的高速铁路单线隧道预制拼装衬砌设计选型研究

基于荷载-结构模型分析了不同等级围岩条件下350 km/h单线隧道断面整体衬砌内力特征.在此基础上,通过主动调整结构受力,在整体衬砌对应的弯矩极大值处将衬砌结构分为7部分进行预制,分析了不同围岩等级下接头刚度对预制装配式衬砌受力与变形的影响.结果表明:相对于整体衬砌,Ⅲ,Ⅳ,V级围岩条件下预制装配式衬砌最大轴力分别增加5.6%,6.5%,7.3%,最大弯矩分别减少39.9%,43.0%,54.6%,最大横向位移分别增加22.4%,36.4%,64.7%,最大竖向位移分别增加41.8%,44.6%,52.5%;边墙、拱脚和仰拱安全系数略有下降,拱顶和拱肩安全系数大幅增加,接头刚度不宜大于45 MN·m/rad.     

基于结构受力模式主动调整的高速铁路双线隧道预制装配式衬砌的设计选型

基于荷载-结构模型分析了不同围岩等级条件下整体衬砌内力特征,调整结构受力模式,从最大弯矩位置开始将衬砌结构分为7部分,分析了不同围岩等级及接头刚度条件下预制装配式衬砌结构的受力与变形特征。结果表明:与整体衬砌相比,各围岩等级下预制装配式衬砌的最大轴力和最大位移均不同程度增大,最大弯矩均不同程度减小,使隧道结构更加稳定;随着衬砌接头刚度逐渐增大,衬砌结构最大轴力和最大位移逐渐减小,最大弯矩先减小后增大;相对于整体衬砌,接头刚度小于45 MN·m/rad时预制装配式衬砌边墙、拱脚和仰拱安全系数略有下降,拱顶和拱肩安全系数大幅增加,因此接头刚度不宜大于45 MN·m/rad。     

城市铁路明挖隧道装配式衬砌接头性能研究

城市铁路明挖隧道装配式衬砌纵向接头是隧道结构的薄弱部位。采用数值模拟方法研究在弯矩和轴力作用下新型明挖隧道装配式衬砌纵向接头的受力变形规律。结果表明:在轴力和弯矩共同作用下纵向接头受拉侧张开,其破坏以螺栓屈服断裂或受压侧混凝土剥落为标志;随着纵向接头所受轴力的增加,纵向接头能够承受的弯矩逐渐增大;轴力相同纵向接头破坏时所承受的负弯矩比正弯矩大。     

深埋隧道复合式衬砌内力和位移的荷载结构法

研究目的:研究任意形状的深埋隧道复合式衬砌的内力和位移具有重要理论意义和工程应用价值。本文首先通过弹性力学理论,导出轴对称荷载作用下,圆形隧道复合式衬砌的轴力和位移的解析解,并与数值解进行比较,确定初支、二衬间相互作用的杆单元弹性模量的合理取值;之后分析了Ⅳ级围岩中非圆形隧道复合式衬砌的轴力、弯矩和位移,围岩对初支、初支与二衬间的约束作用均采用杆单元模拟,其弹性模量分别取地层和初支的弹性模量;最后讨论了侧压系数对非圆形隧道复合式衬砌力学性能的影响。研究结论:(1)轴对称荷载作用下,圆形隧道初支和二衬的轴力和位移的解析解与数值解的误差不到5%,确定了使用杆单元模拟非圆形隧道初支和二衬间相互作用时,其弹性模量可以采用初支或二衬的弹性模量;(2)非圆形隧道二衬的轴力和弯矩均比相应位置处初支的大,初支和二衬分别在拱腰和拱底取得轴力最大值,均在拱脚取得弯矩最大值,均在拱底取得竖向位移最大值;(3)对于侧压系数在0.1到0.3范围内的Ⅳ级围岩,侧压系数的改变对非圆形隧道二衬最大的轴力、弯矩和位移的影响都比较小;(4)本研究结果可应用于隧道、竖井、管桩等工程结构。     

城区高速铁路盾构隧道轨下预制装配式箱涵结构受力分析

以北京—张家口高速铁路清华园隧道为依托,介绍了隧道轨下预制装配式结构,并从抗滑移、列车动力响应和地震响应3个方面对结构稳定性和安全性进行了数值模拟分析。结果表明:在不考虑预制箱涵结构顶部现浇回填层且忽略箱涵与管片间螺栓连接条件下,列车通过时在峰值压力作用下箱涵结构的最大竖向位移为0.035 mm,最大竖向应力为0.42 MPa;时速300 km列车通过时,预制装配式箱涵结构竖向位移、竖向动应力及竖向加速度的最大值分别为0.036 mm,64.2 kPa,0.84 m/s2;地震荷载(汶川地震波)作用下最大水平、竖向位移分别为4.71,4.67 mm,最大水平、竖向应力分别为9.828 MPa,19.555 MPa。     

衬砌刚度对盾构隧道抗震性能的影响分析

研究目的:提高盾构隧道的抗震性能是保证隧道安全运营、保证人民生命及财产安全的必然要求。盾构隧道抗震减震措施主要有改变衬砌一定范围内围岩的性能和改变结构本身的性能。改变衬砌结构本身性能方面有多种方式,如增加衬砌厚度,改变管片环向或纵向接头方式、改变衬砌刚度等。本文通过数值分析比较不同的衬砌刚度对盾构隧道抗震减震性能的影响,为盾构隧道抗震设计提供参考。研究结论:根据不同衬砌刚度盾构隧道的受力分析,得出单纯提高管片的刚度并不能提高盾构隧道的抗震性能,反而增加衬砌管片的受力。随着隧道衬砌刚度的增加,衬砌结构的位移减少量不足2 mm,因此增加衬砌刚度对约束盾构隧道在地震作用下的变形并不明显。     

既有隧道上方挖方承载拱效应模型试验研究

设计室内模型试验,改变模型中既有隧道的围岩级别和衬砌刚度,采用在既有隧道上方挖方的方式,考察挖方过程中既有隧道围岩压力、衬砌变形和结构内力的变化规律,研究既有隧道的承载拱效应。结果表明:衬砌刚度较大时Ⅴ级和Ⅵ级围岩的承载拱外边界分别位于覆跨比1.3～1.6和1.6～2.2范围内,衬砌刚度较小时Ⅴ级和Ⅵ级围岩的承载拱外边界分别位于覆跨比1.6～1.9和1.9～2.5范围内;衬砌刚度越大承载拱范围越小,围岩级别越差承载拱范围越大;在既有深埋隧道上方不断挖方时,会逐渐对承载拱产生影响,使既有隧道经历无影响(覆跨比大于2.9)、弱影响(覆跨比处于1.4～2.9)和强影响(覆跨比小于1.4)3个阶段;既有隧道上方挖方过程中,拱顶相对其他部位受影响最大。研究成果可为类似近接隧道工程的设计和施工提供借鉴与参考。     

深埋双线铁路隧道衬砌高水压分界值研究

为研究深埋双线铁路隧道衬砌高水压分界值以及高水压作用下的衬砌受力状态,基于双线铁路隧道设计标准,利用有限元软件计算和分析双线铁路隧道衬砌在不同水压作用下隧道衬砌安全系数的变化规律,确定双线铁路隧道衬砌的高水压分界值。研究结果表明:Ⅱ、Ⅲ级围岩条件下水压力在0~0.05 MPa(约等于隧道净高一半)和Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下水压力在0~0.1 MPa(约等于隧道净高)范围内变化时,隧道断面安全系数基本不变。在Ⅱ、Ⅲ级围岩条件下,双线隧道的高水压第一分界值为0.08~0.20 MPa;高水压第二分界值可取为0.40MPa。在Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下,双线隧道的高水压第一分界值为0.12~0.35 MPa;高水压第二分界值为0.50 MPa。双线铁路隧道采用标准设计图进行设计时,能够承受的最大静水头为50 m,超过50 m的静水头,则需要优化断面。     

大断面水下盾构隧道管片接头抗弯刚度及其对管片内力影响研究

以大断面水下铁路盾构隧道-狮子洋隧道工程为研究对象,运用有限元数值分析方法,并结合管片接头原型抗弯试验,研究环向管片接头抗弯刚度,并运用梁-弹簧模型进行接头抗弯刚度对整环管片结构内力影响的研究.结果表明:该隧道管片接头抗弯刚度的取值范围为50～700MN·m·rad-1,在相同轴力条件下,接头抗弯刚度会随接头弯矩的增加降低1个数量级左右;在相同接头弯矩条件下,接头抗弯刚度随轴力的增加而增大;接头抗弯刚度对管片轴力分布的影响微弱,对管片弯矩的影响显著;随接头抗弯刚度的增大,整环管片的弯矩分布趋于均匀;在抗弯刚度取值范围内,极值弯矩相差最大达80％左右,极值轴力最大减小5％左右,变形最大减小20％左右;基于接头抗弯刚度-弯矩-轴力的非线性关系改进的梁-弹簧模型,更能体现接头对整环管片受力的影响,也更适用于大断面盾构隧道管片内力的计算.     

软土地区通缝拼装地铁盾构隧道管片纵缝接头的优化

针对软土地区地铁盾构隧道管片纵缝接头因地表超载易发生破损的问题,考虑软土地层的特性,提出在软土地区盾构隧道横向刚度设计中,采用加大隧道结构刚度和强度的"刚性衬砌"设计理念,对管片纵缝接头进行优化。通过局部或者整体增加管片的厚度,均可增加管片纵缝接头的抗弯刚度,从而明显减小管片环的变形,虽然由此使得管片环的弯矩有所增大,但管片环变形减小的幅度远大于其弯矩增大的幅度;分别设计外张纵缝接头与内张纵缝接头连接螺栓的位置,纵缝接头的连接螺栓应靠近接头张开的一侧;在管片环分块时尽量将管片纵缝接头设计在弯矩较小的位置,同时在满足施工的条件下,尽量减少管片环的分块数量;局部加强纵缝接头位置的管片棱角,以预防管片接头棱角破损;通过合理设计防水密封垫的位置及断面形式,加强盾构隧道管片纵缝接头的防水能力。     

预制装配式地铁车站单榫槽式接头抗弯刚度影响因素分析

预制装配式地铁车站接头是预制装配式地铁车站结构薄弱部位,以长春地铁2号线袁家店预制装配式车站为工程背景,采用数值模拟方法研究预制装配式地铁车站单榫槽式接头抗弯刚度的影响因素。计算结果表明:接头承受弯矩作用是导致接头抗弯刚度减小的最主要因素;增大轴力以及对接头部位注浆对提高接头抗弯刚度具有显著作用;接头部位尺寸参数的改变对接头抗弯刚度的影响程度与接头部位承受的轴力有关。     

预制装配式聚氨酯道床结构研究

提出1种新型预制装配式聚氨酯固化道床结构,依据所提出的设计及施工方案,在国家铁道试验中心建立世界首条预制装配式聚氨酯固化道床试验段,并对预制装配式聚氨酯固化道床、现浇式聚氨酯固化道床结构、普通无砟道床3种轨道结构的静动力特性进行对比试验研究。结果表明:在没有大型养路机械稳定作业的条件下,预制装配式聚氨酯固化道床的纵、横向阻力分别为16.2和13.5kN,具有足够的静态稳定性;在总体轨下结构动位移中,扣件与道床所占的比例约为1∶1,轨下结构刚度匹配合理;预制聚氨酯固化道床结构具有突出的减振效果,分频最大减振效果为29.6dB,对应中心频率为50Hz。     

跨活断层隧道组合支护结构断层错动响应模型试验研究

依托某穿越活断层隧道工程,研发1︰25比例尺多功能断层错动模拟试验装置,开展跨活断层隧道组合支护结构的逆断层错动响应模型试验,针对不同的断层错动位移,研究逆断层错动下隧道组合支护结构的力学响应和破坏特征。试验结果表明：逆断层错动下,隧道结构竖向位移沿纵向呈“S”形分布,结构竖向位移及收敛变形主要分布在断层破碎带及其临近区域,主要影响范围约3.1L(L为隧道衬砌节段长度,480 mm)。随着错动位移的增加,衬砌节段位移差以及竖向相对位移均呈非线性增大,错台现象更加明显。结构应变、结构与围岩的接触压力主要集中在断层破碎带区域,在错动面处发生突变,应变和接触应力峰值均与断层错动位移呈正相关。隧道拱顶纵向应变以外侧受拉、内侧受压为主,仰拱则以外侧受压、内侧受拉为主,且仰拱受断层错动的影响以及对断层错动位移的敏感性均高于拱顶。隧道环向应变沿隧道轴向的分布因结构部位不同而有所差异,整体表现为竖向的向内挤压变形和横向的被动向外变形。结构各区段的接触压力分布规律有所不同,在错动面及断层区域,衬砌与围岩之间存在明显挤压作用,而远离断层错动面的衬砌节段,衬砌与围岩之间存在相互脱离的趋势。隧道组合支护结构断...     

盾构管片接头力学性能数值模拟研究

研究目的:盾构隧道管片接头是管片结构能够稳定承受荷载的重要部分,管片与管片通常采用弯螺栓的连接方式,管片接头的结构构造和功能性相对复杂,使得其力学行为较为复杂,管片接头的力学性能对管片结构的性能具有决定性影响。基于此,针对盾构隧道管片接头力学性能问题,建立三维精细化有限元模型开展数值计算,从管片接头混凝土、螺栓应力及接头力学参数三个方面分析接头弯矩和轴力对管片接头力学性能的影响规律。研究结论:(1)随着弯矩的增大,混凝土第一主应力和第三主应力之间的差距逐步增大,接头接缝面受压区内混凝土处于较为不利的受力状态,尤其是接缝面最外缘区域内,随着弯矩的增大,该区域的范围由接缝面向两侧逐步扩大;(2)弯矩增大导致接缝面张开变形及螺栓Mises应力逐步增大,在相同弯矩作用下,螺栓的第一主应力、Mises应力和水平应力的最大值相等,表明螺栓主要承受水平方向的拉力;(3)正弯矩作用下的接头竖向位移略小于负弯矩作用时的接头竖向位移,说明管片接头正弯变形性能与负弯变形性能存在一定的差距;(4)正弯矩作用下接头变形能力好于负弯矩作用下接头变形能力,在接头转动变形较小时,接头抗弯刚度较大,随着接头转动变形的增大,接头抗弯刚度整体上呈减小的变化趋势;(5)本研究成果可为具有类似管片接头构造的盾构隧道工程提供参考。     

TBM施工隧道仰拱预制块的受力分析

运用计算软件ANSYS,采用围岩—结构模式,对TBM施工隧道仰拱预制块进行模拟动态施工的受力计算研究。计算结果表明,围岩初始应力场对仰拱受力有明显影响,随着竖向压力的增大,仰拱中心的内、外侧应力均增大;随着水平压力的增大,仰拱中心内侧应力减小、外侧应力基本不变;减小复合衬砌结构中初期支护厚度以及变刚性接头为柔性接头均会改善仰拱受力。试验数据对受力计算结果的验证表明,计算所得仰拱内力分布及变化趋势与试验结果一致。     

铁路钢混梁装配式桥面板受力特征计算分析北大核心

为探索铁路钢混梁装配式桥面受力性能,建立装配式钢混梁桥面板有限元模型,从而对比分析铁路荷载作用下整体现浇和预制装配式桥面板的受力特征,分析装配式桥面板长度、宽度、厚度、主梁横向间距等参数对桥面板受力特征的影响。结果表明:装配式钢混梁桥面板采用预制装配方式后结构纵桥向正、负弯矩变化较小,但横桥向正、负弯矩显著减小;预制板长度增加,预制板横桥向正弯矩、负弯矩绝对值增大,纵桥向负弯矩增大;预制板宽度增加,横桥向正弯矩、负弯矩,纵桥向负弯矩均增大;预制板厚度增大,横桥向负弯矩、纵桥向负弯矩均增大,纵桥向正弯矩减小;主梁横向间距增加,横桥向正弯矩增大,横桥向负弯矩减小,纵桥向负弯矩增大。各因素影响程度依次为:预制板宽度>主梁横向间距>预制板长度>预制板厚度。     

逆断层黏滑错动下隧道抗错断力学机制研究

研究目的:由于断裂活动的复杂性和工程示范样本的缺失性,逆断层黏滑错动过程隧道抗错断力学机制尚未清晰揭示。因此,本文以某交通隧道逆断层黏滑错动段为原型,采取强制位移法开展1∶30抗错断模型试验,对逆断层黏滑错动下隧道衬砌结构应变、受力进行对比分析,以揭示逆断层黏滑错动条件下隧道抗错断力学机制。研究结论:(1)逆断层黏滑错动具有显著区域性特征,黏滑错动过程主要影响Ⅱ-Ⅱ～Ⅴ-Ⅴ断面范围内,远离错动面衬砌结构受错动影响较小;(2)隧道衬砌结构纵向主要为压应变超限受损,最大纵向压应变位于固定盘侧Ⅴ-Ⅴ断面;活动盘侧环向压应变超限位于Ⅲ-Ⅲ断面的拱顶,固定盘侧环向拉应变超限位于Ⅳ-Ⅳ和Ⅴ-Ⅴ的拱顶、环向压应变超限位于仰拱;(3)活动盘侧最大接触压力位于Ⅱ-Ⅱ断面仰拱,错动前后相差近2倍;固定盘侧最大接触压力位于Ⅴ-Ⅴ断面拱顶,错动前后相差1. 1倍;黏滑错动对活动盘侧围岩压力影响近似为固定侧1倍;(4)本研究成果可为逆断层黏滑错动地质地段隧道抗错断设计和施工提供理论依据。     

地铁隧道二次衬砌钢筋网防裂性能研究

为了定量分析防裂钢筋网提高隧道衬砌结构抗裂性能的机理和幅度,以地铁双线隧道二次衬砌结构为研究对象,采用荷载结构法和杆系有限元数值模拟方案,定量分析二次衬砌结构不设置与设置钢筋网这2种情况下的开裂临界荷载。其中素混凝土结构以达到极限拉应变为临界状态,衬砌结构增设钢筋网后以达到GB 50157-2013《地铁设计规范》允许的最大裂缝宽度0.2mm为临界状态。分析结果表明,配置防裂钢筋网后,Ⅲ级和Ⅳ级围岩衬砌结构抗裂性能可分别提高22.4%和19.3%,Ⅴ级围岩衬砌结构抗裂性能提高15.2%;Ⅲ级和Ⅳ级围岩二次衬砌结构的破坏形式由脆性破坏变为延性破坏,从而提高了其安全性能。     

装配式圆形衬砌环结构变形特性试验研究

盾构隧道一般采用预制管片拼装的方式施做衬砌结构。荷载作用下衬砌结构的径向位移及管片间接缝内外侧的张合位移是衡量这类装配式结构变形状态的基本指标。通过圆形拼装衬砌环结构的极限承载试验,获得了衬砌环结构径向位移和接缝张合位移随荷载发展的曲线,分析给出了其关键性能点的荷载、整体变形、径向位移、直径变化率以及接缝张合位移。     

山岭隧道预制拼装二次衬砌结构设计及计算方法研究

为探索地铁双线山岭隧道中采用预制拼装二次衬砌结构的技术可行性,首先,提出地铁双线山岭隧道结构设计方案,其中二次衬砌采用预制拼装及错缝拼装形式;然后,研究结构内力计算方法,推荐采用荷载-结构法,并采用梁-弹簧模型来模拟预制拼装二次衬砌结构内的接头力学行为,并推荐采用5环梁-弹簧整体分析模型。结构配筋分析结果显示,在3种围岩条件下,30cm厚度预制拼装二衬结构的配筋均在合理范围之内,可实现一套模具适应不同地层情况的效果。