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.     

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。     

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。     

螺栓对高轴压盾构管片接头抗弯性能影响研究

在大埋深、高水压等特殊条件下进行盾构隧道管片结构设计时,具有复杂接缝面的管片接头形式得到广泛运用,为具体探究其抗弯性能以及螺栓的作用,采用有限元软件Abaqus,结合具体工程实例,建立大直径盾构隧道管片接头三维非连续接触模型,针对高轴压作用下管片接头的变形特征、抗弯性能和承载能力进行对比分析。计算结果表明:(1)对于大直径盾构隧道管片接头结构,有无螺栓工况之间极限承载弯矩的差值随着轴力的增大而逐渐减小。结构体系失稳前同一弯矩下有无螺栓工况之间的张开量差值随着轴压的减小而逐渐增大;(2)高轴压作用下管片接头接缝面混凝土压溃破坏时螺栓尚未进入屈服阶段,且随着轴力的增加,有无螺栓工况下接头抗弯刚度的相对数值差异显著减小;(3)较之有无螺栓工况,对于高轴压盾构管片接头变形特征和抗弯刚度的影响而言,两种不同等级螺栓的区别不大。总体来说,随着轴压的增加,螺栓对于管片接头的变形控制和抗弯性能提升的贡献逐渐减小。     

地铁盾构隧道管片接头刚度影响因素研究

在对我国地铁单线区间盾构隧道衬砌结构及内力统计分析的基础上,引入面-面接触单元和衬垫单元,采用三维有限元手段对盾构隧道管片纵向接头在不同轴力、弯矩、偏心矩、螺栓预紧力、管片尺寸、衬垫厚度和螺栓位置下的接缝端面转角和接头抗弯刚度进行了深入研究,通过-θM关系曲线和三维图形曲线分别揭示和探讨了不同影响因素单独和共同作用下的接缝转角和接头抗弯刚度变化规律。     

大断面越江电力管廊隧道管片接头力学行为研究

为了探究盾构隧道管片接头力学性能,基于苏通GIL综合管廊隧道工程,采用有限元软件ANSYS建立用三维精细化数值模型对其接头力学参数和破坏过程进行计算和分析,并采用试验方法对接头力学行为进行分析,将试验结果与数值计算结果进行对比分析。结果表明:接头竖向位移、接头转角和接头抗弯刚度与接头内力关系曲线具有明显的分段线性或非线性特征,其中接头竖向位移和接头抗弯刚度与弯矩的关系曲线可以分为两段,接头转角与弯矩的关系曲线可以分为3段;轴力对管片接头的各项力学参数均有不同程度的影响;正弯矩接头的破坏始于外弧面混凝土压溃;试验得到的接头力学参数和数值计算结果均呈现出相同的变化规律,验证了数值计算的可信度。     

基于梁-非线性弹簧模型的盾构隧道管片环极限变形特征研究

管片环极限变形特征是盾构隧道结构设计的关键控制指标和结构安全监测的重要依据。已有的接头弯曲加载试验表明,当弯矩较大时,接头变形具有明显的非线性特征。针对上海地铁区间盾构隧道管片环内的无衬垫式接头,建立其力学模型并推导其变形解析式,得到一定轴压作用下接头变形非线性特征的定量化描述,将其与试验数据对比,验证接头力学模型和变形解析式的工程适用性。基于非线性弹簧单元建立管片环梁-非线性弹簧模型,采用有限元方法对考虑外荷载及接头自身性能等因素不确定性的各工况管片环极限变形特征进行计算分析,根据分析结果提出对盾构隧道管片环结构设计及运营期结构安全监测提出建议。     

弯矩作用下盾构管片环向接头的力学模型

以兰州地铁1号线为工程背景,通过模型假设,对盾构管片环向受力进行分析,提出接头刚度的定义。通过管片各个阶段的受力特征,建立接头的力学解析模型,推导得到不同受力特征下管片环向接头的力学表达式;然后对管片接头用ANSYS建立有限元模型,在管片轴力与弯矩分别为(0 kN,±50 kN·m)、(200 kN,±100 kN·m)、(400 N,±150 kN·m)、(800 kN,±200 kN·m)、(1 000 kN,±250 kN·m)的情况下,得到弯矩与接头转角的关系,在接头轴力一定的情况下,管片接头转角随弯矩的增大而逐渐增大,但是M-θ曲线的切线斜率随着弯矩的增大而逐渐减小,在轴力超过600 kN时趋于稳定,M-θ曲线斜率为一定值,计算可以简化为直线,相同的计算条件下,解析解与有限元结果呈现相同的变化规律,在实际应用中可以用解析解进行计算得到接头刚度,进而进行管片的接头受力计算。     

盾构隧道管片接头抗弯刚度的三维数值计算

管片接头是装配式盾构隧道的关键部分,其抗弯刚度对管片环的内力及整体性能均有重要的影响,使得接头抗弯刚度的取值显得尤为重要.本文以广州地铁盾构隧道使用的管片为研究对象,采用三维有限元法,利用通用有限元软件ADINA,在建立精细有限元模型的基础上,计算得到正负两方向及不同偏心距荷载下接头变形的特点和接头的抗弯刚度.从而可知,正弯曲刚度具有一定的非线性性质,线性回归得到的刚度量值为1 236.7kN·m/rad;负弯曲刚度曲线为线性,线性回归得到的刚度量值为2 295.1 kN·m/rad.接头刚度受接头内力组合的偏心距影响,偏心距越大,接头刚度越大.在接头的模拟计算中,有必要建立和实际相同的数值模型,从而避免各种误差.     

温州轨道交通M1线盾构隧道衬砌管片接头力学特性

为研究温州轨道交通M1线地铁盾构隧道衬砌的极限抗弯承载力和接头变形能力，基于地铁盾构隧道变形的衬砌管片接头张开破坏试验，介绍了地铁衬砌结构接头破坏试验的研究内容，包括加载装置、荷载设计、测试内容，以及部分试验结果，并对试验进行了数值模拟分析。研究结果表明：正、负弯矩工况下，接头力学性态发展可大致分为线性增长、塑性发展和极限破坏3个阶段，极限破坏状态在正、负弯矩作用下的破坏模式并不相同。     

大直径盾构隧道管片纵向连接抗剪刚度分析

盾构管片接头螺栓与螺栓孔存在装配间隙,剪切作用下管片纵向连接螺栓在受剪的同时还受弯矩作用。为得到更接近工程实际的管片纵向连接抗剪刚度,根据Timoshenko理论推导了大直径盾构管片纵向连接抗剪刚度计算公式,并通过上海长江隧道管片环缝抗剪性能试验进行了验证。研究结果表明:公式计算结果与试验结果吻合得较好;由于装配间隙的存在,剪切作用下管片纵向螺栓抗剪刚度主要由其弯曲刚度控制,螺栓变形也以弯曲变形为主。     

郑州地铁盾构隧道管片衬砌不同计算模型比较

针对郑州地铁某盾构区间隧道,在隧道覆土厚度、地层、地下水位和其他条件相同情况下,采用均质圆环法和梁-弹簧模型两种方法对管片衬砌的内力和变形进行了计算比较。均质圆环法弯矩较大,相应变形和轴力较小。均质圆环法与圆环刚度有效系数相关,有效系数越大,弯矩越大,变形和内力越小。梁-弹簧模型不仅考虑环向接头刚度还考虑了纵向接头刚度(径向和切向),与实际情况较为接近。     

考虑纵缝接头刚度折减的盾构管片性能研究

盾构隧道管片在纵缝接头处薄弱易损，研究其力学性能需考虑此部位的刚度折减。基于对原型管片、开槽管片在纵缝接头刚度上进行等效计算，构建一种可准确模拟纵缝接头刚度折减的双侧开槽盾构管片模型。同时，加入匀质圆环管片作为对照组，以覆土堆载模型试验为手段，研究接头刚度折减对管片受力变形的影响，以探明在考虑接头刚度折减条件下盾构隧道管片的力学性能，并结合数值模拟对模型试验可行性进行验证。结果表明：纵缝接头处刚性折减较大程度减小了管片横向刚度，从而加剧了管片收敛变形；纵缝接头刚度折减对管片轴力并无显著影响，但会导致弯矩包络线发生明显上移，使管片截面弯矩最大值增加近10%。     

水下盾构隧道双层衬砌分析模型的比较研究

本文基于荷载结构模型,考虑管片衬砌的接头效应,对比分析了衬砌梁-接头弹簧-结合面梁模型、衬砌梁-接头弹簧-结合面弹簧模型以及衬砌梁-接头弹簧-结合面压杆弹簧组合模型的特点及合理性。由于在结合面和地层接触面径向采用压杆单元模拟,衬砌梁-接头弹簧-结合面压杆弹簧组合模型能有效避免结合面和地层接触面等位置发生径向拉力及结合面切向刚度失真、衬砌弯矩突变等不合理现象,能较准确模拟双层衬砌结构内部之间的相互作用和荷载传递,是目前相对合理的双层衬砌分析模型。应用衬砌梁-接头弹簧-结合面压杆弹簧组合模型探讨双层衬砌的力学行为,研究表明:特定荷载下,当管片衬砌厚度一定时,增加二次衬砌厚度,双层衬砌的弯矩明显增大,而双层衬砌的轴力变化较小;双层衬砌的弯矩在管片衬砌和二次衬砌之间的分配比例与管片衬砌和二次衬砌的相对厚度无线性关系。上述结论对双层衬砌的设计具有指导意义。     

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。     

管片接头改进条带算法的关键问题研究

为使管片接头改进条带算法结果更加可靠,汇总了对结果影响最大的关键问题,采用理论分析和数值模拟等手段对问题逐一分析,并给出相应的初步建议。研究表明,改进条带算法中的混凝土有效宽度取值的合理范围是0.8~1.0倍的管片厚度;直斜弯螺栓与混凝土的变形协调关系是有区别的,给出了不同螺栓的变形增量与混凝土变形的关系公式;在手孔区接头板混凝土较薄时,应计入接头板局部变形对螺栓刚度的影响;混凝土材料宜选用满足安全概率的非线性参数,传力衬垫材料宜选用稳载条件下的试验曲线参数。研究结论是对改进条带算法关键细节补充完善,对同类力学模型算法也有借鉴意义。     

通缝拼装盾构隧道横向刚度有效率计算方法及其影响因素

基于盾构隧道横向刚度有效率的定义,推导根据管片纵缝接头刚度解析通缝拼装盾构隧道横向刚度有效率的计算公式,并以实例验证该计算公式的可行性。通过反演分析结果,阐明隧道所处地层的土体力学性能和隧道埋深对盾构隧道横向刚度有效率的影响机制。利用该计算公式分析多个单因素对横向刚度有效率的影响。结果表明:管片环的直径越大,盾构隧道的横向刚度有效率越大;管片截面的抗弯刚度越大、管片纵缝接头刚度越小、管片环分块数量越多,盾构隧道横向刚度有效率越小;盾构隧道横向刚度有效率不仅表征了管片纵缝接头对隧道横向刚度削弱的程度,也反映了管片纵缝接头转动变形而导致的管片环横向变形所占管片环横向总变形的比例,此比例越大,盾构隧道横向刚度有效率越小;反之亦然。     

盾构隧道管片上浮力学特性精细化模拟分析

针对盾构隧道施工阶段的管片上浮问题，计算地层抗力系数和管片横向刚度有效率，建立盾构隧道管片上浮三维荷载-结构计算模型，分析上浮荷载作用下管片结构与接头螺栓的力学特性。结果表明：考虑注浆压力时管片均出现上浮，最大上浮量出现于盾尾第6环管片处；管片顶底部和左右两侧的Mises应力均先增大后减小，在上浮荷载作用下管片环呈上下挤压状态；盾尾第6环管片的上浮位移和应力较大，管片左右两侧螺栓的剪应力大于管片顶底部。     

基于壳-弹簧模型大断面盾构隧道管片衬砌设计参数灵敏度及取值研究

随着盾构隧道直径及幅宽的加大,综合考虑衬砌接头的传力及分布特性,传统的二维计算(梁-弹簧)模型已不足以更为全面地反映衬砌结构的空间力学特征。以ANSYS为平台,基于内置APDL和UIDL语言编制的"盾构管片衬砌三维分析程序"(3D Segment Lining Analysis Program of Shield Tunnel-SLAP 3D),建立壳-弹簧模型,对比分析地层参数(包括侧压力系数、地基抗力系数)、接头刚度参数(包括接头抗弯刚度、轴向抗拉压刚度、切向剪切刚度)对衬砌内力的影响,给出相关参数的取值原则。研究表明:进行衬砌内力计算时,接头抗弯刚度的取值宜通过工程类比或试验确定,在无法准确确定时可偏安全的取较大值;接头抗压、抗剪刚度在结构计算中可偏于安全的取大值。     

黏土中圆形低真空隧道管片结构内力分布及其影响因素

针对盾构隧道管片结构在不同环境下的受力性能,建立基于修正惯用法的力学模型,推导出圆形低真空隧道管片结构内力的解析解;以武汉黏土作为模拟地层,分别采用修正剑桥模型和弹簧模型,模拟分析圆形低真空隧道结构的内力分布;在获得解析解和2种数值解的基础上,对比分析特定工况下3种方法得到的隧道管片结构内力分布,探讨真空力、弯曲刚度有效率、地基抗力系数、侧向土压力系数这4个关键参数的影响规律。结果表明:对于黏土中的圆形低真空隧道,顶部与底部的管片结构正弯矩较大,腰部则是轴力与负弯矩较大;真空力对管片结构的弯矩几乎没有影响,但对轴力影响非常显著,且随真空力的增大而增大;管片结构弯矩随弯曲刚度有效率的增大而增大,随地基抗力系数和侧向土压力系数增大而减小;管片结构轴力随地基抗力系数的增大而增大,随弯曲刚度有效率增大而减小;在隧道腰部附近,轴力随侧向土压力系数的增大而减小,但隧道底部和顶部附近则与之相反。对比3种方法,解析解与数值解具有较好的一致性,但求解结果偏于保守。