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。     

基于混凝土弹塑性损伤本构模型的盾构管片受力分析

在混凝土弹塑性损伤本构模型的基础上,考虑盾构管片拼装块与连接螺栓的非连续性和拼装块之间的接触关系,建立三维非连续接触计算模型。以苏州某地铁盾构隧道工程为例,对盾构管片的受力状况进行模拟计算,并与惯用法模型和修正惯用法模型的计算结果进行对比分析。结果表明:盾构管片内拱顶K拼装块部分区域的损伤因子超过了损伤临界值,这些部位将产生明显可见的裂缝;盾构管片拱顶与拱底内侧的受拉区域均产生了塑性变形,拱顶K拼装块的塑性区深度达到截面宽度的55%;盾构管片最大内力组合在两侧拱腰管片的接头处;三维非连续接触计算模型可以更好地反应管片接头对内力的影响和管片混凝土材料的受力及变形特性;模型中盾构管片接头处接触单元的设置消除了其他模型中接头刚度差异对计算结果的影响,对盾构管片抗压刚度及抗弯刚度均会产生影响。     

盾构隧道管片连接螺栓设计计算方法探讨

盾构隧道中管片连接螺栓是个重要的结构受力构件,施加于螺栓上的预紧力使管片缝间防水密封垫形成接触压应力而具有防水能力,同时,螺栓还承受着接缝面上水土压力或地震作用而产生的拉应力,现有设计规范对管片连接螺栓的设计配置无明确规定,造成设计和施工中的无章可循。文章就管片连接横向螺栓、纵向螺栓、螺栓预加力和螺栓安装扭矩等设计计算理论和计算方法进行探讨。     

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。     

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。     

列车脱轨撞击下盾构隧道管片衬砌开裂与接头螺栓动力响应特性研究

建立盾构隧道非线性开裂三维有限元模型,研究时速200km列车脱轨撞击荷载作用下,盾构隧道管片衬砌裂缝的分布、大小、扩展过程以及接头螺栓的最大主应力、振动速度、振动加速度等动力响应特性。研究表明:在列车撞击下,管片衬砌开裂的位置主要集中在管片衬砌受撞击的中心区域及其附近纵向接缝部位;不同部位的裂缝扩展形态有差别,撞击中心区域的裂缝为贯穿性不规则曲线裂缝,纵向接缝部位的裂缝通常呈现直线裂缝或多段折线裂缝;撞击中心区域主裂缝的张开度与距撞击中心的距离有关,除撞击中心处以外,距撞击中心越近位置的裂缝其张开度越大;螺栓的最大主应力峰值、振动速度峰值均出现在荷载震荡作用阶段,而振动加速度峰值则出现在荷载峰值阶段,同一水平位置上位于撞击区域后侧的管片接头螺栓所受到的最大主应力、振动速度和振动加速度等动力响应总是大于前侧螺栓。     

管片错台对盾构隧道接头 力学性能的影响机理

为分析管片错台对隧道结构受力性能影响。本文以某越江地铁盾构工程为依托,建立了管片接头三维精细化数值分析模型,结合等效荷载施加方式,重点分析了管片不同错台状态下接头螺栓、管片接触面的受力演变规律,揭示了管片错台对对盾构隧道接头力学性能的影响机理,得出的主要结论有：随着错台量的增大,接头螺栓与螺栓孔间接触关系发生连续改变,影响接头螺栓受力性能;错台量越大、接头螺栓受力越大,受力集中部位从螺栓中部向螺栓两端转移,且接头螺栓所受剪应力明显增加;随着管片错台量的增大,管片接缝面混凝土实际应力发生了重分布,受力较大区域均向螺栓孔处汇集,最大、最小主应力极大值均处于螺栓孔内壁处。研究成果为盾构管片结构设计及整体安全性分析具有重要借鉴作用。     

地铁盾构隧道结构设计的几项优化

介绍管片衬砌内力计算的4种基础理论,结合基础理论分析模型建立的条件,以北京地铁某盾构隧道为例,计算了管片的内力大小,分析了最不利内力组合,对管片的配筋形式、配筋量进行设计,同时列举了类似工程结构设计状况。在综合考虑环宽、管片连接螺栓设计以及施工组织等因素的情况下,提出技术和经济上有利的管片优化设计方向。还介绍了因施工原因造成的管片边角局部集中受力时,为避免局部破坏,在钢筋布设方面的应对措施。     

基于三维非连续接触模型的管片错台分布规律及影响因素研究

针对盾构隧道施工阶段中管片环缝错台的问题,建立围岩-管片-螺栓三维非连续接触模型,基于管片与围岩、管片接头之间的非连续性,考虑围岩与衬砌的相互作用,模拟盾壳前移、浆液硬化、围岩补强等产生的动态效应,对管片错台分布规律和影响因素进行深入研究。研究结果表明,管片环整体向扁圆化发展,拱腰外扩、拱底隆起,管片环缝错台也主要位于拱腰和拱底。管片环脱离盾壳时,衬砌整体变形与管片环缝错台最大,随着浆液硬化,衬砌整体变形速率变缓,管片环缝错台缩小,最终趋于稳定,说明浆液的硬化和围岩的补强对隧道整体变形和管片环缝错台起到一定控制作用,且封顶块点位对隧道整体变形的影响较小。     

基坑上跨既有盾构隧道坑底土体加固方式探究

基于非线性接触理论,建立三维非连续地铁隧道模型。考虑管片接头之间、管片衬砌与围岩之间、螺栓与螺栓孔之间的相互作用,以及基坑施工全过程的影响,对基底纵向加固、横向抽条加固和格栅加固3种不同形式的加固措施在控制隧道整体竖向变形、管片接头混凝土应力、螺栓内力方面进行对比分析。研究结果表明:格栅加固效果最为理想。以此模型为基础,进一步研究隧道与基底加固区夹角α与隧道隆起变形、接头混凝土应力的关系,得到最优隧道与基底加固区夹角应为2倍土体内摩擦角与45°之间。     

以圆弧参数为设计变量的车轮型面优化数学模型研究

在分析圆弧型车轮型面几何特点的基础上,提出用4段圆弧描述车轮型面与钢轨的接触部分.以4段圆弧中两端圆弧的半径和两中间圆弧的圆心坐标为设计变量,以轮轨磨耗、临界速度和轮轨横向力为目标函数,以满足对最大接触应力、脱轨系数、滚动疲劳因子、临界速度和轮轨横向力的要求为约束条件,建立圆弧型车轮型面多目标优化模型.以欧洲时速200 km标准铁路客车为例,采用给出的车轮型面多目标优化模型对其车轮型面进行优化.结果表明:车轮型面经1次优化的车辆运行在半径为3 000m的曲线线路上时一位轮对车轮的总磨耗指数下降约15％,但车辆的临界速度仅为75 m· s-1;通过调整设计变量的取值范围,进行车轮型面优化,得到最优车轮型面Wheel_ Opt,采用此车轮型面的车辆在同样线路上一位轮对车轮的总磨耗指数下降约12％,临界速度提高至105.9m· s-1.     

基于大直径盾构隧道扩挖地铁车站的结构方案及其关键节点受力和变形

针对北京地铁14号线将台车站结构方案存在的不足,提出1种基于大直径盾构隧道扩挖地铁车站的塔柱式结构方案,并建立三维非连续接触模型,研究塔柱式结构关键节点的受力和变形.结果 表明:盾构隧道和车站2边主体结构的施工,对管片纵缝的张开和错台影响显著,但对管片环间错台影响不明显;横通道施工对管片纵缝的张开和错台影响较小,开口环...     

隧道管片密封垫接触应力和闭合压力的合理确定

盾构隧道管片橡胶密封垫接触应力与闭合压力是影响其防水性能的重要因素,断面设计时常以两者符合设计值作为控制指标.但在进行密封垫断面设计时常会出现两者不能同时满足设计要求的情况.采用有限元数值模拟、水密性试验及压缩试验等手段,结合密封垫防水机理分析了接触应力和闭合压力的关系,并介绍了通过不断修改密封垫断面型式、调整材质硬度,使接触应力和闭合压力满足要求的方法.最后总结出,应对断面型式和材质硬度进行不断修改和调整,在满足接触应力要求情况下尽量做到闭合压力小于80 kN/m,并在施工中采取利于拼装闭合的措施.     

大跨RC斜拉桥的非线性地震响应分析

预先确定斜拉桥的弹塑性区域,把包含多微段平面变刚度梁单元推广应用于大跨度斜拉桥的非线性地震响应分析,用微段的刚度变化模拟钢筋混凝土的弹塑性性能,对双塔单索面钢筋混凝土斜拉桥进行了考虑几何非线性和材料非线性的地震响应分析,编制了相应的弹塑性分析程序,并与Huges单元分析结果进行了比较。结果表明:该法能较好地模拟在强震作用下钢筋混凝土斜拉桥的非线性性能,可以在大跨斜拉桥的非线性地震响应分析中应用。     

城际铁路连续梁拱桥铰座受力分析

以国内某新建城际铁路连续梁拱桥铰座为例,对铰座部件进行了建立在接触理论上的受力分析,并建立Ansys有限元实体受力模型,进一步分析铰座竖转受力特征。结论表明:在最不利工况下铰座强度能够满足规范要求;有限元分析证实受力计算结果,工程实践证明采用接触理论开展同类型工程设计是可行的。     

宝兰客专兰州段泥岩软化特性的微观研究

针对西北地区广为分布的黄土地层泥岩,结合宝兰客专上庄隧道工程,通过X射线衍射、扫描电子显微镜以及岩石的物理水理性质试验等手段测定该泥岩地球化学成分、微观构造、矿物成分和物理水理性质,研究黄土地层泥岩软化过程中的变化规律。研究表明,该泥岩中金属元素的含量较多,导致泥岩的颜色较深,且其中矿物成分主要为石英、方解石及斜长石,占总矿物含量的77%,而蒙脱石含量为0,仅含有少许伊利石和高岭石;天然状态下泥岩含有较多的黏土颗粒,这些黏土颗粒间主要是面对面接触或点对面接触,在水的作用下,颗粒间的连接逐渐被破坏,导致岩石内部构造损坏,使得泥岩产生软化现象;化学成分及室内试验结果均表明,该泥岩几乎没有膨胀性,但是具有一定的崩解性。     

多弹性体接触问题的数值算法

提出一种新的求解带摩擦的接触问题的数值算法,即拟高斯迭代法。它对法向接触力和切向接触力进行交替迭代,并利用高斯迭代法求解法向接触力,利用分块高斯迭代法求解切向接触力。同其它的数值算法相比,该算法保留了关于接触力的柔度矩阵的稀疏性和对称性,利用矩阵乘向量可以分步进行的技巧,该算法只需存储关于接触力的柔度矩阵的下三角形矩阵的非零元和对角矩阵。根据可能接触边界的分布特点,将区域分解成不同的子区域,引进拉格朗日乘子表示接触力,保证了各子区域的网格剖分和位移求解是完全独立的。基于上述算法和有限元程序自动生成系统开发了相应的求解带摩擦接触问题的软件,数值实验表明,程序是正确的,算法是高效的。     

整锚段接触网吊弦长度的三维稳态模型

为了减少吊弦长度计算误差、严格控制导高、改善受流质量,提出一种用于整体吊弦精确计算的三维稳态模型。基于二维精确索单元,将X-Y,X-Z两计算平面耦合,得到三维索单元。基于有限元理论,采用三维索单元离散接触网结构;根据接触网的拓扑结构关系组装刚度矩阵,根据地理信息、测量信息和设计参数等组建边界条件;建立并使用迭代法求解整体的非线性平衡方程;根据求解结果建立接触网三维图形并输出整体吊弦长度。将计算的整体吊弦长度与现场数据对比,中间柱计算误差小于2.0‰,转换柱计算误差小于3.5‰,验证本三维模型和构建方法的有效性。     

基于雨流计数法的弹性链型柔性悬挂接触网疲劳寿命分析

采用APDL语言编制命令流,对弹性链型悬挂接触网的接触线进行疲劳寿命估算。文中给出了求解接触线寿命的步骤,采用改进的雨流计数法处理接触线的疲劳应力谱,得到各单元的各级应力幅值、应力均值与相应的应力循环数,用Miner线性疲劳累积损伤理论得到接触线各单元的疲劳寿命值。在相同参数的条件下,分析了影响接触线寿命的因素,包括跨距、接触线和承力索预张力、截面面积、列车行驶速度、抬升力、干摩擦等,比较简单链型和弹性链型悬挂接触网对接触线寿命的影响,对比各种参数找出影响接触线疲劳寿命的几个关键因素,为弹性链型悬挂接触网系统的设计和工程实际施工与维护提供重要依据。     

刚性接触网拉出值布置与磨耗分析

从地铁接触网单"八"字拉出值布置方式入手,并结合重庆地铁6号线刚性悬挂拉出值布置方式,依据更合理利用受电弓滑板的原则,对接触网拉出值布置进行优化,得到变坡"八"字拉出值布置方案。全面统计并分析不同拉出值区段汇流排的分布,并采用全线统一考虑的设计思路,实现增加受电弓的使用寿命、提高授流质量的目的。