钢壳混凝土沉管抗剪连接件力学特性研究

钢壳混凝土沉管隧道中抗剪连接件结构体系的设置是隧道建设施工的关键技术问题。依托深中通道项目,采用试验和数值分析相结合研究方法考虑抗剪连接件脱空、受力状态、开孔参数对钢-混凝土连接性能的影响,得到三因素影响下剪力-滑移曲线的差异以及连接件承载力、刚度以及腹板曲率的变化规律;通过有限元模型对脱空与非脱空连接件进行数值计算,分析混凝土压力、拉压应力变化和剪应力变化的规律,得到3种模型下脱空与非脱空承载力和刚度的衰减特征;基于脱空、受力状态和开孔的影响,建立了考虑三因素影响的抗剪连接件承载力计算方法,并由试验结果验证其可靠性。研究结果为深中通道钢壳混凝土沉管结构合理选择连接件奠定了基础。     

钢壳-混凝土组合沉管结构抗剪试验

深中通道隧道段采用钢壳-混凝土组合沉管结构(简称SSC组合结构)作为其主结构,隧道横断面抗剪性能成为该结构关键问题。为揭示该结构抗剪机理,基于深中通道沉管顶板局部构造及尺寸,以钢隔板间距、钢腹板间距为变化参数,设计3个缩尺比例为1∶2.5的SSC组合结构试件,开展抗剪试验及数值模拟分析。结果表明：与钢壳格室长高比2.20的试件相比,长高比1.10的试件抗剪极限承载力提高约21.3%;与格室宽高比1.88的试件相比,宽高比0.94的试件单宽抗剪承载力提高约43.4%,减小钢腹板间距、隔板间距能够提高SSC组合结构抗剪承载力;格室长高比2.20的试件破坏为混凝土腹部出现多条从支点到加载点的对角斜裂缝,并伴随加载点和支点处局部混凝土压溃;长高比为1.10的结构破坏为近跨中格室混凝土对角斜压破坏;SSC组合结构抗剪承载力主要由钢腹板和混凝土两部分分担,当长高比从2.20减小至1.10时,钢腹板分担的剪力几乎不变,但混凝土主压应变角度从约29.4°增大至约37.6°,混凝土分担剪力明显增加;钢腹板间距减小后,靠近腹板40%～50%截面高度范围内混凝土的主压应力增大,该范围以外的应力基本不变,表明...     

钢壳沉管自密实混凝土浇筑质量控制

针对钢壳沉管自密实混凝土技术,从混凝土的质量控制指标、配合比设计及施工质量控制要点等进行探讨,以达到自密实混凝土浇筑质量控制的目的,确保深中通道钢壳沉管隧道管节预制质量,同时对钢壳沉管脱空检测及缺陷修补进行了探讨,为国内同类工程建设提供实践经验.     

钢壳沉管端钢壳三维姿态验收测量技术

在钢壳沉管隧道施工中,钢壳管节浇筑前后的验收主要是对端钢壳进行三维姿态测量,主要包括端钢壳面板(端面板)平整度、端钢壳横向垂直度(水平偏角)和竖向倾斜度(竖向偏角),目的是保证沉管精确地沉放安装。根据深中通道沉管隧道端钢壳施工验评标准,要求端钢壳总体测量精度达到mm级,难度较大。为满足测量精度,采用了一种钢壳沉管三维姿态测量技术,主要是利用高精度全站仪+全圆法观测软件+MATLAB数学软件对钢壳沉管端钢壳三维姿态进行测量并处理分析各项数据指标,评定端钢壳在钢壳管节浇筑前后的精度,同时能确保工序之间合理衔接。     

基于FAHP-云模型的钢壳混凝土沉管隧道施工风险分析

为补充我国钢壳混凝土沉管隧道施工风险评估体系,运用基于优化LEC法的FAHP-云模型风险评估方法,辨识分析钢壳混凝土沉管隧道施工风险。通过运用AHP法建立钢壳混凝土沉管隧道施工结构模型,采用模糊层次分析法确定各指标权重,使用MATLAB云模型检验权重值的有效性并计算期望值。通过优化的LEC法计算指标层的风险源风险等级,运用MATLAB云模型确定风险等级的指标期望值。基于模糊层次分析法确定钢壳混凝土沉管隧道总体风险等级。将评估模型应用于深中通道沉管隧道实例分析,验证该方法的可行性。     

超高性能混凝土开孔板连接件抗剪性能研究

为探讨混凝土强度对开孔板连接件性能的影响,开展了6个开孔板连接件的插入式试验。通过分析连接件的破坏形态可知,所有的开孔板连接件中的贯穿钢筋均在开孔钢板和混凝土的界面处被剪断。在加载过程中,普通混凝土板出现了明显的表面裂缝,而超高性能混凝土板没有出现裂缝,超高性能混凝土抗裂性能良好。通过分析开孔板连接件的推出试验情况以及荷载—滑移曲线可知,连接件具有良好的延性,超高性能混凝土能显著提高开孔板连接件的承载能力和抗剪刚度。将开孔板连接件的插入式试验数值与其他学者的承载力公式预测的结果进行对比可知,现有研究得到的承载力公式相对保守。选择其中与超高性能混凝土开孔板连接件试验结果吻合良好的承载力公式进行相关的系数修正,提高了公式的计算精度,可以更好地支撑超高性能混凝土开孔板连接件的研究与推广工作。     

一种新型抗剪连接件试验研究

抗剪连接件在组合梁中主要用来承受钢筋混凝土翼板与钢梁之间的纵向剪力,是钢腹板与混凝土上、下翼板连接设计的关键环节.提出一种新的翼缘型开孔波折板抗剪连接件,并对传统的开孔直钢板抗剪连接件与这种新型开孔波折板抗剪连接件试件进行推出试验.考察开孔个数、穿筋与否对2种连接件承载力的影响.试验结果表明,在同等条件下,这种开孔波折板抗剪连接件具有更高的承载力.     

开孔板连接件抗剪性能试验研究

开孔板连接件是用于钢与混凝土结合的新型连接件,具有很大的抗剪刚度、强度及抗疲劳性能。对开孔板连接件分别处于正立、侧立、倒立,及其有无贯通钢筋进行抗剪性能试验研究,得到设置贯通钢筋可以大幅度提高抗剪承载力和延性,所处受力状态不同对抗剪刚度和使用阶段承载力影响较大,但对极限承载力影响并不明显等结果。     

盾构隧道环向快速连接件力学性能试验研究

15 m级的大直径公路盾构隧道与10 m级超深覆土高内水压作用下的排水调蓄盾构隧洞对接头有高承载力的要求,为此开发新型环向快速连接件。该连接件具有拼装时间短、无需人工拧紧、拼装完成后的隧道真圆度高、管片错台与张开量小、防水性能高的优点。为研究连接件的结构形式、材料性能、连接件与锚筋之间的连接、连接件与混凝土管片之间力的传递,以650 mm厚的管片为原型,开展接头抗拉物理试验,并采用数值模拟的方法实现试验值与计算值的对比分析。主要结论如下： 1）本次试验所采用的铸铁连接件屈服承载能力为512 kN,满足试验指标要求。弹性阶段的承载力为400 kN,极限承载力为645 kN,可以应用于指导盾构隧道的设计。2）试验破坏发生在连接件本体部位,锚筋与连接件之间的连接设计合理可靠。试验终止时,4根锚筋的最大应力值为348 MPa,达到HRB400锚筋抗拉屈服强度的87%,接近其抗拉强度设计值360 MPa。3）连接件在轴心拉力作用下,其本体与锚筋的受力是不均匀的,在连接件设计中应考虑这种不均匀性,进行合理的优化设计。     

使用状态对焊钉连接件抗剪性能影响的试验研究

通过不同直径的正立、侧立和倒立焊钉连接件抗剪性能试验,研究混凝土浇注方向、焊钉所处使用状态对其抗剪刚度和使用阶段承载力的影响。     

角钢连接件抗剪刚度试验及理论研究

由于具有承载力高、疲劳性能好以及施工便捷的优点,角钢连接件在桥隧结构中得到越来越广泛的应用.角钢连接件主要应用于沉管隧道结构中,且相关研究主要集中在日本.现有研究多针对角钢连接件的承载力而忽视了抗剪刚度,而抗剪刚度会对界面滑移、混凝土开裂以及构件刚度等性能造成影响.为了研究角钢连接件的抗剪刚度,基于实际工程以及中国规范...     

抗裂剂对钢壳混凝土收缩及热学性能的影响

为了解决钢壳混凝土自身的收缩变形及徐变造成的混凝土与钢管壁极易产生严重的脱空、脱黏问题,针对南京长江五桥索塔钢壳混凝土的无收缩、微膨胀要求,对混凝土配合比进行了研究,测试了标准混凝土力学强度.分别对20℃条件下C50混凝土的限制膨胀率、自生体积变形进行了测试,系统研究了具有温控效果的抗裂剂对C50混凝土的力学、恒温变形...     

FRP混凝土组合梁抗剪连接件试验研究

针对工程中常用的2种FRP-混凝土组合梁的抗剪连接形式（FRP开孔板件和采用粘结剂粘结）,开展了10个连接件推出试件在单调静力荷载下的试验研究,重点研究了混凝土强度、FRP开孔板排数等参数对连接件的破坏形态、极限承载力、滑移特性和应变分布等的影响。研究表明：采用FRP开孔板连接件的抗剪试件,其破坏形态为FRP开孔板根部剪切破坏,而采用环氧树脂胶粘结的试件,其破坏形态分混凝土内聚破坏和粘结层破坏2种;在受力全过程中FRP开孔板连接件中贯通筋应变较小,GFRP筋的应变最大值不超过1000txe,远小于其极限拉应变（约12000p,s）;混凝土强度对FRP开孔板连接件的承载力影响不明显;三排开孔板的平均单排承栽力小于单排开孔板的承载力,二者比值约为77％;试件破坏时,FRP开孔板连接件的滑移量约为1．0mm,而采用环氧树脂胶粘结的试件在破坏时的滑移量则为0．05mm左右。     

深中通道超宽钢壳混凝土沉管管节浇筑变形控制

深中通道沉管隧道是目前世界上单节管节最宽同时也是单个行车道孔最宽的公路沉管隧道,建设标准为双向八车道高速公路,部分超宽段甚至超过双向十车道,标准管节宽度为46 m,最宽管节的最大宽度达55.467 m。管节结构采用了在内外双层钢壳内填充高流动自密实混凝土的“三明治”复合结构形式,为此结构形式在中国的首次大规模应用。其管节预制精度要求高,在混凝土浇筑阶段的变形控制要求达毫米级。在混凝土浇筑过程中,为将管节内净空变形控制在10 mm以内,原设计要求在顶板浇筑过程中在管内行车道孔增设临时支撑杆措施。为此,应用精细三维有限元模拟管节的浇筑过程,考虑其三维力学效应及混凝土逐渐凝固后的承载能力,并结合混凝土浇筑布料设备的特点,寻求出满足变形验收条件和兼顾施工效率的最优浇筑顺序,并以此取消管内临时支撑杆措施的制约。最后,该浇筑顺序在首节管节E32(同时也是最宽管节)的浇筑预制中成功应用,实测结果与计算结果吻合,满足验收要求。该技术精准控制了管节浇筑阶段的变形,优化了管节预制和舾装的施工方案,取消了顶板浇筑过程的管内临时支撑杆措施,使每节管节内的一次舾装作业得以提前约1个月启动,并可与墙体和顶板浇筑作...     

开孔板连接件初期抗剪刚度试验

为建立组合结构桥梁使用的开孔板连接件抗剪刚度计算方法,以开孔板孔径、混凝土强度和弹性模量及孔中钢筋直径、强度和弹性模量等为变化参数,进行了60个模型试件的抗剪刚度试验;分析各试件剪力-相对滑移曲线的切线与割线的斜率比值变化,提出了以相对滑移0.2mm对应的割线斜率为开孔板连接件抗剪刚度的取值方法;采用弹性地基梁法分析了孔中混凝土及钢筋的抗剪机理,推导了开孔板连接件抗剪刚度的理论计算表达式;基于理论分析和123个模型试验提出了开孔板连接件抗剪刚度的计算式。研究结果表明:计算式反映了孔中混凝土、孔中钢筋及其对混凝土约束的作用,物理意义明确,可用于钢-混凝土组合结构考虑结合面开孔板连接件作用的计算分析。     

新型钢混螺栓连接件抗剪性能试验

在钢混组合梁桥中,为实现混凝土板与钢主梁的装配式连接,提出一种主要由长螺栓、短螺栓及螺栓连接套筒组成的新型钢混螺栓连接件,该螺栓连接件的最大优势为易于混凝土板的拆卸。设计并开展新型螺栓连接件推出试验（3组试件）,并分析各直径螺栓连接件的剪力-滑移曲线特征及相应推出试件的破坏形态;研究新型螺栓连接件的抗剪承载力、峰值滑移及抗剪刚度等力学性能,并与焊钉连接件相应的力学性能进行比较。研究结果表明：推出试验中新型螺栓连接件的破坏形态均为螺栓杆被直接剪断,螺栓连接套筒下侧混凝土仅出现微小裂纹,混凝土无压溃剥落现象;新型螺栓连接件的抗剪承载力约为螺栓杆抗拉强度的80%;钢混结合面的峰值滑移随螺栓直径的增大而增加,M27螺栓连接件的峰值滑移接近6 mm;螺栓连接件的抗剪刚度主要受螺栓杆和螺栓孔间隙的影响,随间隙的增大而减小;在钢混组合梁桥中应用该新型螺栓连接件时,为减少螺栓连接件的使用数量,推荐采用较大直径的螺栓连接件。     

基于钢管连接件的钢-UHPC组合桥面板抗剪性能研究

针对公路钢桥桥面结构因自身刚度相对较弱和抗拉拔力不足,出现铺装层病害和钢桥面板疲劳开裂等现象,提出一种基于钢管连接件的钢-UHPC组合桥面板结构,为研究该新型连接件组合桥面板的抗剪性能,开展了推出试验,并结合试验验证后的非线性数值模型得出了试件的工作机理。运用非线性数值模型分析了抗剪连接件厚度、连接件屈服强度、UHPC抗压强度对抗剪承载力及抗剪刚度之影响。研究表明:钢管连接件推出试验破坏形态为下缘焊缝附近的钢管壁沿焊缝方向被剪切断裂,其下部UHPC被压碎;参数分析得出其他参数不变的情况下,抗剪性能随连接件钢管壁厚和钢材强度均呈线性增长;不同的连接件壁厚对应合理的UHPC轴心抗压强度取值,钢管外径为40 mm的情况下,壁厚从3、4、5、6 mm变化取值,对应的UHPC抗压强度合理值分别为100、120、140、160 MPa。     

深中通道钢壳沉管管节自密实混凝土智能化浇筑工艺

为解决深中通道钢壳混凝土沉管管节预制过程中混凝土性能控制难度大及管节浇筑参数控制严格等难题,节约人工成本和提高施工效率,针对深中通道沉管管节特定的结构型式,结合预制场选址条件,因地制宜地提出钢壳沉管自密实混凝土智能化浇筑工艺。该工艺在研制智能浇筑台车和折臂布料机的基础上联合“BIM+物联网+智能传感”的信息化和自动化技术,实施效果表明,钢壳沉管自密实混凝土智能化浇筑工艺减少了浇筑过程中人为因素引起的质量风险及机械伤害,有利于提高管节预制质量及降低施工安全风险。     

沉管隧道两种结构型式：——钢结构和混凝土结构特点的比较

本文通过参考钢壳管段隧道和混凝土管段隧道的不同实例，比较说明了沉管隧道这两种主要结构型式的特点。文中涉及了美国和西欧在北方面实践上的特点，并建议可以采用一种更为普遍的方法。沉管隧道有两种基本类型，为表述本文，在此称之为“钢壳管段”和“混凝土管段”。由于每种类型都存在许多变形，因此这两种称法都非完全恰当；不过，这两种表达非常简便而且能够充分显示两种类型之间的差异。这两种类型之间的直接区别是其管段制作