越江盾构隧道纵缝张开及收敛变形响应规律研究

隧道收敛变形能够直观地反映出隧道结构的安全状况, 是影响地铁正常运营的重要因素。 依托南京扬子江大断面盾构隧道, 建立了单环管片精细化数值模型, 以现场接缝张开度的健康监测数据验证数值模型的准确性与可行性, 研究了纵缝张开与收敛变形的关系以及螺栓预紧力和管片拼装角度对收敛变形的影响。 研究结果表明： (1) 纵缝张开是隧道环向发生收敛变形的关键因素, 管片绕接缝处转动是收敛变形的主要形态; (2) 对于大变形情况 (＞8‰D), 提高螺栓预紧力不建议成为控制收敛的主要手段; (3) 得到的 “纵缝张开-收敛变形” 拟合公式, 可用于近似估算圆砾及卵石全透水地层中不同拱腰收敛变形下的拱顶纵缝张开量。     

富水地层地铁地下车站关键节点新型防水技术

富水地区地铁车站结构复杂,现场施工难度大,特别是施工缝和后浇带混凝土因收缩或不均匀沉降容易引起渗漏水。以天津滨海新区地铁B1线欣嘉园地铁车站为例,将地下工程主体施工缝及后浇带等关键部位的防水结构进行改进优化：采用新型镀锌钢板丁基腻子止水带,将水泥基渗透结晶材料填充在环向施工缝和后浇带,并把多节注浆管在后续浇筑的混凝土里预埋,当拆除模板后即进行注浆;另外在桩头、穿墙管、止水带“十字”接头等部位采用新型装配式预制防水产品。实践证明,这些措施有效解决了地铁车站关键部位防水的难题。     

大跨度拱形无柱地铁车站抗震性能分析

采用土—结构相互作用原理针对我国首个明挖拱形无柱结构地铁车站———青岛地铁3号线保儿站进行了水平地震力作用下的有限元动力时程分析。结果表明,地震作用下地铁车站结构的动力反应较静力条件下的弯矩增幅在拱顶处最大,增幅率为42%;拱形结构和同跨度的矩形结构相比,在拱脚和边墙与底板连接处内力和变形都较大,在抗震设计时应特别注意加强这些部位的抗震措施;通过时程分析法可以看出在地震动0.1～0.9 s时,达到了结构的自振频率,地震动引起的地震反应最大,此频率点可以为地下结构反映谱的研究提供一定的参考。     

地铁隧道邻近地裂缝带的地震响应

采用数值模拟方法, 在不同震级人工地震波作用下, 研究了具有近距离平行地裂缝的地铁隧道的加速度、位移和内力特征, 计算了地裂缝的影响区域、围岩动土压力变化规律和隧道与围岩接触动土压力变化规律。研究结果表明: 在地表距隧道水平距离约25~50m范围内加速度响应存在一个附加放大区域; 当输入地震动强度较小时(50年超越概率为63%), 地铁隧道拱顶和拱底处相对水平位移都较小(约为0.39mm), 但随着输入地震动强度的增大(50年超越概率为2%), 拱顶和拱底的相对水平位移均逐渐增大, 最终增大至1.53mm; 在地震动作用下, 隧道结构的左、右拱肩和拱脚处的轴力都较大, 其中右拱脚处的轴力最大, 为1 926kN; 隧道结构的左、右拱腰处的弯矩和剪力都较大, 其中最大弯矩与最大剪力在右拱腰处, 分别为78.54kN·m与1 830kN; 随着地震动强度的增大, 隧道结构的内力逐渐增强; 地裂缝附近的动土压力较大, 并向两侧逐渐减小; 在中震作用下隧道拱顶处, 地裂缝上盘影响宽度为25m, 下盘影响宽度为20m, 在拱底处, 地裂缝上盘影响宽度为26m, 下盘影响宽度为22m;在大震作用下, 地裂缝上、下盘影响宽度较中震时增大约35%;地裂缝附近的隧道拱顶和拱底的动土压力变化规律与无地裂缝时基本一致, 但隧道结构附近的动土压力较大, 其最大值为138kPa; 在地震动作用下, 隧道结构拱腰处的接触动土压力增量较大, 右拱腰处即靠近地裂缝一侧最大, 增量为45.27%, 拱顶次之, 增量为13.41%, 拱底最小, 增量为6.86%。      

实体有限元模拟预制节段桥墩循环荷载分析

采用实体有限单元法模拟无粘结预应力、普通箍筋约束预制拼装桥墩在循环荷载下的力学反应,得到其荷栽位移滞回曲线。为了提高预制拼装桥墩的滞回性能,改进模型,使用贯穿节段接触面的普通纵向钢筋作为能量耗散装置增强耗能能力。改进后的模型残余变形小,滞回性能高。     

装配式桥预制拼装空心桩柱连接力学破坏行为研究

为深入研究装配式桥梁预制拼装空心桩柱连接弯曲破坏的力学性能,制备Φ800 mm预制拼装空心桩柱,试验测试其极限弯矩及抗裂弯矩,分析其承载力、抗弯强度及开裂发展规律,对预制拼装空心桩柱连接弯曲是否满足设计要求进行分析研究。试验结果表明：装配式桥梁预制拼装空心桩柱连接弯曲实际抗裂强度均超过设计值,当荷载达到165%开裂荷载时,构件首次出现裂缝,位于纯弯段的裂缝数量仅为2条,证明其设计合理、使用安全,可为预制拼装工程应用设计提供参考。     

高速铁路装配式隧道施工技术

近年来我国装配式建筑得到了长足的发展,高速铁路隧道工程作为一种特殊的工程结构采用装配式结构尚需进一步探索其技术的可行性。京沈客专星火枢纽工程作为铁科院的试车线,为探索和研究装配式隧道的受力、承载并采集相关行车参数而建,介绍了其相关施工关键技术。实践证明,装配式隧道构件预制、拼装精度能够满足铁路客专技术标准要求。     

新型装配式混凝土防撞墙动力有限元分析

为研究预制装配式防撞墙拼装界面在汽车碰撞事故中的表现,采用动态非线性理论对汽车-防撞墙耦合体系进行了ABAQUS有限元分析,先确立了碰撞体系模型,以最大动态变形量、峰值冲击力为指标,通过碰撞条件的变化,采用单一变量的方法分别研究了在碰撞速度不同的情况下和不同碰撞角度的情况下防撞墙对抗冲击性能的规律影响,分析验证此种连接的可靠性,为装配式防撞墙设计提供参考。     

梁板(柱)刚度比对地铁车站结构内力的影响研究

针对目前地铁车站结构设计中,结构截面刚度变化对车站结构内力的影响规律还有待进一步讨论分析的现状,以某地铁车站为例,利用ANSYS 13.0建立车站结构空间有限元模型。通过调整结构梁板刚度比和梁柱刚度比来探讨地铁车站结构内力的分布规律。由此得出结论:随着梁板刚度比的增大,各层板横向最大弯矩均减少,侧墙横向最大正弯矩增大,各层板纵梁最大弯矩均增大,柱子最大轴力减少;随着梁柱刚度比的增大,各层板纵梁最大弯矩和最大剪力以及柱子最大轴力均出现先增大后或减少或不变的现象,但以增大为主。     

预制双柱墩设计参数对抗震性能的影响分析

为研究预制装配式双柱墩的抗震性能,利用有限元软件ABAQUS针对两类预制装配式双柱墩(RC/PC墩)进行模拟分析,通过改变设计参数,研究不同恒载轴力比、预加力轴力比及接缝面纵向钢筋配筋率对结构抗震性能的影响.研究表明:PC墩耗能能力显著优于RC墩;接缝面纵向耗能钢筋对耗能能力和抗剪承载力影响较大,钢筋配筋率越大,结构耗...     

Prototype Loading Tests on Full-Ring Segmental Lining of Rectangular Shield Tunnel

A series of full-scale loading tests are performed for a prospective subway tunnel with a rectangular shape including two reliability tests: one stagger-jointed three-ring reliability test, and one ultimate failure test on a single ring. Comprehensive measuring programs are designed to record the deformation of both lining structure and joints and the stresses of concrete, bolts and reinforcements. Experimental results show that in both the single-ring and three-ring loading cases, the long sides of tunnel cross section bend inwards while the short sides of tunnel cross section bend outwards. The inner part of joints opens while the outer part of joints closes at places experiencing positive moment and vice versa. Joint’s rotational stiffness varies at different locations. Concrete cracking and crushing are the chief damage modes, and they are closely related to the distribution of bending moment. Stagger-jointed fabrication significantly increases the overall rigidity of lining system, which thereby greatly reduces the deformation of both concrete lining and joints in comparison with the single-ring case. It is shown that the routinely-used uniform rigidity model is conservative and the preliminary design can be optimized by applying an effective rigidity ratio (ERR) of 0.5.     

车站洞门环梁与隧道管片连接螺栓的粘结-滑移

地铁车站洞口的混凝土环梁与隧道管片之间一般通过螺栓连接,螺栓往往以预埋的方式锚入车站环梁内,并且与握裹它的混凝土之间存在粘结-滑移变形,这对环缝张开宽度和环梁结构损伤发展都可能产生影响,为进一步明确其中的机理及影响程度,参考既有的粘结-滑移本构模型,利用可细化分析粘结-滑移的有限元分析平台,在充分考虑材料非线性特征的基础上,针对3种不同型号螺栓,分别考虑锚固长度足够和不足两种情况,分析了螺栓在环梁内的粘结-滑移,以及环缝宽度增大的过程;通过量化分析粘结应力和螺栓应力沿螺栓长度的分布,揭示了粘结-滑移对环缝宽度发展的影响机制. 分析表明:采用粘结-滑移模型时,得到的螺栓连接刚度介于嵌固模型和弹簧模型之间,粘结-滑移变形对盾构管片和车站环梁之间环缝宽度的影响不可忽略;仅考虑受拉影响,即便在锚固长度足够的情况下,当螺栓接近屈服时,螺栓与环梁间的粘结-滑移变形在环缝张开宽度中占比最大可达30%,螺栓屈服后,这个滑移占比会随环缝扩展降至8%以下,受此影响,考虑粘结-滑移的螺栓抗拉刚度最低约为完全嵌固模型的1/3.       

新型装配式倒T形空心板桥受力性能

为解决现有装配式空心板桥的铰缝病害, 提出了一种新型装配式倒T形空心板桥; 进行了跨径8 m的倒T形空心板桥足尺模型试验和非线性有限元分析, 研究了车辆荷载作用下倒T形空心板桥各组成构件的应力、挠度和裂缝分布等, 得到了倒T形空心板桥的受力机理与破坏模式; 对比了倒T形空心板桥与带门式钢筋空心板桥的受力性能, 验证了倒T形空心板解决铰缝开裂问题的有效性。研究结果表明: 倒T形空心板桥的破坏过程分为弹性阶段、空心板开裂阶段、现浇结构层混凝土开裂阶段和受拉钢筋与钢板屈服阶段, 其整体受力性能良好, 极限荷载是带门式钢筋空心板桥的1.4倍; Ω形钢板上方受拉区混凝土首先达到拉应力限值3.17 MPa, 是受力薄弱部位; 由于Ω形和L形钢板的设置, 现浇结构层混凝土开裂时, 与结构层等高度的各结合面处的法向和切向黏结应力均不会超过限值2.30和0.29 MPa, 避免了结合面的黏结失效; 与带门式钢筋的空心板桥相比, 倒T形空心板构造不会减小空心板的开裂荷载, 且新旧混凝土结合面开裂在空心板开裂之后, 可从根本上解决传统空心板桥在车辆荷载作用下铰缝先于空心板开裂的问题。      

封顶块位置对高水压通缝拼装管片结构的影响

为了探明封顶块位置对盾构隧道管片结构力学行为的影响,基于苏通GIL （gas-insulated transmission）综合管廊隧道工程,选取封顶块在拱顶和拱腰两种代表性工况,开展了高水压条件下的通缝拼装管片结构原型试验,从管片结构的变形、受力、裂纹开展情况和最终破坏状态等方面对两种工况的试验结果进行分析. 研究结果表明:不同封顶块位置对管片结构的影响总体表现为对结构整体刚度的削弱不同,其形成的刚度削弱区域抵抗指向洞外变形的能力要强于指向洞内变形的能力;封顶块位于拱腰时结构整体刚度更大,管片结构椭圆度和单点最大位移均分别减小了39.8%和38.2%;封顶块位于拱顶时结构抗弯刚度削弱明显,易出现较大的纵缝张开,而封顶块位于拱腰时管片最大纵缝张开量明显减小,仅为前者的53.3%,且连接螺栓受力减小了54.4%;封顶块位于拱腰时,管片环拱底内弧面更容易产生裂纹、开裂荷载相对更小,管片内部主筋更早进入受拉状态;封顶块位于拱顶时管片结构由于纵缝张开量较大,在较高水压的情况下破坏始于纵缝处混凝土的压剪破坏进而导致的结构失稳.      

地震作用下盾构隧道纵向接头的受力特征

实际工程中,盾构隧道纵向接头是结构受力和变形的薄弱部位,针对盾构隧道纵向接头细部构造在地震作用下的受力特征,提出了一套由整体到局部的数值分析流程.首先建立基于纵向等效刚度梁的三维地层-结构时程分析模型,然后以该模型计算得到的纵向内力极值作为盾构隧道整环三维分析模型的外荷载,获取隧道最不利区域边界力,最后将边界力施加在盾构隧道纵向接头局部精细化分析模型之上,分析纵向接头细部构造受力特征;并以某综合管廊工程为背景对该方法进行具体阐述和讨论. 研究结果表明:地震波横向激励时,盾构隧道纵向以往复的水平弯曲为主,而纵向激励时,则以往复的竖向弯曲和纵向拉压为主;在纵向张开量最大的局部区域,不论是轴向拉力工况还是纵向水平弯矩工况,该局部区域都处于受拉状态,两种工况对该局部区域受力模式不产生本质影响;当盾构隧道纵向最大张开量的局部区域受拉时,最大拉应力区均位于管片内侧手孔部位,最大压应力区则围绕螺栓孔成环形分布.      

落石冲击下拱形明洞结构受力的模型试验研究

为研究落石冲击下拱形明洞结构的受力特点,通过改变落石质量及回填土厚度,利用1∶30缩尺模型试验分析了结构落石冲击所在断面不同部位的横向应变、轴力及弯矩等内力响应最大峰值的大小及分布特征,对各内力最大峰值随回填土厚度的变化趋势进行了分析,最后利用结构变形、弯矩及轴力图,对落石冲击下有回填土拱形明洞结构受力模式进行了总结. 研究结果表明:拱顶部位力学响应最显著,拱肩次之,拱腰及仰拱最小;结构受力形态可描述为拱顶部位轴向受拉、拱肩及以下部位为轴向受压的力学模式;与静力学分析隧道或明洞衬砌结构的荷载-结构模式不同,现行隧道设计规范中按素混凝土偏心受压构件对拱顶结构进行安全检算的方法并不适用于落石冲击工况;回填土厚度的增大有利于结构拱顶、拱肩及仰拱结构的受力,但对拱腰部位影响复杂,在设计时需结合落石规模、边墙形式及回填方式等进行具体分析.      

装配式空心板桥改进型铰缝结合面受力性能

为了改进装配式空心板桥横向受力性能,设计了在铰缝结合面上利用连续钢板代替间断钢筋和改进铰缝结构与填充材料的2种铰缝改进措施,采用局部模型试验计算了铰缝结合面的法向和切向强度,提出了采用间断钢筋和连续钢板的铰缝结合面抗弯、抗剪承载能力计算公式。研究结果表明:局部模型试验值与公式计算值的误差不超过10%,表明所提出的抗弯、抗剪承载能力计算公式可以准确地计算采用连续钢板的铰缝结合面承载能力;未采用结合面钢筋的深铰缝,结合面法向强度为1.29 MPa,为弱侧混凝土轴心抗拉强度的39%,结合面切向强度为0.45 MPa,为弱侧混凝土轴心抗压强度的1.5%;采用间断钢筋和连续钢板的铰缝结合面法向强度较未采用结合面钢筋的铰缝分别提高了98%和73%,结合面切向强度分别提高了71%和78%;普通混凝土浅铰缝结合面法向强度为1.30 MPa,为弱侧混凝土轴心抗拉强度的40%,结合面切向强度为0.33 MPa,为弱侧混凝土轴心抗压强度的1.1%;采用UHPC填充深、浅铰缝的结合面法向强度较普通混凝土填充深、浅铰缝分别提高了13%和21%,结合面切向强度分别提高了64%和94%。      

装配式板梁铰缝加固效果的数值分析

根据装配式空心板铰缝的受力特点,对各种板梁铰缝加固方案的加固效果进行数值分析。采用有限元软件ANSYS建立空心板梁桥实体模型,模拟板梁桥在车道荷载作用下的受力状态,研究板梁加固前后空心板桥主要力学性能的变化规律,比较各种铰缝加固方式的力学效果。由分析结果可知,各种加固方案均能在不同程度上恢复和提高板梁的横向刚度,在板梁底缘粘贴钢板最能改善铰缝的受力性能,但施工方便性不够;在板梁上缘粘贴钢板的方案加固效果最不理想;而在顶板粘贴槽钢及顶板混凝土与部分桥面铺装混凝土联合受力效果较好。     

土-结构相互作用地铁车站三维有限元分析

采用有限元分析方法对大连南关岭地铁车站结构强度大变形问题进行了三维分析．获得了地铁车站结构在上压力,浮力,恒、活荷载等综合载荷作用下位移量及其对比关系,土-车站结卡勾的相互作用对柱、侧墙等结构应力的分布情况的影响．与以往地下乍站二维模型分析结果对比,三维模型更合理,更全面,更接近工程实际．较真实地反映了地铁车站结构的变形受力特点．