类矩形盾构隧道错缝管片环间传力性能研究

针对类矩形错缝拼装盾构隧道,通过三环拼装管片进行环间传力性能试验研究,并与纵缝压弯试验进行对比分析,分析环缝间产生的剪力对纵缝变形的限制作用,明确弯矩传递机制。相同弯矩作用下,随着纵向力的增大,弯矩传递系数呈增大趋势;相同纵向力但不同弯矩作用下的环间传力性能有所变化。研究指出该类型接头的环间作用力的局限性,明确类矩形错缝拼装接缝附近的薄弱环节,对新型地铁衬砌设计和施工提供试验依据和技术支持。     

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。     

大直径盾构隧道斜螺栓-凹凸榫环缝剪切特性足尺试验研究

为分析大直径盾构隧道纵向连接发展规律,以济南黄河隧道工程为依托,设计管片足尺试验,通过环缝错台量-剪轴比关系及螺栓应变-剪轴比关系,研究大直径盾构隧道(外径15.2 m)环缝接头剪切变形规律及螺栓应变变化规律。根据试验结果,将环缝剪切划分为4个阶段：摩擦阶段(剪轴比0～0.17)、间隙闭合阶段(螺栓顺剪0.17～0.88,螺栓逆剪0.17～0.67)、强化阶段(螺栓顺剪0.88～,螺栓逆剪0.67～0.98)及破坏阶段(螺栓逆减0.98～)。结果表明,逆剪螺栓接头较顺剪螺栓接头更早进入强化阶段,逆剪螺栓接头的破坏剪轴比约为0.98;螺栓逆剪工况接头的抗剪效果低于螺栓顺剪工况,建议施工中错台量宜取12 mm作为控制指标;环缝错台曲线与螺栓应变曲线斜率变化时剪轴比具有一致性,验证了上述各阶段划分的合理性;根据螺栓各应变测点应变发展情况,明确了逆剪螺栓塑性区位置。     

双车道公路盾构隧道管片衬砌结构力学特性分析

针对市政双车道公路盾构隧道,采用有限元法进行了管片结构力学特性数值模拟分析。结果表明:通缝拼装比错缝拼装条件下管片结构的变形要大,而弯矩和剪力要小,轴力变化不大;同是错缝拼装,随着K块的位置不同,其内力和变形也不相同;通缝和错缝拼装的变形图和轴力图的形状是相同的,而弯矩图和剪力图形状不同。     

盾构隧道管片环向接头刚度的解析分析法

基于盾构隧道管片接头的细部构造,分析在正、负弯矩作用下接头分离前后接头的不同力学机理。通过建立接头力学平衡关系,给出在正、负弯矩作用下接头分离前后接头的抗拉刚度和抗弯刚度的非线性解析公式,以及接头的抗压刚度和抗剪刚度的线性解析公式。利用给出的解析公式获得接头的力学参数,通过建立匀质圆环模型、线性接头模型和非线性接头模型3种有限元模型,对比3种模型的内力和变形特征。结果表明:接头抗弯刚度会在接头分离时出现突变,此后接头抗弯刚度较分离前会表现出一定程度的减弱;螺栓预紧力是影响接头分离时螺栓拉力的主要因素,决定接头分离时的分离转角;考虑接头效应,衬砌的弯矩和剪力都会出现明显的减小,衬砌变形会出现较大程度的增加,但对轴力影响较小;管片环向接头分离后,接头抗弯刚度减弱,管片环弯矩尚有进一步减小,变形尚有进一步扩大的趋势。     

压弯荷载作用下带有定位榫盾构隧道管片接缝的力学特性

依托于国内一地铁盾构隧道,采用有限元软件ABAQUS建立带有定位榫的盾构隧道管片接头三维模型,从管片应力、接缝位移、螺栓内力、定位榫内力与变形四个方面对带有定位榫的盾构隧道管片接头抗弯力学性能进行分析。结果表明：管片压溃区开始于纵缝处并向前后两块夹持管片延伸,最终呈杠铃状;纵缝削弱了其左右两侧0.33 m范围内管片刚度;环缝与纵缝交点错台量和张开量最大;定位榫对螺栓受力状态影响显著,螺栓中部截面角度-7.5°～7.5°区域轴力突然减小,剪力突然增大,两个纵向螺栓轴力分别在弯矩大于300 kN·m和大于600 kN·m时在该区域出现反向现象;定位榫在弯矩作用下内力较小,剪力最大值出现在0°截面处;弯矩越大,定位榫变形量越大,但定位榫不同角度变形量之间的关系基本不受弯矩变化影响。     

束合管幕结构结合缝受剪性能足尺试验研究

为降低对城市地面道路、管线、建(构)筑物的影响,改善管幕法修建的地下通道结构受力,提出一种依托横向预应力的新型地下结构形式——U-BIT束合管幕工法。该工法采用矩形钢管,通过沿环向施加预应力,使各个钢管之间协同受力,形成受力整体,进而达到减小构件尺寸、提高结构的整体刚度和承载能力的效果。然而,U-BIT束合管幕结构的施工工艺以及结构性能的研究还处于初期阶段,其结构力学性能和受力薄弱点均不清晰,为保障该结构的施工安全,探究该束合管幕结构的性能以及拓展该结构的适用性,亟需对束合管幕结构的受力性能进行研究。本文在工程需求和前期文献调研的基础上,针对该束合管幕结构开展受剪性能的足尺试验,探究束合管幕结构在剪切作用下的变形响应,结果表明：预应力可有效增大结构抗剪刚度;结合缝薄弱位置出现在混凝土与钢管节的黏结界面处,无预应力作用时,主要由界面黏结作用及锁扣承担剪力,而锁扣抗剪承载仅在极限状态下发挥作用,设计时不宜考虑,建议仅考虑黏结作用;在结合缝张开以后,混凝土与钢管节有效黏结面积会显著减小,抗剪刚度随之降低,并引起结合缝错台的大幅增加,进一步引起抗剪承载力降低。     

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%。     

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。     

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。     

盾构管片衬砌纵向非均质等效连续模型

将盾构管片沿纵向分为环缝影响范围内、外两部分,环缝影响范围外取管片实际刚度,环缝影响范围内取等效刚度,环缝影响范围内、外连接处为刚性连接,推导出环缝影响范围内等效轴向刚度和等效弯曲刚度,并与等效连续均质模型的计算结果进行对比分析。提出了等效剪切刚度的概念。剪切刚度首先由管片接触面摩阻力提供,当剪切位移增大到螺栓与螺栓孔接触时螺栓参与抗剪,并推导出等效剪切刚度和剪切位移的计算式。讨论了环缝影响长度对各等效刚度的影响。     

纵向残余顶推力对盾构隧道纵向刚度影响试验研究

针对盾构隧道纵向刚度影响因素复杂、客观存在的纵向残余顶推力常被忽略等问题，以南昌地铁盾构隧道管片环为原型设计1∶10的缩尺模型，按环缝连接接头位置的不同，分2组开展纵向残余顶推力对隧道纵向刚度影响的试验研究，并结合工程实际分析影响盾构隧道纵向刚度的若干因素。结果表明：横向受力相同时，不同于刚度均匀简支梁反演得到的纵向挠曲变形，模型盾构隧道实测得到的纵向挠曲变形表现出明显的非线性特性；盾构隧道残余顶推力对其纵向刚度影响显著，刚度增长与纵向预压力增加呈现非线性关系；在相同纵向预压力作用下，角码布设在与水平线呈45°位置时，模型管片环之间可能发生的剪切位移量更大；盾构隧道残余顶推力、隧道挠曲变形阶段、环缝连接螺栓数量与形式、管片环缝端部构造等均对盾构隧道纵向刚度产生影响；隧道纵向挠曲变形主要由环缝张开及管片环之间的剪切滑移2部分导致，且管片环之间的剪切滑移具有随机性。     

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。     

大直径双护盾TBM隧道管片厚度设计研究

以我国一高原地区大直径公路隧道为依托,运用ANSYS有限元软件计算分析合理的衬砌管片厚度。结果表明:弯曲刚度有效率、弯矩提高率的不同组合对管片结构轴力、剪力影响不大,弯矩随弯曲刚度有效率的降低而增加;不同计算模型对管片结构轴力的影响较小,修正惯用法计算模型所得的弯矩、剪力最大,实体单元-弹簧模型所得的弯矩、剪力最小;管片厚度的改变对于管片结构轴力影响较小,随着管片厚度的增加管片结构所受弯矩增大。综合有限元分析结果、类似工程经验以及本工程所处的特殊地质条件,确定管片结构厚度为0.35 m。     

错缝拼装盾构管片的收敛变形研究

地铁隧道的收敛变形是影响地铁正常运营的重要因素,地铁保护区内工程施工造成的堆载、卸载、基坑降水等工况会导致地铁隧道收敛变形发生极大变化。为分析错缝拼装盾构管片的收敛变形规律,首先,设计和实施了三环足尺试验,发现管片在试验工况下呈"横鸭蛋"式变形,中环横向收敛变形存在进入塑性阶段的关键点,原因是纵缝螺栓屈服;然后,利用通用有限元软件ABAQUS建立三维有限元模型,经试验数据对比验证后,用该模型探究拼装方式对管片收敛变形的影响规律,发现在试验前后环拼装方式下,封顶块位于底部时横向收敛变形较小;环间错缝效应越强,收敛变形越小。     

剪切荷载作用下盾构隧道带新型定位榫管片的力学特性

基于成都某地铁工程应用的一种带新型定位榫的盾构隧道管片结构，运用ABAQUS软件分别建立有无定位榫的管片接头三维精细化模型，研究该定位榫对连接螺栓受力、管片塑性区分布以及管片错台量的影响，探究其在管片结构抗剪中的作用机理。结果表明：定位榫在管片受剪时承担总剪力的52%；定位榫能显著降低螺栓的受力，有定位榫后螺栓的轴力峰值至少下降75.1%、剪力峰值下降76.4%；有定位榫后螺栓塑性应变范围有所增大，但螺栓上下两侧的塑性应变峰值分别减小80.5%和90.6%；固定定位榫的凹槽对管片接缝面有削弱作用，导致管片环向和纵向的相对塑性区宽度分别增加93.7%和44.2%，但管片的最大塑性应变峰值减小7.2%，同时螺栓对管片径向的挤压也有所减小；剪切荷载小于460 kN时，带定位榫的管片错台量略大，剪切荷载超过460 kN后，带定位榫管片的错台量更小且增长速率更低。带新型定位榫的盾构隧道管片能够有效保护连接螺栓，改善接头力学性能。     

狮子洋水下盾构隧道衬砌结构受力的现场测试与计算分析

以狮子洋水下盾构隧道为背景,对管片衬砌在施工期和后期所受外荷载和结构内力进行长期现场追踪测试,总结衬砌结构外荷载和内力随时间变化规律。并采用三维壳-弹簧计算模型对大断面宽幅管片结构内力分布形态进行研究,与现场测试结果相互验证。研究结果表明:施工期管片衬砌脱环后容易形成无水压环箍作用下土体偏压状态;施工后期水、土压力长期随时间增长,结构内力随之增大,结构轴力较弯矩增幅明显。三维壳-弹簧计算模型适应大断面宽幅管片衬砌结构计算。试验和数值计算结果在量值和分布规律上一致。封顶块处弯矩较小,其弯矩由临近环衬砌结构承担;受环间接头错缝效应影响,幅宽边缘靠近衬砌结构纵缝处轴力发生突变。     

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.     

钢纤维混凝土管片结构力学特性研究

为探究钢纤维混凝土管片结构力学性能,对主筋用量不削减、掺入30 kg/m³钢纤维的钢筋钢纤维混凝土管片结构开展极限承载力试验。管片错缝拼装形成试验结构,通过环向24组千斤顶模拟水土作用对结构施加荷载,通过逐步减小腰部荷载模拟侧部卸载工况,直至结构破坏。在卸载工况下,结构每环在0°,90°,180°或270°等弯矩较大位置附近的3处纵缝先后发生混凝土压裂和压碎,最终在0°或180°附近管片钢筋屈服、混凝土压碎,结构形成4个塑性铰破坏。根据试验测试的应变数据对结构内力进行计算,分析钢纤维混凝土对结构刚度和承载力的提升作用。研究结果表明,相比普通混凝土结构,在刚度方面,管片初裂时,钢纤维混凝土管片刚度提升6.91%,当裂缝宽度超过0.2 mm时,钢纤维混凝土管片刚度提升3.45%,提升作用降低的原因是随着荷载增大,钢筋应力逐渐增加,钢筋对管片刚度的作用增大而钢纤维混凝土对刚度作用基本不变;接头混凝土压裂时,钢纤维混凝土接头刚度提升18.7%。在承载方面,钢纤维混凝土管片极限承载力提升6%,接头极限承载力提升3%,整体结构极限承载力提升4.2%。并且,由于钢纤维混凝土对接...     

考虑接头影响的盾构隧道地震响应分析

为探明地震作用下盾构隧道管片接头与拼装方式对其横断面地震内力及变形的影响,分别针对匀质圆环模型以及梁—弹簧模型开展反应位移法计算,对不同转角错缝拼装管片环的地震内力与变形进行对比分析。研究结果表明:两种模型计算所得衬砌横断面地震弯矩、轴力均呈反对称分布,在左右拱肩、拱脚部位出现最大值,地震剪力呈近似对称分布,整环内力图在管片接头处出现内凹或突变;与匀质圆环模型相比,梁—弹簧模型因考虑了管片接头与拼装角度造成地震内力计算结果相差20%左右,变形值则最大可造成40%以上的误差。综上可知,盾构隧道接头对其地震内力分布以及接头处变形均影响显著,采用匀质圆环模型计算管片转角时存在较大误差,当需要精确求解时该模型不再适用。