盾构隧道管片接头三维精细化数值模拟研究

针对现有盾构隧道管片接头构造数值模拟难以准确反映接头实际受力和变形过程的问题,以苏通GIL工程管片接头为研究对象,建立三维精细化接头数值模型,模型采用实体单元模拟接头混凝土、螺栓、套筒、垫片等构造并在螺栓上施加预紧力,采用梁单元模拟钢筋。通过接头抗弯足尺试验验证数值模型计算结果的准确性,进而分析螺栓连接状态对于接头抗弯性能的影响。结果表明： 1）所建立的接头三维精细化模型能较好地反映接头在压弯荷载作用下的变形规律,与接头抗弯足尺试验结果的对比表明其具有较好的计算准确度; 2）正负弯矩作用下,无螺栓时接头总体上更易发生张开和竖向变形,正弯矩下有无螺栓对于接头张开、竖向变形的影响较大且与轴力和弯矩有关,负弯矩下两者之间的差距较小且基本不变; 3）接头采用斜螺栓连接时,正弯矩下有无螺栓对于接头抗弯刚度的影响较负弯矩下更大。     

螺栓对盾构隧道管片接头抗弯承载力的影响

抗弯承载力是管片接头的重要力学属性,可为评价管片接头或整环结构承载安全提供重要参考,而螺栓是管片接头的重要组成部分,由于实际工程中接头连接螺栓可能失效,因此研究螺栓对于管片接头抗弯承载力的影响十分必要。为此,首先基于经典钢筋混凝土构件抗弯理论和压弯荷载下管片接头受力特征,建立了考虑复杂接缝面构造的接头抗弯承载力理论模型,然后分别开展有螺栓接头和无螺栓接头抗弯破坏试验对理论模型进行验证,最后基于理论模型,针对厚度0.40~0.65 m的6种典型管片接头,分析有、无螺栓对接头抗弯承载力的影响。研究结果表明：高轴压下,有螺栓管片接头和无螺栓管片接头的破坏过程分别可分为3个阶段和2个阶段,接头受压区边缘混凝土接触后破坏现象开始密集产生;正负弯矩下,有螺栓和无螺栓接头抗弯承载力理论模型与足尺试验的最大相对误差分别为5.6%和6.1%,表明理论模型具有较高的计算精度;对于不同厚度管片接头,轴压比大于0.309~0.455（正弯,负弯为0.417~0.499）或偏心距小于0.101~0.166 m （正弯,负弯为0.071 1~0.099 2 m）时,螺栓对其抗弯承载力无影响,因此当管片接头处出现连接螺栓失效等情况时,可适当增大接头轴力或降低接头偏心距,以减小螺栓对接头抗弯承载安全的影响。     

煤矿盾构斜井管片衬砌接头抗弯力学性能的试验研究

针对鄂尔多斯市补连塔矿区2号辅运平硐盾构斜井管片衬砌接头结构特性,开展了管片接头抗弯试验研究。试验制作了足尺寸的盾构管片,管片接头采用工程现场使用的螺栓。在管片接头附近位置合理布置了应变、位移传感器。试验在不同的轴力下,对接头结构逐级施加弯矩荷载,并进行了破坏试验。通过测试接头应变位移分析,结果表明:在弯矩荷载的加大过程中,管片接头的力学特性表现为明显的非线性;管片接头抗弯刚度不仅与结构本身有关,还与弯矩、轴力有关,并给出了相关参考值;螺栓孔对于管片衬砌端头刚度有一定的削弱作用;接头结构的破坏是一个非线性     

大断面盾构隧道管片接头抗弯刚度取值研究

为找到一种便于工程应用的管片接头抗弯刚度取值方法,采用考虑管片接头复杂结构形式、混凝土非线性材料特性以及接缝面复杂接触传力特点的大断面管片接头抗弯分析力学模型,对广深港狮子洋隧道和南京长江隧道2座典型大断面隧道的管片接头抗弯刚度Kθ进行计算; 基于所得到的抗弯刚度Kθ的非线性变化规律和数据分析方法建立抗弯刚度取值经验公式,并开展接头抗弯足尺试验对取值结果进行验证。结果表明： 1）当接缝轴力不变时,抗弯刚度随弯矩的增大表现出明显的非线性变化规律,由接触上升段、线性下降段以及非线性下降段组成; 2）抗弯刚度与轴压比的作用关系曲线近似为线性; 3）抗弯刚度与偏心距的作用关系中分为正常使用状态下的小变形区以及伴有混凝土压碎、螺栓屈服特征的大变形区,其抗弯刚度-偏心距关系曲线可分别近似为直线和抛物线; 4）抗弯刚度经验公式的计算结果与接头抗弯足尺试验结果的相符度较高,表明该取值方法合理且计算准确度较高。     

螺栓锈蚀对盾构隧道接头抗弯性能的影响研究

为研究螺栓锈蚀对隧道服役性能的影响,通过考虑不同荷载类型和偏心距的情况,采用数值模拟的方法对连接螺栓锈蚀后盾构隧道接头极限承载力和抗弯刚度的变化进行分析,并与模型试验数据进行对比。通过对比分析发现： 1）螺栓锈蚀后受压区混凝土和螺栓屈服时的接头弯矩有所降低,结构弹性极限降低。2）在结构弹性阶段,螺栓锈蚀基本不会影响管片的接头抗弯性能; 在塑性阶段,螺栓锈蚀会使接头的变形增大,接头抗弯刚度降低。3）螺栓锈蚀会降低接头的极限承载力,极限承载力的退化程度与螺栓锈蚀率有关,与螺栓锈蚀范围的大小无关; 在负弯矩工况中,螺栓锈蚀还会改变接头的破坏状态。     

盾构隧道管片接头三维数值模型边界条件研究

三维精细化数值模型有助于深入研究盾构隧道管片接头的力学性能,如何准确地将室内试验和数值模型的边界条件相对应是研究中的关键问题之一。在接头抗弯性能的研究中,轴力偏心距的影响不可忽视,以往研究大多对其进行理想化的处理,因此带来较大误差。针对管片接头压碎试验中轴力施加位置的不确定性进行探讨,证明了通过求解线性方程,并根据数值模拟和试验的偏差来确定初始轴力偏心距的可行性和合理性。并模拟出了管片接头在正负弯矩作用下变形至破坏的全过程,最后对正负弯矩作用下管片接头抗弯试验和三维有限元模拟提出建议。     

错台对盾构管片纵缝压弯力学性态的影响

管片错台是盾构隧道的常见病害,严重危害了隧道的安全及耐久性,但关于错台对管片结构力学性能的影响研究还不充分,其发生机制尚不明确。采用足尺试验和数值模拟研究了错台对管片纵缝抗弯性能的影响。首先,针对错台管片接缝试件进行正负弯矩下的足尺压弯试验,建立并验证了考虑混凝土损伤的三维精细化错台接缝数值模型,综合试验数据和数值结果,总结了错台纵缝的破坏过程和破坏特征;然后,开展不同错台量工况下隧道纵缝的数值模拟计算,分析了不同错台量对管片接缝力学性态的影响。结果表明：错台管片接缝的破坏过程可分为5个阶段,阶段间的4个特征点分别为螺栓开始受力、管片明显损伤、管片顶部闭合和接缝破坏。错台对正弯矩接缝力学性能影响较小,但对负弯矩接缝抗弯能力影响明显,极限负弯矩承载力下降11.7%,第1阶段刚度下降22.8%,并且两者均随错台量的增加而线性减小。相对于无错台工况,错台接缝会引起螺栓对螺栓孔混凝土过度挤压,使其出现严重压溃,且负弯矩下管片内侧受力不对称导致受压损伤加剧,会提前形成因开裂导致的渗漏水通道。因此,在隧道运营阶段,应根据错台量正确预估接缝的承载力,并考虑错台可能引起的局部混凝土压溃等混凝土病害及二...     

深埋排水调蓄盾构隧道管片1∶1力学试验系统的研发与应用

建设深埋排水调蓄隧道是缓解城市内涝问题的最有效方法之一。深埋排水调蓄隧道管片由于其直径大、外部水土荷载大、受内水压等特点,在工程实际应用前须对其受力变形特征进行研究。提出了一种1∶1平躺式原型盾构管片力学加载方法,并建立了一套管片模型试验数据采集系统。基于该试验系统,以上海苏州河段深埋排水调蓄水隧道为例,通过单环整环试验研究了埋深增加、蓄水和排水状态下管片结构内力和变形的变化规律,建立了接头抗弯刚度与偏心距之间的关系。试验结果表明:空管状态竖向收敛和水平收敛值分别为18,20mm,满管状态竖向和水平收敛值分别为78,80mm,蓄水对管片受力变形较埋深增加影响更为明显;卸载后管片变形无法恢复到初始状态,管片整体呈现非完全弹性的特点;接头抗弯刚度受管片内力影响较大并呈现空间变异性,空管状态接头抗弯刚度约为满管接头抗弯刚度的3~6倍;抗弯刚度与偏心距近似呈反比例函数关系,正负弯矩条件下均可以划分为3个阶段。     

大断面矩形盾构隧道管片接头极限抗弯承载力试验

为了研究大断面矩形盾构隧道管片接头结构的力学性能及其极限承载能力和极限破坏状态,进行了该管片接头的极限抗弯承载力试验。试验在同济大学自主研发的盾构隧道管片接头试验加载系统中进行,采用Datataker数据采集系统记录了接头试件在荷载作用下的力学性能变化过程,同时采集并记录了该接头的破坏过程和最终破坏形态。通过分析管片接缝张角、接头处挠度以及双排螺栓应力随接头处弯矩荷载的变化,对该管片接头结构力学性能变化及破坏全过程进行研究,并将其分为3个阶段:弹性变化阶段(弯矩小于450kN·m)、塑性发展阶段(弯矩为450~800kN·m)、屈服破坏阶段(弯矩大于800kN·m)。试验结果表明:正弯矩荷载下该断面形式的大断面矩形盾构隧道管片接头屈服弯矩为800kN·m,极限抗弯承载力为884kN·m,均远大于该管片接头设计荷载(534kN·m),意味着试验的大断面矩形盾构隧道管片接头可满足抗弯设计的要求,并为类似工程提供参考。管片接头试件的最终破坏形态表明,除了传统圆形盾构隧道管片接头试验中常见的接缝混凝土受压屈服破坏、接头螺栓受拉屈服破坏以外,所研究的大断面矩形盾构隧道纵缝接头出现了新的破坏形态,即接头盒断裂和锚固失效。     

考虑接头非线性的壳-接触盾构隧道衬砌计算模型研究

处于低轴力水平、复杂受力过程的盾构衬砌,如输水盾构隧道、联络通道以及盾构法车站等工程施工全过程对应结构形式,其模型计算对隧道环纵缝接头刚度和强度随衬砌内力的非线性变化提出更高的要求。为解决上述具有特殊使用功能的盾构隧道衬砌内力计算中接头刚度非线性变化明显的问题,提出一种盾构衬砌管片计算模型——壳-接触模型,该模型考虑环纵向螺栓在管片厚度方向的空间分布,在管片接头处采用"压剪耦合"的设计理念。以接头抗弯数值模型与室内抗弯试验结果对比反映模型对接头弯曲特性模拟的合理性;通过与壳-弹簧模型分析结果对比,由管片错台差异体现模型接头整体抗剪刚度、抗剪强度的非线性特征,由环向螺栓力学差异确定模型在接头处于压弯力学组合状态下螺栓对衬砌刚度的实际贡献,由此验证壳-接触模型对衬砌力学行为模拟的合理性。     

不同接触并存的管片接头力学分析

大型管片接头接缝面趋于复杂化,使得接头受力和变形也将有复杂反应。采用能模拟接头复杂特性的管片接头力学模型,对管片接头在同一接缝面上并存的2种不同接触情况进行力学分析。研究表明： 1）当外侧缝隙量适当增大时,能延缓管片接头混凝土压溃,提高接头破坏弯矩的水平,并促使破坏形式从混凝土压溃的脆性破坏向螺栓屈服的塑性破坏变化,对结构设计有利; 2）当接缝面中部夹填适当厚度的局部承压衬垫时,弯矩与转角关系曲线趋于直线形,抗弯刚度水平没有明显下降,接缝张开量也没有增大,接缝面中部区域承压始终较充分,对防水有利; 3）当同一接缝面上的2种接触的尺寸或材料选取不当时,会引起接头性能明显下降,需谨慎设计。     

围压对错缝拼装管片衬砌结构力学性能的影响

为了探明围压对盾构隧道错缝拼装管片衬砌结构力学性能的影响,以苏通GIL电力管廊隧道为工程背景,采用"多功能盾构隧道结构体试验系统"对3种不同围压下的错缝拼装的管片衬砌结构进行了原型加载试验,从管片衬砌结构的内力、变形、纵缝张开、螺栓应变和主筋应变等方面研究了围压对管片衬砌结构的影响。研究结果表明：①围压变化对管片衬砌结构弯矩的大小和分布影响较小,而对轴力大小和分布影响较大,围压增大,管片衬砌结构的轴力分布更为均匀;②管片衬砌结构的形变呈现不规则的"椭圆形",围压增大可显著降低管片衬砌结构的整体形变,提高管片衬砌结构的稳定性;③围压增大有利于控制管片纵缝张开量,减小螺栓的应变;④围压的增大能够降低管片内侧主筋拉应变,但管片外侧主筋的压应力会随围压的增大而增大,使得正常使用阶段管片外侧主筋应力由压应力控制;⑤围压增大能够有效延长管片衬砌结构单点位移、纵缝张开、螺栓应变线性变化过程,延缓了管片衬砌结构进入塑性变形的时间;⑥高围压条件下管片结构处于高轴压受力状态,使得管片结构外侧受压钢筋应力增大,易造成钢筋屈服先于混凝土压溃发生,使管片结构抗压强度降低。在进行工程设计时,建议对高围压下管片结构的外侧受压钢筋进行加强设计。     

装配式隧道圆形和方形钢榫接头抗弯性能大尺寸试验

接头是装配式隧道建设和运营阶段最为薄弱和关键的部位,其设计及力学性能评估是一项必要的研究工作。为评估圆形和方形钢榫接头的抗弯性能,开展了大尺寸接头抗弯试验,研究了接头在荷载作用下的竖向挠度、接缝张开量及应变变化规律,探讨了其接头旋转角、延性、断裂韧性及破坏模式。研究结果表明:圆形钢榫接头的承载能力弱于方形钢榫接头,极限荷载及其对应的挠度分别比方形钢榫接头小77.71 kN和6.797 mm;同一荷载水平下,方形钢榫接头的张开量和旋转角更小,其抗变形能力强于圆形钢榫接头;2种钢榫接头的混凝土和钢筋应变响应规律在整体上相似,但方形钢榫接头的最大压应变仅为圆形钢榫接头的15%;圆形钢榫接头表现出渐进失效行为,其挠度延性指数和旋转延性指数分别是方形钢榫接头的2.28倍和1.98倍,且最终旋转角和单位荷载下旋转角增量均小于方形钢榫接头;2种钢榫接头受压弯曲时,圆形钢柱将荷载传递至接头底部,使混凝土受拉区破坏过大,主要表现出拉弯破坏模式,而方形钢柱联合更多承压区混凝土受荷,使承压区混凝土破损面积为圆形钢榫接头的3倍左右,主要表现出压弯破坏模式。研究结果可为装配式矩形隧道的接头设计提供参考。     

钢-UHPC组合梁负弯矩区受力性能试验

为解决钢-混组合梁负弯矩区桥面板的开裂问题,以桥面连续钢-混组合梁为研究对象,负弯矩区桥面板采用超高性能混凝土（Ultra-High-Performance Concrete,UHPC）代替传统普通混凝土,对其抗裂性能展开研究,并设计3根不同负弯矩区接口形式的钢-UHPC组合梁,采用一种独特的转角加载方式进行全过程静力加载试验,获得转角、临界开裂荷载、应变等关键试验数据;基于Abaqus的混凝土塑性损伤模型建立试验梁的非线性有限元模型,并对试验过程进行模拟。研究结果表明：钢-混组合梁负弯矩区采用UHPC,能明显提高负弯矩区的开裂性能、有效解决了负弯矩区桥面板的开裂问题;建议了合理的负弯矩区接口形式及负弯矩区UHPC纵向铺设长度取0.1L;采用黏结滑移理论,提出了简易的UHPC裂缝宽度计算公式。     

钢筋混凝土直螺栓管片接头抗弯极限承载力的简化计算模型

为了研究盾构隧道混凝土管片中轴力对接头极限弯矩的影响,将螺栓连接的混凝土管片接头简化成梁模型,建立混凝土管片接头极限承载力的计算模型。基于弯矩作用下管片接头截面平面变形假定,推导管片接头截面力平衡和弯矩平衡表达式,建立受拉区螺栓应力与受压区高度和混凝土极限应变之间的关系。以北京地铁隧道和上海地铁隧道管片为例,分析轴力对混凝土管片接头极限承载力的影响,并研究管片接头的破坏方式。研究表明,地铁隧道管片接头的极限承载力随着轴力的增加而增加,将解析模型计算结果与有限元模型结果进行对比,验证了所提出计算模型的准确性。     

新型矩形盾构接头力学性态的有限元分析

为分析评价带有接头盒的大断面矩形盾构管片接头构造和受力的合理性,基于管片纵缝接头足尺力学试验的结果,采用ABAQUS有限元软件建立该类盾构管片纵缝接头的三维精细化计算模型。通过一些分析指标,定性定量地评价在正常使用条件下各个接头的工作性态,研究正负弯矩工况下接头受力全过程的特征。结果表明:1)正弯矩工况下的接头,弯矩-转角全过程破坏曲线呈现三折线模式,在正常使用条件下各接头均处于第2阶段,转动刚度约为100 MN·m/rad,部件均处于弹性工况,接头设计与位置选择合理;2)负弯矩工况下的接头,弯矩-转角全过程破坏曲线呈现双折线模式,正常使用工况下各接头均处于第1阶段,转动刚度约为276 MN·m/rad,但接头受力处于2阶段的临界位置,所受负弯矩值偏大,安全储备较低,设计时应当注意。     

基于原位监测的装配式地铁车站结构拱顶接头力学性能分析

为研究对装配式结构承载起到关键作用的拱顶接头力学性能，基于长春地铁装配式车站长期原位监控量测，对承受弯矩较大的拱顶接头进行整个施工期的力学行为分析，讨论拱顶接头应力、相对变形量以及相对转角随施工进程的变化趋势，分析拱顶接头在不同施工阶段的性能表现，并与数值计算结果进行比较。研究表明： 1）顶部构件落拱拼装成环刚开始，结构有一段时间的自适应期，接头应力和变形较大； 2）覆土回填以及水位恢复之后，接头所受轴力增大，应力和变形减小，对接头承载起到正向作用； 3）接头应力整体变化幅度不大，施工期间双榫接头的2个榫头依靠彼此的咬合作用承担外力，并表现出一拉一压2种不同的性质，施工结束之后最终都稳定在压应力状态； 4)拱顶接头整体变形较小，安全余量较大。