大断面矩形盾构隧道等效抗弯刚度研究

矩形盾构隧道纵向等效抗弯刚度是衡量隧道受力变形的重要参数,对于指导施工及隧道纵向结构设计具有重大意义。将横向刚度与纵向等效抗弯刚度联立起来,由力学平衡条件确定中性轴位置,根据弯矩平衡条件及等效连续梁转角公式推导得到大断面矩形盾构隧道纵向等效抗弯刚度解析解,并探讨了管片宽厚比、长短边螺栓分布、管片厚度等对纵向等效抗弯刚度的影响。研究结果表明:截面长宽比由1增长100%时,隧道纵向等效抗弯刚度有效率η由2.787 5降低为原来的15.3%,最终值为0.426 2;中性轴距离c减小了49.6%,最终值为2.273 0 m;截面厚度t由0.25增长到0.55时,中性轴距离c由2.188 5 m降低0.62%,纵向等效抗弯刚度有效率η由0.099 m增加7.8%;长短边厚度比由1增长到2时,中性轴位置c由2.174 9 m增长0.34%,纵向等效抗弯刚度有效率η由0.106 7降低了21.27%;截面螺栓个数从30增加到80时,c由2.150 4增长1.43%,纵向等效抗弯刚度有效率η由0.121 6降低了12.25%。考虑螺栓分别沿隧道截面长短边均匀分布时,纵向等效抗弯刚度及抗弯刚度有效率大约为理想情况下螺栓均匀化分布时的2/3。在截面螺栓总数不变的前提下,适当降低截面短边螺栓所占比例可有效提升截面抗弯性能。     

高速公路隧道装配式仰拱接头力学性能研究

为研究公路隧道装配式仰拱结构接头的力学性能,首先建立装配式仰拱接头三维数值计算模型,模拟接头细部结构,分析比较弯螺栓、直螺栓对仰拱接头在不同轴力、弯矩组合作用下接头张开量、转角、螺栓应力以及接触压应力等的变化规律。然后采用大比例尺室内仰拱接头加载试验对模拟结果进行验证。结果表明：接头张开量、转角随着弯矩增加不断增大,接头抗弯刚度不断降低;接头张开量、转角随轴力增加而减小,接头抗弯刚度则不断增大;弯螺栓接头抗弯刚度大于直螺栓接头抗弯刚度;螺栓整体受拉,螺杆受力状态与螺栓形式及接头变形有关,整体上弯螺栓应力大于直螺栓应力。对比分析数值和试验结果,整体变化趋势一致。研究成果为公路隧道装配式仰拱接头设计提供参考。     

盾构隧道带榫环缝受力和变形修正计算方法

目的 研究附加荷载作用下地铁盾构隧道带榫环缝的变形演化规律及其受力特征,分析螺栓受力特点,给出一种环间变形控制指标.方法 建立一种双面弹性地基梁-纵向等效连续化修正模型,可得到纵向连接螺栓受弯引起的拉应力;研究有榫环缝受剪时阶段性变形特征及纵向螺栓受力特点,对环缝处错台量和张开量的界限值进行探讨.结果 以纵向连接螺栓受...     

盾构隧道纵向等效抗扭刚度与抗扭性能研究

盾构隧道因具有拼接特性,在非对称外荷载作用下易产生纵向不均匀扭转。过量的不均匀扭转将导致管片和螺栓产生较大应力和变形,并发生环缝错位和轨道倾斜,严重影响隧道安全,但目前工程界对隧道扭转问题的认识和关注仍不足。为研究盾构隧道纵向抗扭性能,首先,基于等效连续化模型和力平衡方程,推导不同受力组合状态下的盾构隧道纵向等效抗扭刚度计算方法;其次,将抗扭刚度的解析解与有限元模拟结果进行对比,验证提出的抗扭刚度解析方法的有效性。最后,分析管片厚径比、宽径比、螺栓剪切长度以及隧道纵向轴力和弯矩等对抗扭刚度的影响,并给出隧道自抗扭临界荷载(N0,M0)包络图。研究结果表明：隧道纵向抗扭刚度有效率随着管片厚度与直径之比增大而减小,而随着管片环宽与直径之比增大而增大;盾构隧道纵向抗扭刚度有效率随着螺栓的等效剪切长度增大而减小;螺栓等效剪切长度仅影响环缝的扭转变形,而对接缝中性轴、扭转中心位置等没有影响;盾构隧道纵向抗扭刚度有效率随着压扭比或弯扭比增大而增大。设计中控制合理的压扭比与弯扭比对隧道抗扭十分重要。建议将螺栓增大预紧力或采用预应力管片结构视为提升盾构隧道抗扭性能的有效措施。     

预制管廊横向接头抗弯力学模型及取值方法

接头导致预制预应力综合管廊结构刚度分布不均匀,内力以及变形发生变化,而抗弯刚度是衡量管廊接头性能的重要指标以及评价管廊结构整体力学性能的重要参数.在考虑横向接头截面实际构造形式以及受力变形特点的基础上,通过内力平衡和变形协调条件,建立了可以表征接头截面从受力到破坏各阶段的力学模型以及相应的理论解析表达式.通过数值模拟的方法对接头抗弯刚度影响因素进行了敏感性分析,并在此基础上将理论计算结果与数值模拟结果进行对比,最后根据得出的抗弯刚度变化规律提出了管廊横向接头抗弯刚度两阶段取值方法,研究结果可为预制管廊的设计和理论分析提供参考.     

盾构衬砌管片环向接头刚度解析法及参数研究

基于接头断面的不均匀变形、接头细部构造分析在正、负弯矩作用下接头分离前后的力学特性,分别给出管片环向接头的抗拉刚度和抗弯刚度在接头分离前后的非线性解析公式,以及接头抗压刚度和抗剪刚度的线性解析公式。在此基础上,得到不同管片厚度和螺栓等级工况下线性接头和非线性接头模型的转角与弯矩的关系,并对线性接头模型和非线性接头模型的内力和变形特性进行对比分析。研究结果表明:在接头分离前,其抗弯刚度随管片厚度增大而增大;在接头分离后,接头抗弯刚度急剧减小,但不同管片厚度下的接头抗弯刚度分布规律大致相同;随着螺栓等级提高,接头分离时的突变转角与弯矩逐渐增大;在正弯矩作用下各等级螺栓的弯矩增量比负弯矩作用下的弯矩增量大,但各等级螺栓的转角增量要比负弯矩作用下的转角增量小;在荷载作用下,隧道管片弯矩随螺栓等级提高而逐渐减小;螺栓等级提高对线性与非线性模型的轴力影响较小,管片厚度变化对线性和非线性模型的剪力影响较小,但线性和非线性模型管片的剪力随螺栓等级提高而减小。     

深埋排水盾构隧道接头铸铁件力学性能试验

为研究适用于深埋排水盾构隧道的高刚性管片接头铸铁件,对2种型式的高刚性盾构管片接头开展了正弯矩试验,分析了不同型式铸铁件的力学性能及高刚性接头的破坏模式.研究表明,高刚性接头在正弯矩承载时的破坏模式与大偏压受力截面类似,首先螺栓或铸铁件屈服,随后受压区混凝土压碎、接头破坏.若接头铸铁件刚度充足,接头破坏时铸铁件无变形、螺栓屈服,接头承载力较高,且铸铁件锚筋全部受拉,锚筋的锚固作用得以充分发挥;若接头铸铁件刚度不足,接头破坏时铸铁件变形5mm、螺栓未屈服,接头承载力较低,且铸铁件锚筋部分受拉、部分受压,锚筋的锚固作用未能充分发挥.     

预制管廊横向接头刚度理论计算模型及方法

基于已经完成的预制预应力管廊横向接头结构受力性能试验，在考虑预制混凝土应变影响、高强螺栓伸长和接头拼缝张裂形态的基础上，根据变形协调条件和内力平衡方程，提出了管廊横向接头的抗弯承载力以及刚度的理论计算模型.将理论计算结果与试验结果进行对比，两者吻合良好，由此验证了理论计算模型的正确性.该研究成果将为预制管廊安全性的评判以及设计优化提供理论依据.     

盾构隧道等效弯曲刚度的简化计算

在传统刚度有效率研究的基础上,采用弹性力学的变刚度梁计算方法进行了隧道位移和变形的计算,由此得到了简化的纵向刚度有效率计算表达式.实例分析表明:随着螺栓个数的增加和半径的增大,隧道纵向刚度有效率和纵向等效刚度均增大;但是随着螺栓个数的增加,纵向刚度有效率表现为同方向、近线性关系;同时随着螺栓半径的增大,纵向刚度有效率表现为同方向、近抛物线关系;而随着管片厚度和管片混凝土模量的增大,纵向刚度有效率降低.在此基础上考虑由管片刚度改变引起的应力集中,研究了埋深对刚度有效率的影响,结果表明,随着埋深的增加刚度有效率呈线性降低,即隧道纵向等效抗弯刚度减小.研究结果对盾构隧道设计具有一定的指导意义.     

搭接长度对套筒灌浆搭接接头反复拉压力学性能影响试验

为研究高应力反复拉压时搭接长度对套筒灌浆搭接接头（APC接头）力学性能的影响,进行了32个APC接头的单拉及高应力反复拉压试验。结果表明：经过高应力反复拉压,试件承载力有所提高,而钢筋与灌浆料间的裂缝进一步发展,试件延性变小;随着搭接长度的增加,试件残余变形u0（单拉）和u20（高应力反复拉压）均减小;在单拉及高应力反复拉压结束后再单拉时,极限荷载下套筒中部截面近钢筋侧纵向压应变、环向拉应变随着搭接长度的增大而减小;基于灰色关联理论得出接头含钢率与极限黏结强度相关性最大。最后,引入灌浆缺陷系数ω,提出极限黏结强度、临界搭接长度计算式。     

硫酸盐侵蚀后地铁盾构隧道纵缝接头抗弯力学模型

基于地铁盾构隧道混凝土被硫酸盐侵蚀实际工况,建立了能够考虑接缝细部构造、表面混凝土及螺栓等且接缝截面可离散为不同类型受压区的纵缝接头正弯矩力学模型。采用全积分形式进行混凝土本构关系运算,适用分析混凝土被硫酸盐侵蚀后接缝面混凝土压碎、螺栓屈服以及接头极限状态。结合数值计算进行对比分析,两者结果基本一致,验证了力学模型合理性。研究结果表明:正弯矩作用下,混凝土被硫酸盐侵蚀对纵缝接头力学性能的影响主要表现在外表面边缘混凝土接触之后。随着硫酸盐侵蚀时间的增长,纵缝接头极限弯矩不断减少,但减幅较为平均。同时,各变形量最大值也随着侵蚀时间的增长而减小,但减幅各自不同。随着硫酸盐侵蚀厚度的增大,纵缝接头极限弯矩及各变形量最大值均不断减少,且减幅不断增大。     

预制沟道缆线管廊工作井设缝形式对受力性能影响

工作井作为沟道缆线型管廊的主要组成部分,具有电缆敷设作业、设置电缆中间接头和电缆引出等多种功能。为提高现场施工效率,工程中工作井大多采用加工厂分块预制、现场拼装形式,设缝形式对工作井整体刚度和承载力影响较大,不合理设缝形式将造成结构整体受力性能下降。研究建立一字型、T字型和十字型三种常见沟道管廊工作井有限元模型,针对纵横两种设缝形式分别进行抗弯和抗弯剪受力性能分析,同时与整体现浇工作井进行内力和变形对比。计算结果表明：纵向设缝下一字型、T字型、十字型工作井抗弯刚度分别下降48%、51%和44%;横向设缝下抗弯刚度分别下降34%、32%和26%。研究成果可对预制沟道管廊工作井分块拼装设计和工程应用提供参考。     

循环轴向加载钢管塑性铰性能试验研究

摘要：针对强震作用下螺栓球网格结构杆件塑性铰超低周疲劳断裂问题,设计了两端带螺栓球节点的圆钢管组合试件模型。对三种高强螺栓的管球组合试件进行了大位移循环加载试验,开展了螺栓球网格结构杆件塑性铰位置、范围、形状及形成机理的研究。试验结果表明：两端带螺栓球节点的圆钢管杆件中部首先进行塑性变形,在往复荷载作用下塑性变形区域不断延杆件轴向扩展,杆件塑性铰在拉荷载下缩颈,在压荷载下截面椭圆化,中部区域刚度退化形成凹陷,最终开裂;塑性铰产生的位置在距杆件中点截面直径大小的高度范围内。     

大跨公路隧道截面仰拱连接形式优化分析

为实现隧道截面仰拱连接处最小弯矩应力的目标,应用有限元原理对目前我国采用较多的大跨公路隧道结构截面形式进行内力计算,通过Ansys优化分析边墙与仰拱的连接部位,找到最优的隧道横断面连接形式;同时考虑到现场支模等施工的需要,优化找出与仰拱直线连接时最优直线段高度．发现直线连接相对于曲线连接弯矩最大值约增大20－30％．在满足净空及工程要求条件下,最大弯矩随直线连接段高度增加出现先减小再增大的趋势,最大弯矩随围岩级别增高增大速率较大．     

T形柱边框架节点套筒灌浆连接抗震分析

对预制柱连接进行优化,套筒灌浆用于角纵筋连接,其余纵筋绑扎搭接,设计并制作了一个T形柱边框架梁柱节点试件。采用试验和有限元计算,研究梁柱节点在水平地震作用下破坏过程、承载力与变形、延性、刚度与耗能能力,并对轴压比参数进行计算分析。结果表明：优化后梁柱节点呈梁端受弯破坏,节点和预制柱固端未出现明显裂缝;荷载位移骨架曲线表现出较好的塑性变形能力,延性系数接近5;滞回环面积饱满,累积耗能约15 kJ,等效黏滞系数在0.04~0.24之间;随轴压比增加,节点受压损伤区域扩大,延性明显降低。后浇整体式T形柱边框架节点整体性良好,抗震性能较强,弹簧单元用于竖向预制后浇界面黏结作用的简化,数值计算结果与试验表征相符。     

盾构隧道纵缝接头极限状态试验研究

纵缝接头对盾构隧道衬砌结构的变形和内力起控制作用,且不同受力状态下的盾构隧道接头的力学性能差异较大。基于1:1的纵缝接头正、负弯矩荷载试验,通过加载接头至极限破坏,获得了纵缝接头在轴力和弯矩共同作用下的接缝张开、接头挠度、螺栓和管片混凝土的应变。根据连接螺栓、密封垫和管片混凝土的工作状态,确定了纵缝接头的使用状态极限;根据接头最终破坏的变形和承载状态,确定了纵缝接头的承载能力极限。最后,在对比试验结果与设计结果的基础上,研究了现行安全系数设计方法的安全储备。     

一种新型装配式框架边节点抗震性能试验研究

为研究预制梁、预制柱之间连接的抗震性能,设计了一种新型装配整体式钢筋混凝土框架边节点,并完成了1个整浇RC试件和2个纵筋搭接长度不同的装配式PC试件的低周反复载荷试验。研究了其破坏过程、破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、位移延性、强度退化及耗能能力等内容。结果表明：装配式试件与整浇试件具有相似的破坏过程,破坏模式为梁端塑性铰区弯曲破坏,节点核心区处于弹性状态,节点整体性能良好,承载能力、初始刚度和耗能能力与整浇试件相当。基于“钢筋直锚短搭接”高效连接技术的装配式框架边节点连接可靠、施工方便、质量可控,具有较好的工程应用价值。     

螺栓拼接钢梁的抗弯性能

对具有螺栓拼接的H型钢梁进行抗弯性能试验.考虑了拼接板上不同螺栓数量对节点性能的影响,研究了拼接节点的破坏特点、抗弯强度和刚度.研究发现拼接螺栓的初始滑移对节点后续阶段的承载力和刚度产生了明显不利的影响,拼接截面应变分布不再符合平截面假定;相比无拼接H型钢梁,翼缘拼接板受力更大,钢梁挠度更大;翼缘拼接板先于H型钢梁翼缘进入屈服,但是拼接节点的极限弯矩试验值可达到H型钢梁的全截面屈服弯矩的计算值;螺栓滑移后的拼接节点不能简单地按照刚接处理.提出了考虑节点转动刚度影响的H型钢梁挠度计算方法与公式,并得到了试验数据的验证.     

一种新型装配式桥梁人-车隔离防撞护栏

近年来,由于失控机动车坠桥事故频发,对人民生命财产安全带来了一系列重大损失。基于此,迫切需要切实采取可行的措施来提高桥梁防撞护栏的防护性能,从而有效控制该类事故的发生风险和降低其后果。为此,本文首次提出了一种新型桥梁人车隔离防撞护栏,采用倒U形的截面形式并将锚固座与混凝土路缘石连接成为整体。通过精细化有限元模型对新型防撞护栏的力学性能进行了探讨。研究结果表明：在标准碰撞荷载作用下,两类护栏均满足规范要求,且新型护栏最大变形值仅为传统护栏的52%,达到最大位移值时,新型护栏的极限承载力相较于传统护栏提升了约58%,此时螺栓应力与变形分别为传统护栏的48%与70%,证明新型护栏在充分发挥圬工自重对车辆冲击的抑制作用和锚固螺栓的抗剪性能的同时,倒U形截面可大幅增加护栏的横向刚度,相比于传统护栏防撞性能有明显提升。此外,装配式的设计可有效减小施工和维护成本,为大量桥梁防撞护栏的设计和施工提供了新的解决方案。