大断面盾构隧道管片接头螺栓作用机制分析

摘要

本文依托苏通GIL综合管廊盾构隧道工程，以大断面水下盾构隧道环向螺栓的作用机制为研究内容，通过数值仿真分析、接头足尺试验等手段研究了复杂接缝面构造下螺栓失效对于管片接头抗弯性能、破坏过程及抗弯承载力的影响。同时，基于地层-隧道整体三维精细化模型开展动力时程分析，研究了地震作用下螺栓失效对于管片结构动力响应的影响规律。相关成果可为大断面水下盾构隧道管片接头连接方式的设计提供重要参考。主要研究内容如下：　　1、采用抗弯足尺试验手段，探明了有无螺栓工况时不同水压作用下管片接头接缝张开量、接缝转角、抗弯刚度与弯矩的关系，得到了正负弯矩作用下接头连接螺栓的受力特点，并采用声发射手段探明了压应变影响区的深度范围；着重分析了螺栓完全失效对于管片接头抗弯性能，包括接缝变形、抗弯刚度、破坏过程和极限承载能力的影响。同时，提出了不同力学状态下苏通GIL综合管廊工程盾构隧道管片接头的抗弯刚度建议值。　　2、考虑钢筋混凝土的塑性损伤以及螺栓、钢筋的屈服破坏等材料特性，建立了考虑复杂接缝面构造的大型水下盾构隧道管片接头抗弯数值分析模型。结合足尺试验的数据与现象，探讨了不同水压作用下管片接头抗弯承载失稳破坏的判据，探明了接缝面从承载至破坏的阶段划分。同时，由不同轴力水平下螺栓失效前后管片接头的初始张开弯矩、张开量控制弯矩、极限承载弯矩的对比，进一步探明了螺栓在静力荷载作用下的作用机制。　　3、考虑管片与地层的相互作用关系和管片间的界面接触效应，采用无限元作为人工边界建立了地层-隧道整体三维精细化模型，开展动力时程分析模型探明了盾构隧道在不同地震波入射方向、不同加速度峰值作用下环向螺栓的时空响应规律，揭示了环向螺栓的作用机理。同时，讨论了螺栓直径、螺栓状态对管片结构动力响应的影响。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 盾构隧道管片静力响应研究现状

1.2.2 地震对盾构隧道作用研究现状

1.3 依托工程

1.4 研究内容

1.5 技术路线

第2章 管片接头抗弯力学性能试验研究

2.1 试验原理与方法

2.2 隧道结构内力初步计算与试验工况确定

2.2.1 盾构隧道荷载计算

2.2.2 盾构隧道结构内力计算

2.3 试验装置与试件制备

1. 试验加载装置

2. 管片接头试件制备过程

2.4 量测项目与测点布置

2.4.1 接头张开量与张开角

2.4.2 接头垂直位移

2.4.3 混凝土表面应变

2.4.4 螺栓应力和钢筋应力

2.4.5 试件内部裂损

2.4.6 数据采集系统布置与加载过程

2.5 试验结果分析

2.5.1 接缝竖向位移与弯矩的关系

2.5.2 接缝张开量与弯矩的关系

2.5.3 螺栓应力

2.5.4 接缝转角与弯矩的关系

2.5.5 破坏试验

2.6 本章小结

第3章 极限荷载下管片接头抗弯性能数值分析

3.1 常见的管片接头分析模型

3.2 计算模型

3.2.1 单元选择与材料本构选取

3.2.2 模型与边界

3.2.3 接触属性设置及荷载工况

3.3 螺栓状态对管片接头抗弯性能的影响

3.3.1 接缝形变

3.3.2 螺栓受力

3.3.3 破坏过程分析

3.3.4 抗弯承载力对比

3.4 本章小结

第4章 地震作用下盾构隧道环向螺栓受力分析

4.1 ABAQUS 动力分析的几个问题

4.1.1 基本原理

4.1.2 网格尺寸

4.1.3 边界条件

4.1.4 阻尼

4.2 数值分析模型的建立

4.2.1 基本假定

4.2.2 几何尺寸

4.2.3 地震波的选取

4.2.4 边界条件及阻尼设置

4.3 不同地震波参数下环向螺栓动力响应分析

4.3.1 不同加速度方向

4.3.2 不同加速度峰值

4.4 不同螺栓参数下管片结构动力响应分析

4.4.1 螺栓直径

4.4.2 螺栓状态

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 研究成果

5.2 研究展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加科研情况