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。

饱和软土地区束合管幕结构无黏结预应力筋线型影响分析

为克服管幕法钢管节之间无法协同工作、支护效率差等缺点,进一步拓展管幕在浅埋大跨地下结构中的优势,提出一种依托横向预应力的新型地下结构形式——U-BIT束合管幕结构。该工法采用矩形管幕作为支护结构,管幕通过锁扣以及填充混凝土进行连接,并通过张拉横向预应力,使各个钢管之间协同受力,形成受力整体。为进一步研究预应力筋布置线型对束合管幕结构力学机制的影响,结合压弯试验及剪切试验,针对预应力筋二次型及双直线型布置形式进行对比分析。结果表明:1)预应力筋线型布置不影响结合缝黏结界面的开裂荷载及结构破坏机制;2)压弯试验中结合缝张开后,张拉相同预应力时,二次型布置下的结合缝极限弯矩承载力是双直线型的1.4~1.6倍;3)剪切试验中,结合缝未出现张开及错动时,施加预应力可等视为外部施加水平力,而结合缝抗剪刚度基本随水平力线型增长,二次型布置会比相同水平力作用下双直线型结构中结合缝抗剪刚度大7%~9%;4)结构实际受力是处于压弯剪的复合受力状态,结合缝脱开会导致结构抗剪承载力大幅下降。

上跨既有线联络通道的管幕结构施工方案比选研究--以福州滨海快线火车站管幕结构施工为例

依托福州滨海快线火车站与换乘枢纽联络通道工程,提出上跨既有线管幕结构施工的分步填充砂浆方案(即方案A)和一次性填充砂浆方案(即方案B)。在ABAQUS数值分析平台上对管幕结构施工全过程展开数值模拟,重点关注既有线竖向位移和收敛及地表沉降变化规律。分析结果表明:方案A引起既有线竖向位移呈逐渐沉降趋势,方案B则呈先上浮后沉降趋势,但两套方案引起的既有线最终竖向位移大致相同;方案A和方案B引起的最终地表沉降分布规律大致相同,都呈现不规则沉降槽状,最大值位于“口”字型管幕左侧轴线处,且方案B略小于方案A。从既有线影响及施工效率等方面考量,现场采取方案B进行管幕结构施工;同时对既有线竖向位移及地表沉降展开现场监测,其量值及发展规律与数值模拟大致相同。以上研究成果可为类似管幕结构施工提供借鉴参考。

开挖过程中新管幕结构内力数值分析

目的为有效控制沉降,提高新管幕结构施工安全和进度,研究在开挖过程中新管幕结构的内力传递路径和内力分布情况.方法运用弹塑性理论和有限差分软件FLAC3D,进行三维建模并根据实际施工步骤进行新管幕结构体系非线性仿真分析.结果得到新管幕结构在不同开挖阶段的受力特征、传力路径和分布规律.结论在土体开挖过程中,环梁最大主压应力最开始出现在与第一步开挖土体地面相邻处,然后也由上向下移动,随后出现在中板的部位,最后最大主压应力出现在中板稍下方的地方.底板截面下部的最大主压应力比上部大.

束合管幕结构结合缝压弯性能足尺试验研究

为克服管幕法钢管节之间无法协同工作、支护效率差等缺点,进一步拓展管幕法在浅埋大跨地下结构施工中的优势,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。但该工法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,亟需开展系列试验及模型研究。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压弯性能足尺试验研究,探究束合管幕结构在压弯作用下的受力特性与承载能力。结果表明:1)结构挠度、结合缝张开可划分为6个发展阶段;2)结合缝脱开、混凝土局部破坏、CT型锁扣紧贴以及CT型锁扣脱开是结构的重要性能点;3)结构破坏形式表现为上部CT型锁扣脱开,无法继续承担外荷载;4)结合缝开裂荷载及结构承载力极限荷载的试验结果均与理论值相近。

饱和软土地区束合管幕结构受力性能足尺试验研究

为降低地下工程建设对城市地面道路、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——地下束合管幕结构。基于工程需求,针对该束合管幕结构开展1/4结构的足尺试验研究,以探究束合管幕结构在设计工况、超载工况下的变形响应。结果表明:1)结构变形发展可以分为弹性受力阶段与非线性阶段2个阶段;2)束合管幕结构的薄弱位置在结构顶部1/4跨的结合缝处,结合缝脱开是关键点,脱开应力为2.106 MPa;3)束合管幕结构能够承受2倍的设计埋深对应荷载而不出现任何脱开,当结合缝脱开后结构刚度降低60%,同时,在4倍设计埋深对应荷载下,结构未破坏且仍具备承载能力;4)在超载工况时,预应力应变增量与结构竖向挠度之间几乎呈线性比例关系。

STS管幕结构横向抗弯刚度计算模型及参数优化

STS(steel tube slab)管幕工法是一种新型的地铁暗挖支护体系,由于管幕结构的变形机理尚不明确,管间连接参数需要进一步优化,阻碍了STS管幕工法的应用和推广.本文建立STS管幕结构的有限元模型,并结合室内试验验证有限元模型的合理性,系统性研究翼缘板厚度和螺栓直径对管幕结构横向抗弯刚度的影响规律,然后结合SPSS统计分析软件和归一化处理方法得出,螺栓直径和翼缘板厚度的比值在2.0~2.5时STS管幕结构的变形最合理.结合室内试验和有限元分析结果,建立了STS管幕结构横向抗弯刚度计算模型,并通过室内试验评估了该模型的正确性,计算误差均在20%以内.

地下暗挖管幕结构研究进展

近年来,随着我国经济的快速发展,城市化进程加快,为改善城市道路拥堵问题,各地正在大力开展地铁建设、隧道建设。与地上结构施工相比,地下结构的施工风险更大。因此,地下结构安全生产尤为重要。在地下结构开挖过程中,需要采取有效的围护方法。管幕结构是暗挖法常采用的施工形式,可有效减小修筑地下结构时对周围建筑物、地下管线、以及地上路面的影响。本文介绍了管幕结构的技术特点及国内外研究现状,并对传统管幕形式以及新型的管幕结构形式进行了阐述,对于今后进一步开展管幕结构的研究与应用具有良好的参考价值。

管幕结构法隧道下穿南京城墙设计方案研究

以南京建宁西路过江通道江南连接线主线隧道东延工程下穿南京城墙仪凤门段节点为例,研究浅埋矩形隧道下穿南京城墙的设计方案。针对节点开挖断面大、城墙变形控制标准高等特点,通过工法比选,推荐采用管幕结构法,并提出相应的设计方案。结合设计方案,利用FLAC3D三维模型,对城墙、城楼稳定性进行分析,确定影响城墙、城楼变形的主要工况,并给出防护措施。研究成果可为其他下穿城墙等国家级保护文物的工程提供参考。

双钢管管幕结构的抗弯刚度与自重特征分析

传统单钢管实心管幕结构中,混凝土的抗弯刚度大于钢管的抗弯刚度,但同时混凝土的自重远大于钢管的自重,有必要发展一种刚度较大而总体重量相对较小的管幕结构。提出了一种高强度双钢管管幕结构,其包括外部钢管、内部钢管与固定环,如仅在外部钢管与内部钢管之间浇筑混凝土,内部钢管中空,则形成双钢管空心管幕结构;如果所有空隙均浇筑混凝土,则形成双钢管实心管幕结构。对比分析表明,双钢管空心管幕结构的抗弯刚度与重度比例系数大于传统单钢管实心结构的相应值,说明双钢管空心结构具有较高的性价比。双钢管空心管幕结构或双钢管实心管幕结构可仅布置在管幕的顶排中部,而其余位置仍采用传统的单钢管实心结构,该做法大大降低了关键部位的变形,提高了管幕结构的安全性,为管幕结构的优化设计提供了新思路。

对拉钢筋对管幕预筑结构偏压构件受力性能影响研究

为研究对拉钢筋的直径及布设位置对管幕预筑结构偏压性能的影响,设计3根设置对拉钢筋和3根不设置对拉钢筋的管幕预筑结构构件,并进行3种不同偏心距的室内加载试验,重点考察构件的破坏形态、荷载-挠度关系和极限承载力;建立与试验对应的数值模型,通过计算结果和试验结果的对比验证模型的可靠性,并得到构件极限承载力随对拉钢筋直径及布设位置的变化规律。研究表明:1)在管幕预筑结构偏压构件中设置对拉钢筋连接件能有效提高钢管幕的受力参与程度,增强钢板与混凝土的组合作用,从而提高构件的承载能力和变形能力。2)构件的极限承载力随对拉钢筋直径的增大而增大。3)对拉钢筋的布置位置对结构的强度及刚度影响较小,在小偏心受压条件下布置在构件变截面最大跨度、大偏心受压条件下布置在构件变截面与平截面交接处时,构件的极限承载力相对更佳。

类矩形管幕预筑结构受力性能试验及参数分析

以太原市迎泽大街下穿太原火车站为工程背景,采用室内模型试验研究类矩形管幕预筑结构的破坏模式和变形规律,并模拟分析砂浆强度和铝板强度及其厚度的影响。结果表明:类矩形管幕预筑结构破坏主要发生在拱顶平截面处,破坏过程分为弹性、变形可控和屈服3个阶段;与素砂浆管幕预筑结构相比,外包铝板后结构的屈服荷载、结构承载力和竖向刚度分别提高91%,61%和286%,在此基础上增加内部连接件,结构的屈服荷载、结构承载力和竖向刚度又分别提高59%,31%和15%,增加外包铝板和内部连接件可显著提高结构受力性能;管幕预筑结构承载力和竖向刚度随铝板抗拉强度、铝板厚度的增加而增加,而受砂浆抗压强度影响较小。

基于ABAQUS的STS管幕结构受力性能数值分析

以STS(Steel Tube Slab)管幕构件室内试验为依托,为充分研究STS管幕构件的力学性能,建立构件的有限元模型,用试验结果标定有限元模型。在此基础上,对管幕结构不同荷载阶段下的变形和应力进行分析,并研究了钢管厚度,翼缘板厚度,螺栓直径等参数对STS管幕构件延性的影响。结果表明:钢管厚度的变化,对试件的延性影响较大;翼缘板厚度的变化,能显著提高试件的延性;螺栓直径的变化,对试件的延性影响不明显。

束合管幕结构侧部卸载工况下受力性能足尺试验研究

为研究束合管幕结构的力学性能和受力薄弱点,开展了四分之一结构的足尺试验,保持顶部4倍设计埋深对应荷载不变,进行侧部的卸载工况研究。结果表明,随上部与侧部荷载差值的增大,侧部结合缝脱开、结构变形及预应力筋应变增速均显著增加;侧部完全卸载后,结构有明显变形,但仍具备一定的承载能力;整个试验过程中,结构刚度变化为先降低再增大最后大幅降低,最终为初始刚度的36%。

管幕-结构法群管顶进对车站站场站台及股道沉降影响研究

为揭示管幕施工中群管顶进对站台和股道的影响规律,以迎泽大街下穿太原市火车站通道工程暗挖段管幕-结构法施工为例,采用数值计算对钢管不同顶进次序对地表沉降影响进行分析,推荐先下后上的群管顶进次序;采用数值计算和现场监测相结合的手段,对群管顶进过程中站台和股道沉降变化特征进行研究。研究结论如下:1)群管顶进对地层沉降变形影响是一个多次叠加效应,具有应力路径相关性,顶进过程中地表横向沉降曲线形态处于动态变化之中,最终呈现出类似Peck横向沉降槽的曲线形态;2)群管顶进结束后地表沉降横向槽宽度约为50 m,位于管幕底部两侧约45°地层滑移角范围之内;3)现场监测结果表明管幕-结构工法有良好的地层变位控制效果,在多次顶进扰动影响下,站台和股道沉降、轨道高低及水平变形皆在控制范围之内。

新管幕肋梁结构体系抗弯性能试验

目的研究新管幕肋梁结构体系抗弯性能,完善新管幕工法结构计算理论.方法对两组不同截面偏移率的新管幕结构构件进行弯曲性能试验研究,通过两组构件发生弯曲破坏时的破坏形态,确定其开裂荷载和极限承载能力,讨论截面偏移率对构件抗弯性能的影响.结果对两组构件进行加载破坏后,构件的弯曲破坏特征明显,跨中均产生较大挠度,构件跨中挠度值分别为18.15 mm和18.43 mm,极限承载力分别为680 kN和520 kN.由于构件本身构造原因,NGJ-W-1构件裂缝特征比较明显,NGJ-W-2构件肋梁混凝土大部分包裹在钢管内部,相比较NGJ-W-2构件裂缝特征不明显.结论与普通混凝土梁相比新管幕结构可以承受更高的竖向荷载,并提高了开裂荷载,同时随着截面偏移率的增大,构件的开裂荷载和极限承载力相应提高,且刚度加大.

STS新管幕对地铁车站结构地震响应影响分析

为实现STS新管幕对地铁车站结构地震响应影响分析,以沈阳地铁十号线东北大马路站为工程背景,应用Midas-GTS软件,研究了在不同加速度强度的地震作用下,有STS新管幕和无STS新管幕地铁车站结构的地震响应变化规律。结果显示:在地震作用下,由于STS新管幕结构的存在,减小了车站结构的弯矩、位移及加速度,从而减小了地铁车站的变形,对抗震结果有利。地铁车站衬砌的连接部位特别是柱顶受地震强度影响较大,是地铁车站抗震的薄弱环节。STS新管幕结构对地铁车站抗震的影响规律与衬砌强度增加对地下结构抗震的影响规律相一致。研究可为沈阳地区地铁车站抗震研究及工程应用提供支撑。

管幕结构法钢管帷幕连通过程顶管与地表变形研究

管幕结构法在管幕大直径钢顶管施工完毕后,开始进行相邻顶管的切割与焊接工作。目前密排大直径钢顶管切割与焊接施工案例较少,对顶管切割过程中钢顶管的变形规律研究不足。为揭示密排顶管群顶管切割与管幕核心土开挖过程中顶管变形规律,采用徕卡收敛仪对钢顶管切割过程中的管幕顶管及管幕围护结构进行变形监测。研究结果表明,钢顶管切割过程中会出现应力集中现象,导致顶管切割边缘发生变形突变,其变形范围达0.9mm。为避免相邻顶管在切割过程中出现较大变形,合理设置支撑柱可有效避免顶管产生较大变形;管幕围护结构施工结束后,其内部核心土体单次土方开挖距离变化引起的地表变形较小,根据监测结果显示,管幕围护结构施工完毕后,管幕预筑隧道引起的地表沉降区域稳定。

管幕结构法侧穿车站雨棚桩基影响分析

太原市迎泽大街下穿火车站通道工程采用管幕结构法施工,具有大跨度、超浅埋、严格控制沉降等特征。采用数值计算对钢管顶进、钢管切割及混凝土浇筑、土方开挖等主要工序下车站雨棚桩基沉降变化规律进行了研究,并制定了雨棚桩基允许沉降控制标准。结果表明:1)管幕结构法施工时,对侧穿的雨棚基础产生了一定的影响,雨棚基础发生了水平和竖向位移;2)雨棚基础的水平位移主要发生在钢管顶进和管幕切割阶段,土方开挖施工对雨棚基础影响较小;3)施工完成后,雨棚基础最大水平位移为1.18 mm,最大竖向位移为4.59 mm,满足沉降控制标准相关要求。

管幕-结构法构件抗弯特性研究

为揭示管幕-结构法构件抗弯特性,以下穿太原火车站工程为依托,采用理论计算和数值模拟方法,对钢管与混凝土间界面状态、构件截面几何特征和管壁厚度等对结构构件抗弯能力影响进行研究。结果表明:(1)钢管与混凝土界面在自由滑移状态下的截面极限抗弯承载力约为完全连接状态的80%左右;考虑钢管与混凝土之间的粘结力作用时,截面的抗弯承载力为完全连接状态的93%,比自由滑移状态增大13%;(2)截面几何特征对承载能力影响较大;(3)截面极限抗弯承载力随管壁厚度的减小而呈线性减小规律;(4)随着荷载增加,结构变形由线性向非线性发展。