基于三维非连续接触模型的管片接头静动力特性分析

基于非线性接触理论,考虑盾构隧道结构的非连续性,模拟管片接头结构和管片衬砌与围岩及道床之间的相互作用,建立了道床–管片–围岩的三维非连续接触模型,对盾构隧道管片接头在围岩静压、列车动载作用下的受力与变形进行了深入分析。研究结果表明,围岩静压下拱顶和隧底处的纵向接头部分向内张开,两侧拱腰处的接头部分向外张开,拱顶处的封顶块与邻接块错台较大,拱腰接头受压明显,拱顶接头受压最小,各环管片拱顶处的螺栓轴力最大,隧底处的其次,拱腰处的接头螺栓轴力最小,旋转了一定拼装角度后位于拱肩上部的接头螺栓,其剪力最大;列车动载作用下管片接头的张开错台、混凝土应力以及接头螺栓的内力均在动载施加初期迅速增加,然后明显减小,而后产生波动,其中浅埋地铁隧道拱顶接头的动力响应较隧底接头明显,螺栓剪力在列车动载作用下较螺栓轴力增加的多。

基于混凝土损伤模型的盾构隧道极限承载力研究

提出一种基于损伤的盾构隧道极限承载力分析方法,引入一种基于能量的应力分解的双标量弹塑性损伤本构模型以描述混凝土材料的损伤劣化行为,而后基于三维非连续接触模型构建盾构隧道精细化数值计算模型,最后,通过与足尺模型试验结果对比验证本文方法的有效性。研究结果表明:本文方法得到的荷载-收敛变形曲线和结构损伤开裂模式与试验结果较吻合,能够较好地反映加载过程中的结构变形、内力的传递、损伤演化过程、失效模式以及应力重分布等;隧道结构的失效破坏过程可分为线弹性阶段、屈服-损伤阶段和失效破坏阶段,在试验加载制度下,模拟出的阶段Ⅰ和Ⅱ的荷载限值分别为227.62 kN和418.12 kN,收敛变形限值分别为0.17%Dt和1.34%Dt(Dt为隧道直径);当隧道收敛变形达到规范规定限值0.60%Dt时,拱顶、拱底和两侧拱腰出现多条纵向离散裂纹,拱顶接头螺栓进入屈服状态,接头塑性铰已具雏形;盾构隧道结构的失效模式表现为拱顶和拱腰接头螺栓屈服、混凝土开裂最终形成多个接头塑性铰而被破坏。

基于混凝土损伤模型的卸载作用下盾构隧道损伤机理

在密集的地铁交通网附近区域进行工程活动会引起下卧盾构隧道产生较大纵向差异变形,对隧道结构服役性能及行车安全造成不利影响。既有研究大多基于弹性、弹塑性理论框架,忽视盾构隧道纵向变形带来的结构损伤的影响。考虑混凝土材料非线性损伤力学特性,首先引入一种基于能量的拉应力和压应力分解,考虑混凝土拉/压力学特性的差异;其次,建立双标量混凝土弹塑性损伤本构模型;最后,基于三维非连续接触模型及多尺度建模技术构建盾构隧道−围岩精细化模型,探究差异变形下盾构隧道损伤劣化机理。研究结果表明:卸载作用下,管片混凝土以局部拉损伤为主而压损伤较小,在管环拱顶和拱底内缘、拱腰外缘以及螺栓连接处拉损伤最严重;卸载作用会引起盾构隧道隆起变形,横截面椭圆度也随纵向发生变化,拐点附近管环椭圆度最大;卸载引起的盾构隧道纵向附加剪力和弯矩最大值分别出现在拐点附近和模型中心处;混凝土材料损伤劣化会降低盾构隧道承载能力、纵向刚度和环向刚度,基于弹性本构的计算模型会高估整体结构的刚度;当前分析工况下,管片钢筋较难屈服,而中间部位管段上半侧纵向连接螺栓较易屈服;加载曲线拐点附近管环受损最严重,且承受较大的附加剪力和弯矩,应特别予以关注。

基于混凝土弹塑性损伤本构模型的盾构管片受力分析

在混凝土弹塑性损伤本构模型的基础上,考虑盾构管片拼装块与连接螺栓的非连续性和拼装块之间的接触关系,建立三维非连续接触计算模型。以苏州某地铁盾构隧道工程为例,对盾构管片的受力状况进行模拟计算,并与惯用法模型和修正惯用法模型的计算结果进行对比分析。结果表明:盾构管片内拱顶K拼装块部分区域的损伤因子超过了损伤临界值,这些部位将产生明显可见的裂缝;盾构管片拱顶与拱底内侧的受拉区域均产生了塑性变形,拱顶K拼装块的塑性区深度达到截面宽度的55%;盾构管片最大内力组合在两侧拱腰管片的接头处;三维非连续接触计算模型可以更好地反应管片接头对内力的影响和管片混凝土材料的受力及变形特性;模型中盾构管片接头处接触单元的设置消除了其他模型中接头刚度差异对计算结果的影响,对盾构管片抗压刚度及抗弯刚度均会产生影响。

考虑螺栓连接的聚甲醛纤维混凝土盾构管片力学性能分析

以南京某盾构隧道工程为背景,基于地层-结构法建立了考虑混凝土塑性损伤的三维实体非连续接触盾构隧道管片有限元模型,研究了在围岩压力及结构自重作用下聚甲醛纤维混凝土盾构隧道管片的受力性能,并与普通混凝土管片的受力性能进行对比。结果表明:纤维混凝土管片与普通混凝土管片在围岩压力及自身结构自重作用下的受力及变形特征规律相同,但纤维混凝土的数值更小,其中纤维混凝土管片的环向拉应变降低14.6%,钢筋笼的最大拉应变降低3.9%,各接头处应力值降低幅度为6%~13%,表现出更好的抗裂性能。

含间隙和尺寸误差空间连杆引纬机构运动精度综合分析

为分析间隙和尺寸误差对引纬机构运动精度的影响,详细介绍了非连续接触模型和等效杆长理论的使用方法,针对空间连杆引纬机构中的空间四杆机构和平面四杆机构,在考虑制造误差和磨损或装配间隙的情况下,以概率分析方法和非连续接触理论为基础建立了运动学模型。运用Mat Lab的计算和仿真模块进行运动仿真,得出了相关曲线。详尽分析了机构的尺寸误差和间隙对整个机构运动输出的影响,在考虑构件误差和间隙影响时,剑头的输出误差比单独考虑1种影响因素时明显,且误差最大值都出现在速度的极大值点附近,可见间隙和构件误差对高速机构的影响尤为显著,此研究结果可为后续对空间连杆引纬机构的运动精度分析提供参考。

新建隧道下穿施工对既有上卧盾构隧道扰动影响规律研究

针对新建盾构隧道下穿施工时,对既有上卧盾构隧道结构的扰动影响问题,应用非线性接触理论和多尺度混合建模技术,建立三维非连续精细化数值模型,重点分析隧道正交下穿施工扰动下,既有上卧盾构隧道管片与接头受力和变形规律。研究结果表明:新建隧道下穿施工诱发既有上卧盾构隧道整体下沉,表现为隧道结构竖向收敛波动和仰拱沉降显著;纵缝接头变形以张开为主,环缝接头变形以错台为主,且同一环中拱顶处变形最大;环缝接头应力集中明显,靠近交叉点处管片环缝的最大、最小应力均接近混凝土强度设计值,局部裂损风险高;受下部开挖影响,上卧盾构隧道环缝接头螺栓剪应力值增加显著。