地铁盾构隧道纵缝接头螺栓形式对比试验研究

管片接头是盾构隧道整环结构中的薄弱环节,隧道管片间多以螺栓连接,并有直螺栓、弯螺栓等几种结构形式。以盾构隧道管片纵缝接头为试验对象,采用足尺试验方法,针对不同螺栓形式的接缝,对盾构隧道纵缝接头的极限承载性能进行研究,明确不同接头的破坏过程,并分析比较不同螺栓形式对接缝受力性能的影响规律。

软土地区通缝拼装地铁盾构隧道管片纵缝接头的优化

针对软土地区地铁盾构隧道管片纵缝接头因地表超载易发生破损的问题,考虑软土地层的特性,提出在软土地区盾构隧道横向刚度设计中,采用加大隧道结构刚度和强度的"刚性衬砌"设计理念,对管片纵缝接头进行优化。通过局部或者整体增加管片的厚度,均可增加管片纵缝接头的抗弯刚度,从而明显减小管片环的变形,虽然由此使得管片环的弯矩有所增大,但管片环变形减小的幅度远大于其弯矩增大的幅度;分别设计外张纵缝接头与内张纵缝接头连接螺栓的位置,纵缝接头的连接螺栓应靠近接头张开的一侧;在管片环分块时尽量将管片纵缝接头设计在弯矩较小的位置,同时在满足施工的条件下,尽量减少管片环的分块数量;局部加强纵缝接头位置的管片棱角,以预防管片接头棱角破损;通过合理设计防水密封垫的位置及断面形式,加强盾构隧道管片纵缝接头的防水能力。

盾构隧道凹凸榫-斜螺栓形式环缝径向顺剪抗剪刚度研究

为研究盾构隧道环缝径向顺剪的抗剪性能,针对凹凸榫-斜螺栓形式的环缝,建立环缝径向顺剪抗剪刚度模型;将环缝的径向顺剪过程分解为静摩擦作用、螺栓锚固、螺栓弯曲变形以及凹凸榫咬合4个阶段,分析不同阶段环缝的受力特点及抗剪刚度的主要构成,并通过解析方法得到4个阶段抗剪刚度的显式解答。选取足尺环缝径向剪切试验的试验结果对螺栓作用阶段抗剪刚度理论模型进行验证并分析误差来源,结果表明,由于螺栓的装配方式、环缝剪切试验中结构的受力变形原理等因素,理论模型与试验结果存在差异,但变形阶段存在一定的相似性,理论模型能够较正确地描述环缝剪切过程中螺栓的力学行为。选取带榫管片环缝剪切试验对分布式凹凸榫在咬合阶段的抗剪刚度进行验证,结果表明,当纵向力较大时(达到2000 kN),凹凸榫抗剪刚度的试验结果与理论模型计算结果接近,说明该模型能够较准确地描述在纵向力较大的情况下环缝剪切过程中凹凸榫的力学行为。

盾构隧道衬砌结构环向连接螺栓作用机制研究——以上海地铁为例

地铁隧道管片螺栓由于遭受地下水中腐蚀性介质侵蚀而导致管片结构耐久性受影响的问题显得特别突出,直接关系到地铁管片结构的正常安全运行和使用年限。在管片设计时连接螺栓有利于提高管片接头的连接刚度、增强结构的整体性和控制结构的变形,但对于连接螺栓在管片结构受力过程中的作用机制仍不明。文章开展了考虑环向连接螺栓锈蚀和失效两种情况下盾构隧道衬砌结构力学性能的顶部超载工况足尺试验研究,并与已开展的环向连接螺栓完好的整环结构足尺试验结果进行对比,揭示了环向连接螺栓的作用机制。整环试验的结果表明:结构受力过程分为三个阶段,分别为弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段;弹性阶段中,环向连接螺栓劣化对于结构的受力性能影响有限;弹塑性阶段中,环向螺栓弹性模量降低导致结构整体刚度大幅降低;塑性阶段中,环向螺栓劣化导致结构极限承载力降低。

压弯荷载作用下带有定位榫盾构隧道管片接缝的力学特性

依托于国内一地铁盾构隧道,采用有限元软件ABAQUS建立带有定位榫的盾构隧道管片接头三维模型,从管片应力、接缝位移、螺栓内力、定位榫内力与变形四个方面对带有定位榫的盾构隧道管片接头抗弯力学性能进行分析。结果表明:管片压溃区开始于纵缝处并向前后两块夹持管片延伸,最终呈杠铃状;纵缝削弱了其左右两侧0.33 m范围内管片刚度;环缝与纵缝交点错台量和张开量最大;定位榫对螺栓受力状态影响显著,螺栓中部截面角度-7.5°~7.5°区域轴力突然减小,剪力突然增大,两个纵向螺栓轴力分别在弯矩大于300 kN·m和大于600 kN·m时在该区域出现反向现象;定位榫在弯矩作用下内力较小,剪力最大值出现在0°截面处;弯矩越大,定位榫变形量越大,但定位榫不同角度变形量之间的关系基本不受弯矩变化影响。

考虑环间接头力学特性的盾构隧洞纵向分析模型

盾构隧洞环间接头具有明显的非线性力学特性,合理模拟其受力变形响应是隧洞纵向变形分析中的难点。针对此问题提出了一种简便实用的环间接头分析模型,采用可传压不传拉的接触面单元模拟环间接触,采用基于埋置梁广义位移法的梁单元模拟螺栓,能够同时考虑环间接头处的非线性接触状态和接头螺栓的轴向刚度和剪切刚度,且适用于各种环间连接螺栓形状(直螺栓、弯螺栓或斜螺栓)。通过算例,将有限元模型与理论解析模型计算结果进行对比,验证了该模型的准确性。将该模型应用于某实际工程中穿越断层破碎带的盾构隧洞的纵向变形分析,结果表明:输水盾构隧洞在均质基岩中状态稳定,在断层破碎带区域衬砌环间缝变形和螺栓应力显著增大,但均在设计控制范围之内。该模型可为工程安全建设及运行提供一定参考。

纵向无垫圈螺栓连接系统的密封性分析和轻量化设计

纵向无垫圈螺栓连接系统在工程中有着广泛的应用。然而,由于受到较多的设计变量和安装边间复杂接触状态的影响,其密封性分析和轻量化设计依然是一个难题。本文系统地分析了设计变量与密封失效的关系,有效地降低了设计变量的数目。通过适当修改Ma等人[11]的螺栓连接等效力学模型,能够准确预测螺栓孔处密封失效时的临界状态。最后,本文提出了纵向无垫圈螺栓连接系统轻量化设计的优化列式,并进行了数值实现和三维有限元验证。

复合材料机身壁板的纵向连接设计与失效分析

按照连接设计准则及机身压差载荷水平,开展了复合材料机身壁板的纵向连接设计研究。为提高壁板多钉连接结构分析精度及设计效率,发展了一种基于Fastener单元的钉群载荷计算方法,在此基础上结合单钉失效分析模型,提出了一种壁板多钉连接区的失效评估方法。首先,通过与试验数据对比,验证了采用Fastener单元求解钉群载荷的可行性;然后运用Fastener单元分析壁板连接结构的钉载分配;最后基于钉载分析结果,对局部危险区域采用单钉模型进行失效载荷计算并进而评估壁板连接区的失效载荷。本方法特别适用于快速、有效地校核多钉连接区的连接强度。

大直径盾构隧道管片纵缝三斜螺栓接头力学特性研究

基于精细化数值模型研究大直径盾构隧道管片纵缝三斜螺栓接头在不同轴压下的力学特性,揭示了接头裂缝分布情况、接头竖向位移、张开量、转角和抗弯刚度等参数随接头弯矩的变化规律。结果表明:在正弯矩的作用下,管片裂缝分布有受压裂缝、内缘手孔处沿宽度贯通拉裂缝、接缝面螺栓孔的拉裂缝以及侧边的斜裂缝,而受压裂缝和接缝面螺栓孔处的拉裂缝也存在于负弯矩作用下的模型;管片出现两条沿宽度方向贯通裂缝的现象,对应接头竖向位移、混凝土压应变和接头张开量3个力学特性曲线的拐点,曲线随弯矩增加由近似线性变化转为非线性剧变,混凝土出现压溃时接头转角变为非线性变化,轴力的增加会延迟裂缝贯通现象的出现;螺栓应力随接头弯矩呈线性增长阶段、非线性增长阶段和屈服阶段;螺栓应力增长速率受弯矩和轴力的影响,接头抗弯刚度初始无明显变化,随后呈非线性下降,轴力越大接头抗弯刚度越大。