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原文传递双钢壳混凝土沉管隧道管节接头抗震性能研究

论文题名：	双钢壳混凝土沉管隧道管节接头抗震性能研究
关键词：	沉管隧道;混凝土构件;双钢壳结构;管节接头;抗震性能
摘要：	随着我国首次运用双钢壳混凝土沉管隧道-深中通道的建设，目前国内外对于沉管隧道的关注程度是越发高涨。由于沉管隧道可以事先预制然后直接运输至指定位置下沉，极大地提高了施工效率，与钢筋混凝土沉管隧道相比，双钢壳混凝土沉管隧道有着承载力高、刚度大、延性好等诸多优点，逐渐在国内诸多项目中都见露头角。但由于沉管隧道是铺设在海床上面，在地震荷载作用下，管节接头部位的抗震设计显得十分重要。目前国内外对沉管隧道整体抗震研究较多，而对于接头抗震研究较少，但接头作为沉管隧道的薄弱部位应当更加重视，因此研究双钢壳混凝土沉管隧道管节接头抗震性能具有重要的实用价值。　　本文以深圳至中山跨江通道沉管隧道项目为工程背景，通过阅读文献分析了国内外沉管隧道、盾构隧道等地下结构抗震相关的研究现状，总结了BART法、动力有限元法、反应位移法、弹簧-质点-梁模型及等效刚度简化模型五种目前常用的抗震分析方法。选用反应位移法来进行沉管隧道的抗震研究，用动力有限元方法来研究地震作用下隧道接头处的动力响应特性，采用静力有限元来求解地基刚度进而对隧道结构进行抗震分析。利用ABAQUS有限元软件建立GINA止水带模型，对GINA止水带的密封性进行模拟研究，发现GINA止水带顶部由于有尖端的存在，在顶部与端钢壳接触区域应力分布差别较大，顶部接触应力也大于底部接触应力，相对于端钢壳接触面积大并平整的底部而言，顶部有更好的密封性，所以GINA止水带的防水薄弱环节是底部，在正常压缩情况下，渗漏将先发生在止水带底部。建立了管节接头力学模型，分析了所研究的管节接头弹簧轴向刚度、切向刚度及扭转刚度的取值；建立沉管隧道横断面二维有限元模型，依据静力有限元法求解出了所研究的沉管隧道的竖向、横向及纵向的地基弹簧刚度。　　采用MidasSoilWorks软件对隧道管节周围土体进行自由场分析，建立土层模型，对其进行一维地基响应分析，得到随深度变化，各土层的加速度响应时程曲线、速度响应时程曲线、位移响应时程曲线，各土层的等效剪切模量、等效阻尼比等。利用ABAQUS中的8节点线性三维实体单元C3D8R建立沉管隧道的管节计算模型，材料本构模型选择上，管节内部混凝土采用弹性模型；水平混凝土剪力键采用混凝土损伤塑性模型；管节钢材部分Q235、Q345均采用钢构双曲线模型定义为金属经典弹塑性材料；GINA止水带等橡胶材料采用Mooney-Rivilin模型。　　使用动力时程法对沉管隧道管节接头抗震特性进行了研究，通过输入x、y、z向的ElCentro地震波，研究所取的管节接头截面七个关键点，得到它们的应力-时程曲线、位移-时程曲线以及顶底板相对位移-时程曲线，发现在地震荷载作用下，首先沉管隧道框架结构有可能会出现一侧受拉严重一侧受压严重，此状态对结构而言十分不利非常容易导致结构破坏受损，应当加强接头的侧墙及中墙的强度，可以考虑增加竖向钢剪力键的刚度及两管节互相啮合时的摩擦力。其次，侧墙与顶板连接处、中墙与中间隔板连接处存在非常大的压应力、拉应力变换，是沉管隧道抗震中的薄弱位置，在沉管接头设计时应当重点关注这几个管节连接处的部位，进行相应的加强。最后，在输入y方向地震波时，侧墙的位移要大于中部的位移，基本从隧道两侧向中部逐渐减小，这种变形容易发生张拉破坏，中柱容易在地震中首先发生破坏，这种情况应当结合实际工程不用追求过宽或过大的管节横截面，减小侧墙至中墙的距离。对管节关键点分析计算他们的接头张开量及压缩量，结果显示接头最大的张开量小于设计时考虑的地震作用引起的张开量，说明所研究的沉管隧道该管节现有接头布置方式能有效地达到抗震要求。
作者：	胡涵
专业：	土木工程
导师：	吉小明
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广东工业大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文