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原文传递盾构隧道管片接头精细化数值模拟及多尺度力学对比分析

论文题名：	盾构隧道管片接头精细化数值模拟及多尺度力学对比分析
关键词：	盾构隧道;衬砌结构;管片接头;精细化建模;力学特性
摘要：	随着人口的增长、交通压力的增大和经济水平的提高，地铁在城市中快速发展，地铁结构的安全性越来越受到关注。地铁隧道以管片作为主体支护结构，管片通过管片接头连接，管片接头是隧道衬砌的薄弱环节。目前常用的管片接头为螺栓接头，在使用过程中易出现裂缝、掉块、渗漏水等现象，对隧道结构的安全性和耐久性造成影响。接头在使用期间存在问题的原因包括对接头力学分析的欠缺以及接头结构本身的不足，探索接头的力学性能和引入新型接头都是解决问题的有效手段。　　本文以两种传统接头（直螺栓接头、弯螺栓接头），一种新型接头（滑入式快速接头）为研究对象，利用有限元方法建立了三种管片接头的精细化3D实体模型，通过模型试验结果验证了数值模型的可靠性。以数值模型为基础，从接头细部构造、接头整体构造、整环衬砌构造三个尺度分析了接头承受弯矩、剪力、轴力荷载时的力学响应和力学性质，讨论了传统接头和新型接头的区别与联系，探讨了各类接头的适用范围。论文具体取得的成果如下：　　（1）建立了三种接头的抗弯分析数值模型。通过模型分析得知，轴力荷载可以线性提高接头的抗弯性能；传统螺栓接头的抗弯性能基本一致，在承载中经历了四个受力阶段，具有较好的延性；滑入式快速接头的抗弯性能远强于传统螺栓接头，在承受正弯荷载时存在三个阶段，承受负弯荷载时存在两个阶段；T型连接件和C型预埋槽是滑入式快速接头的薄弱环节。　　（2）针对接头结构和材料两个方面开展了滑入式快速接头优化研究，发现将连接件向受压侧移动可以在保证接头抗弯刚度的情况下提高结构延性；将连接件向受拉侧移动可以在提高接头抗弯刚度的同时减小接头变形；在将连接件材料等级提高不会显著改变接头的变形性能，但可以提高接头的抗弯刚度；连接件材料等级过高和过低都会导致混凝土承受应力提高。　　（3）建立了三种接头的抗剪分析数值模型。通过模型分析得知，接头受剪过程主要分为两个阶段；轴力荷载可以线性提高接头的抗剪性能；连接件的抗剪性能决定了接头的抗剪性能；直螺栓和弯螺栓接头的抗剪性能基本相同；滑入式快速接头的抗剪性能远好于螺栓接头；滑入式快速接头的薄弱环节位于T、C型连接件和C型预埋槽。　　（4）建立了三种接头的整环分析数值模型。通过模型分析得知，衬砌圆环在承载时变形呈“横鸭蛋”形态；各位置接头中#2接头属于隧道变形的薄弱环节，#1和#2接头属于隧道受力的薄弱环节；衬砌圆环各位置接头的力学变化均会影响隧道整体刚度和各接头刚度；各位置接头张开量和隧道横向变形之间均存在较为稳定的倍数关系，可以通过隧道横向变形监测推测各接头的张开量信息。传统螺栓接头衬砌圆环的承载能力和抗变形能力基本相同，直螺栓接头略强与弯螺栓接头。加载过程中，传统螺栓接头的各处接头均存在渗漏水风险。滑入式快速接头的承载能力和抗变形能力明显强于传统螺栓接头，在能承受更大载荷的同时，仅2#接头存在渗漏水风险。　　（5）根据接头荷载试验和整环荷载试验的分析结果得出，传统螺栓接头适用于地应力较低的隧道，滑入式快速接头适用于高地应力条件、高变形控制要求的隧道。
作者：	张润东
专业：	力学
导师：	廖霖;薛亚东
授予学位：	硕士
授予学位单位：	太原理工大学
学位年度：	2021