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基于精细化有限元模型的大直径盾构隧道衬砌震裂特性研究
| 论文题名： | 基于精细化有限元模型的大直径盾构隧道衬砌震裂特性研究 |
| 关键词： | 盾构隧道;衬砌震裂;裂损分析;精细化有限元模型 |
| 摘要： | 当下盾构技术越发成熟，成为地下隧道、地下管线施作的首选方法。如今中国铁路隧道总长约2万公里，公路隧道近年每年新增里程达1100km以上，至2030年累计规划城市管廊里程达4443.3公里。盾构隧道的发展呈现三个趋势：直径越来越大、穿越地层复杂、里程数更长，这对隧道从施工到运营期间的安全性能有了更高的要求。1995年日本神户地震、1999年土耳其Duzce地震、2008中国汶川地震都表明，地下结构在地震作用下依旧会出现严重破坏。地震作用下隧道的损伤形式包括剪切破坏、裂损、混凝土剥落、管片开缝漏水渗水等等。 为更全面地探明盾构隧道的震裂模式，本文采用数值模拟方法，建立了管环精细化化模型以及局部管片精细化模型，考虑了CDP（Concrete Damage Plastic）本构、扩展有限元法XFEM（Extended Finite Element Method），结合已有试验进行模型验证。建立自由场模型获取管环外围地震位移时程边界条件。通过对管环及局部管片施加不同方向、强度的地震荷载对盾构隧道在地震作用下的震裂特性进行研究。本文主要内容及研究成果如下： （1）根据已有全环衬砌加载试验以及管片接缝试验，分别建立管环精细化有限元模型、局部管片有限元模型，以进行模型验证，并确定不同材料的最佳参数。 （2）建立了自由场土体模型，采用粘弹性边界吸收边界效应，获得管环外围边界地震时程数据。基于反应位移法，提出等代层方法以替代弹簧层。通过对精细化管环模型施加不同方向、强度的地震作用，研究管环的损伤模式以及管片接缝张开量。发现管环损伤主要集中在拱顶、拱底、腰部内侧以及上下45°拱肩。损伤发展及接缝张开量突变时刻与加速度峰值、位移峰值出现时刻高度重合。 （3）建立了精细化局部管片模型以及管片接缝模型。采用拟静力法，通过施加设防地震强度下的最大正负弯矩以及不同螺栓预紧力，研究设防烈度地震作用下不同螺栓预紧力对管片的裂损模式的影响，发现螺栓预紧力为360kN时裂损程度最小。随后，施加极限正负弯矩，探究局部管片模型的最终裂损模式，裂缝位置、裂缝深度以及裂发展规律。 |
| 作者： | 彭卓华 |
| 专业： | 建筑与土木工程 |
| 导师： | 刘超 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 广州大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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