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动态荷载下盾构隧道结构的动态反应及裂缝发展规律
| 论文题名： | 动态荷载下盾构隧道结构的动态反应及裂缝发展规律 |
| 关键词： | 盾构结构;扩展有限元;疲劳裂纹;数值模拟;动态响应 |
| 摘要： | 随着城市的发展和人口的聚集，城市地上空间资源日益紧缺，这促进了对地下空间的开发需求。自上个世纪以来，越来越多的学者开始关注并研究城市轨道交通隧道的安全和性能。衬砌管片作为城市地铁盾构隧道的主要承载结构，在浇筑、运输、拼装等施工过程中往往不可避免地产生各种缺陷。在地铁正常运营的过程中，隧道衬砌主要承受水土压力，地面超载以及周期性的列车荷载等作用，在这些荷载的长期反复作用下，衬砌混凝土裂隙将不断扩展、贯通，最终导致地铁隧道破坏，无法继续正常服务。 本文以南京地铁五号线为研究原型，建立高精度的盾构隧道模型，研究了隧道动态响应的影响因素。同时通过雨流计数法、Miner损伤累积原理和混凝土疲劳方程等方法计算了隧道损伤和寿命估算。并且分析了当隧道存在明显初始裂纹时，分析裂纹的发展路径以及影响因素。本文研究内容和结论如下： （1）基于Abaqus建立高精度的盾构隧道模型，还原了隧道管片通过高强度螺栓错缝拼接的实际场景，对边界做无限元处理以减少列车荷载引起的波在边界的反射效应。模拟了地应力平衡、隧道开挖到隧道正常运行的三个阶段，分析轴重16t地铁列车以80km/h速度运行下，隧道各部位组件的状态，计算结果显示隧道衬砌和螺栓应力状态均在安全范围之内。 （2）基于轨道不平顺理论，对比分析了列车速度和列车轴重对隧道动态响应的影响。模拟结果表明隧道的动态响应主要集中在隧道底部，在一定范围内，隧道动应力和振动加速度与列车速度和轴重均呈现正相关性。 （3）假设隧道无初始缺陷前提下，基于雨流计数法、Miner损伤累积原理和混凝土疲劳方程，分析了隧道衬砌的损伤，估算隧道衬砌的寿命。计算结果显示，在螺栓等其他附件能够保证长期有效的前提下，该隧道衬砌能够满足地铁设计使用100年的年限要求。 （4）假设隧道存在初始缺陷前提下，借助扩展有限元法（extendedfiniteelementmethod,XFEM），在衬砌管片的不同位置处设置初始裂缝。引入Paris疲劳准则，研究不同位置的初始裂缝的扩展规律，分析列车速度和列车轴重对裂纹扩展的影响。将数值结果与原型试验结果对比，发现符合裂纹扩展规律。裂纹主要呈现I型断裂特征，并且在扩展的过程中有偏向应力集中区扩展的趋势。在一定范围内，裂缝扩展速度与列车运行速度和列车轴重均呈现正相关性，但扩展路径和规律相似。 |
| 作者： | 程子凌 |
| 专业： | 建筑与土木工程 |
| 导师： | 李建春;田龙岗 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 东南大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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