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原文传递适用于无人化立拱的型钢拱架节段之间连接方式力学效应研究

论文题名：	适用于无人化立拱的型钢拱架节段之间连接方式力学效应研究
关键词：	无人化立拱桥;折叠式钢拱架;数值模拟;铁路隧道
摘要：	由于传统钢拱架节段之间连接方式的制约，使得隧道钢拱架安装大多以人工为主，严重影响了隧道钢拱架安装机械化，因此适用于“无人化”立拱的钢拱架型式也是学者们研究的重要方向。本文以新乌鞘岭隧道工程为研究背景，在前人研究的基础上，研究了适用于“无人化”立拱的折叠式钢拱架。通过数值模拟方法，对折叠式钢拱架的承载特性以及适用于“无人化”立拱的开挖方法和初期支护结构受力进行了研究，并对新乌鞘岭隧道“无人化”立拱段支护结构受力状态进行了监控量测，为折叠式钢拱架的应用提供参考。本文的主要研究内容如下：　　（1）通过查阅大量文献资料，总结了传统钢拱架节段之间连接方式的不足，研究了适用于“无人化”立拱的新型连接方式，介绍了卡扣式接头的设计要求和方案，最后归纳提出了折叠式钢拱架加工工艺和立拱工艺。　　（2）利用Abaqus模拟软件，对A、B两种型号卡扣折叠式钢拱架在不同弹性锥头直径下的变形、连接板接触状态、接头处力学响应进行研究；当锥头直径由16mm增加至24mm时，A型卡扣折叠式钢拱架拱顶沉降逐渐减小，B型卡扣折叠式钢拱架拱顶沉降先减小后增大；B型卡扣折叠式钢拱架沉降增大的原因是其相比A型卡扣式接头弹性锥头个数多，加之当锥头直径超过20mm时导致对接头处连接板起到了一定的削弱作用；接头处应力集中位置主要集中在弹性锥头底部，B型卡扣式接头连接板之间的脱离间距相比较A型卡扣式接头较小；通过对比拱顶沉降、锥头处受力状态以及连接板之间接触状态，认为弹性锥头直径为20mm的B型卡扣折叠式钢拱架较好。　　（3）利用Midas模拟软件，对适用于“无人化”立拱的长台阶带仰拱一次开挖方法进行模拟，相比较于三台阶开挖，采用两台阶开挖时围岩变形、钢拱架应力和喷射混凝土应力相对较小，且更有利于大断面隧道机械化施工。　　（4）在两台阶开挖方式下，为了更好发挥多功能作业台车性能，对上台阶开挖高度为5m、6m、7m进行了对比分析，得出上台阶高度为6m时较为合理；对1.2m和1.8m开挖进尺拱顶沉降和喷射混凝土应力进行对比分析，得出开挖进尺为1.8m较为合理；对12m、15m、18m台阶长度进行了对比分析，当台阶长度为15m时较合理且更适合“无人化”立拱设备的布置。　　（5）通过对适用于“无人化”立拱的两台阶开挖方式下隧道支护结构受力进行现场监测，分析得出隧道围岩压力呈大致对称状态，拱顶处围岩压力最大，至两侧逐渐减小，最大围岩压力为718.9kPa；钢拱架主要承受压应力，最大压应力为90.8MPa，出现在拱顶位置处；喷射混凝土各监测部位应力值相差较大，右边墙处压应力为25.2MPa，超出了喷射混凝土的抗压强度，应在施工过程中加强监测；最大接触压力主要在拱顶和左边墙处，接触压力值为251kPa，二次衬砌混凝土最大压应力为3.5MPa，由此分析可得初期支护是隧道支护的主要承载结构，二次衬砌作为安全储备。
作者：	张国伟
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	李德武
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022