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原文传递隧道预制装配式仰拱接头承载性能研究

论文题名：	隧道预制装配式仰拱接头承载性能研究
关键词：	山岭隧道;预制装配式仰拱接头;破坏模式;受力性能
摘要：	由于装配式衬砌结构有着施工速度快、施工质量高、施工成本低等优点而被广泛运用到明挖隧道、地铁站台、预制管廊等工程中。然而山岭隧道因地质条件复杂，施工过程中往往出现超欠挖等问题，难以采用装配式衬砌结构，现场只能以现浇法为主，这大大增加了施工成本，延长了工期。　　为了使装配式结构能够更好地应用于山岭隧道，本文主要提出了两种预制装配式仰拱接头，分别为锥形接头和Z形接头，针对这两种接头开展了室内试验，并结合数值模拟进行对比分析，论文主要研究内容和成果如下：　　（1）基于模型相似三定理，进行了相似材料配比试验，得到了最符合实际土质的材料配比，即河沙：铁粉：重晶石粉=2.5:0.2:1.3，液态石蜡占比4%。　　（2）采用确定的材料配比，针对锥形、Z形两种仰拱接头形式，开展了室内缩尺模型试验，通过试验手段研究了装配式仰拱的破坏模式与承载性能。试验结果表明：①不同的接头受力状态导致不同的破坏模式，Z形接头主要表现为压溃、剪切破坏，锥形接头表现为接头剪切滑移破坏。②不同接头形式下，上部结构承担围岩压力占实际加载的百分比均分布在50~60%之间。对于连接较弱的锥形接头，仰拱仅承受20%左右实际加载的压力。对于Z形接头，仰拱承受200%左右的实际加载的压力，即在仰拱接头处出现了明显的应力集中及放大现象。　　（3）针对不同接头形式，基于真实的结构设计尺寸，借助数值模拟手段，分析了新型装配式仰拱的破坏模式。模拟结果表明：①Z形接头与刚性接头衬砌结构的破坏规律、围岩分布与试验结果基本相同，但模拟的锥形接头破坏模式与试验差异较大，这主要是因为模型不能反应预制仰拱与现浇二衬结构之间的大变形滑动。②衬砌上的围岩压力在250~600kPa时，接头开始出现变形破坏，根据统计数据可知，中国近95%的运营隧道二次衬砌承受的围岩压力小于200kPa，由此看出两种接头形式均满足实际隧道承载要求。　　（4）提出以“平均安全系数kavg”和“安全系数k”为指标对装配式仰拱的整体安全性能进行评价，综合分析认为Z形接头更适合运用于实际工程中，主要原因如下：①两种接头形式的平均安全系数相差不大，当外部荷载从0.2Fu加载到1.0Fu时，安全系数k均下降31%左右。但Z形接头加载到0.4Fu时kavg低于抗拉强度安全系数(3.6)，而锥形接头加载到0.2Fu时就低于控制值，因此从整体可靠性来看，Z形接头二衬结构受力更加稳定。②实际工程中对拱顶的承载能力要求更高，锥形接头与Z形接头拱顶加载到0.2Fu时，安全系数分别为3.7和3.8，下降率分别为31.5%和23.3%，且二者先后加载到0.2Fu和0.3Fu时超过抗拉强度安全系数(3.6)，因此Z形接头衬砌结构受力更为合理；③通过对比发现两种接头的受力性能差异较小，但根据试验情况推测，锥形接头在实际施工中很难达到理想链接强度，而Z形接头的施工质量更容易得到保障。
作者：	罗云飞
专业：	土木水利(土木工程)
导师：	张家国;顾颖
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南科技大学
学位年度：	2023