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原文传递钢壳混凝土沉管隧道管节节点试件拟静力试验与数值分析研究

论文题名：	钢壳混凝土沉管隧道管节节点试件拟静力试验与数值分析研究
关键词：	钢壳混凝土沉管隧道;管节结构;地震荷载;抗震性能
摘要：	钢壳混凝土沉管隧道是将双钢板混凝土组合结构与利用沉管法修建水下隧道二者结合起来应用的新型隧道结构，因此钢壳混凝土沉管隧道集上述自身结构、修建方法的优势于一身，具有承载能力高、防水及耐久性能好、材料利用率高、施工方便快捷等优点。目前在建的深中通道海底沉管隧道是国内首次采用钢壳混凝土新型组合结构。由于沉管隧道的结构重要性及其所处水下环境的复杂性，在地震荷载作用下沉管隧道一旦发生破坏将产生严重后果，因此沉管隧道抗震性能的研究意义不言而喻。　　本文依托深中通道钢壳混凝土沉管隧道工程为背景，设计制作了钢壳混凝土沉管隧道管节缩尺L型、T型节点试件，采用试验与有限元数值模拟相结合的方法对节点试件在低周往复荷载作用下的力学性能、结构失效机理进行了研究；基于ABAQUS有限元软件建立了沉管隧道管节结构考虑场地土、海水的三维模型，研究在地震波输入的条件下沉管隧道管节结构的地震动响应特性。本文进行的工作和得到的结论如下所述：　　（1）设计制作了沉管隧道管节缩尺L型、T型节点试件，并基于MTS结构试验加载系统对其完成了拟静力试验；试验过程中重点关注了结构的侧向承载力、耗能能力、延性、裂缝分布情况以及结构的失效形态。通过开展拟静力试验得到以下结论：　　在破坏形态方面：L型和T型节点试件核心区的混凝土与钢板因发生严重剥离而无法继续协同工作导致了结构的最终失效。L型和T型节点试件的破坏特征分别表现为脆性破坏和受弯破坏。L型节点试件破坏之前核心区裂缝发展不明显且承载力急剧下降，是预兆不明显的突然破坏。而T型节点试件在破坏之前承载力下降缓慢，核心区裂缝充分发展，混凝土发生了大量剥落，具有受弯破坏特征。　　在抗震性能方面：L型节点试件的侧向承载力较高，耗能能力也强于T型节点试件。T型节点试件具有比L型节点试件更好的延性。　　（2）基于ABAQUS软件建立了L型、T型节点试件的有限元模型，并参考实际的拟静力试验过程，确保有限元模拟的加载条件、边界条件与试验对应一致，以达到用试验结果验证有限元计算结果准确与否的目的。数值模拟计算结果表明，有限元数值计算得到的试件的荷载—位移滞回曲线、侧向承载力、裂缝分布情况均与试验结果具有较强的吻合性，由此表明本文使用的建模方法是适用的。　　（3）参考实际工程中沉管隧道管节的几何尺寸以及隧道所处环境条件，建立了管节结构、场地土以及海水的三维有限元模型。考虑在地震动输入的情况下，研究沉管隧道管节结构受到周围环境影响的地震动响应特性，响应特性分析指标为管节顶、底板关键节点处的位移、加速度和应力。　　在三维模型中，管节结构周围的土体采用建立了粘弹性人工边界的有限域地基来模拟；海水在地震作用下对管节结构产生的动水压力作用采用附加质量法来模拟；地震对管节结构的作用通过将地震波的位移、速度时程转换为边界节点上的等效荷载来施加。数值计算结果表明：当地震波从土体底部边界垂直入射至模型系统时，管节模型横断面内测点的位移、加速度响应时程的波形与峰值和激励地震波相应的波形与峰值表现出一定的相似性；管节横断面内测点的响应位移呈现出由底板向顶板增大的规律，而响应加速度峰值则呈现出底板测点大于对应顶板测点的规律；通过对管节行车孔内各个角点处的第一主应力响应时程曲线的分析，发现边墙位置处主应力大于中墙位置处主应力，且边墙靠近节点核心区位置处的测点主应力峰值为最大。
作者：	李嘉欣
专业：	土木工程
导师：	季文玉
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2023