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盾构隧道管片衬砌结构计算模型及稳定性风险分析研究
| 论文题名： | 盾构隧道管片衬砌结构计算模型及稳定性风险分析研究 |
| 关键词： | 盾构隧道;衬砌结构;弹性铰单元;二维计算模型;广义协调膜元;平板型壳元;三维计算模型;风险评估 |
| 摘要： | 本文根据盾构隧道管片衬砌结构稳定性风险分析的需要,就其涉及的两个主要方面进行了研究.一是盾构隧道管片衬砌结构计算模型的研究;二是盾构隧道衬砌结构稳定性风险分析的基本框架和思路.具体包含以下内容:根据衬砌结构稳定性风险分析中的关键参数——衬砌结构的变形、接缝张开角和接头的内力等,将衬砌管片离散成梁单元,管片接头综合为一种不具有长度却能承受一定弯矩的弹性铰单元,忽略其轴向拉压和剪切刚度,用弹性地基梁的思想来考虑衬砌与地层的相互作用,以此建立管片衬砌结构的二维计算模型,并研制了相应的有限元计算程序FHEF,对实例进行了验证和结果分析.针对区间隧道三维受力与变形的实际,如工作井和区间隧道的连接处、区间隧道与连接通道的连接处等,首次从考虑节点转动自由度的广义协调矩形膜元着手,结合考虑剪切的Mindlin板单元,来构造平板型壳单元,吸纳二维计算模型中的弹性铰单元和弹性地基思想,建立盾构隧道管片衬砌结构的三维计算模型,并研制了相应的有限元计算程序FSHEF.该平板型壳元不涉及局部坐标下节点自由度转换到总体坐标下自由度的扩展问题,自然解决了平板型壳元用于壳体分析时其整体刚度可能出现奇异的问题和由此处理该问题带来的麻烦,也避免了基于壳体理论的曲面壳元计算不稳定的缺陷.该三维计算模型能直接计算得到结构的内力和变形,其计算结果就是结构风险分析的关键参数,可以直接用于风险分析,这与三维实体有限元程序只能直接计算得到结构的应力有较大区别.并对工程实例进行了三维有限元计算,二维计算结果和三维计算结果的比较分析证明了该三维计算模型和计算程序FSHEF的有效性和正确性.该三维计算模型为盾构隧道管片衬砌结构的纵向分析研究提供了一种新的选择.从基于敏感性分析的风险因子选取入手,采用基于一次二阶矩验算点法(AFOSM)的结构失效概率求解方法,将管片衬砌结构计算程序FHEF和FSHEF与失效概率求解程序结合起来,研制了管片衬砌结构稳定性风险分析程序RAST,实现了管片衬砌结构稳定性风险的定量分析.并根据盾构隧道的工程重要性确定了管片衬砌结构的风险评估矩阵,工程实例表明了本文提出的盾构隧道衬砌结构稳定性风险分析的基本思路和整体框架具有一定使用价值. |
| 作者： | 胡志平 |
| 专业： | 结构工程 |
| 导师： | 冯紫良 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 同济大学 |
| 学位年度： | 2004 |
| 正文语种： | 中文 |
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