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装配式钢筋混凝土管型通道现场试验及数值模拟研究

作　者: 颜丹青
导　师: 王建国
学　校: 合肥工业大学
专　业: 工程力学
关键词: 装配式现场试验数值模拟土体-管型通道相互作用管片接头斜交管型通道三维-接触模型粘弹性人工边界施工工艺
分类号: TU921
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 55次
引　用: 5次
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内容摘要

装配式钢筋混凝土管型通道作为一种新的地下通道结构型式,具有工程质量易于控制、施工速度快和成本造价低等优点。可以在预制工厂及场地批量预制,然后运输到现场安装即可。具有较为广泛的应用前景,安徽省将在六(安)武(汉)高速公路和泗(县)宿(州)高速公路等工程中推广应用。而国内对多管片装配式地下通道结构应用技术的研究尚为空白,还没有装配式钢筋混凝土管型通道的设计规范可供设计人员参考。当前可借鉴的工程经验较少,设计和施工方法还处于摸索阶段。本文结合安徽省交通厅批准立项的《六(安)武(汉)高速公路装配式大孔径钢筋混凝土管型通道关键技术研究》课题以及安徽省交通投资集团研究项目《浅埋装配式钢筋混凝土管型通道力学特性研究》,采用现场试验、理论分析和数值模拟分析计算相结合的方法,对装配式钢筋混凝土管型通道的力学性能、抗震设计方法及施工工艺进行了系统而深入的研究,本文的主要研究内容如下:(1)对装配式钢筋混凝土管型通道的动态施工过程进行了监控,基于现场试验实测数据,研究了装配式钢筋混凝土管型通道在施工过程中土压力、变形、应力及基础沉降等的分布与发展规律。(2)以大型通用有限元程序ANSYS为平台,提出了装配式钢筋混凝土管型通道的三维实体-接触计算模型,运用“单元生死”功能模拟装配式管型通道的吊装、回填施工全过程。利用该模型分析了六(安)武(汉)高速公路上一座装配式管型通道施工过程的变形及应力分布情况,计算结果与现场试验实测值进行了比较,证实了本文计算模型和计算结果的合理性。(3)建立了某装配式钢筋混凝土斜交管型通道的空间有限元数值模型,模拟分析了装配式斜交管型通道在车辆荷载作用下,不同斜交角时管型通道的变形大小,应力大小及应力分布情况。(4)以安徽省泗(县)宿(州)高速公路工程的某装配式钢筋混凝土管型通道为研究对象,考虑土与结构的相互作用及管片接头之间的挤压摩擦作用,采用有限元数值模拟技术建立了该管型通道的二维有限元模型,分析研究了装配式钢筋混凝土管型通道管片接头断开位置确定、汽车荷载最不利布载位置确定等关键性问题。建立了该装配式管型通道的三维-接触有限元模型,计算了其应力大小及应力分布情况,并与二维有限元模型计算的结果进行了对比,计算分析表明二维有限元模型的计算结果与三维有限元的计算结果差别较小。(5)在土体截断边界处施加粘弹性人工边界,建立了泗(县)宿(州)高速公路工程的某装配式钢筋混凝土管型通道的动力分析模型,采用时程分析方法,对其进行了非线性地震反应分析。研究了在静力荷载与水平向地震动荷载共同作用下装配式钢筋混凝土管型通道的水平向位移和内力反应的规律。(6)根据国内外涵洞和地下通道结构在公路和铁路上的施工经验,并结合六(安)武(汉)高速公路工程安徽段的装配式钢筋混凝土管型通道施工实践,分析总结出适用于我国装配式钢筋混凝土管型通道的施工工艺,并提出了相应的施工要求。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
致谢  9-14
第1章绪论  14-25
  1.1 课题研究背景  14-15
  1.2 国内外研究现状  15-22
    1.2.1 地下结构计算理论  15-16
    1.2.2 管片接头模型的研究  16-18
    1.2.3 土压力的计算方法  18-19
    1.2.4 地下结构地震响应计算方法  19-22
  1.3 研究目的与意义  22-23
  1.4 本文的主要研究内容与技术路线  23-25
    1.4.1 主要研究内容  23-24
    1.4.2 研究的技术路线  24-25
第2章装配式钢筋混凝土管型通道动态施工现场试验研究  25-43
  2.1 引言  25
  2.2 现场试验工程概况  25-27
  2.3 现场试验设计  27-31
    2.3.1 测试内容  27
    2.3.2 管周土压力监测设计  27-29
    2.3.3 管片应力监测设计  29-30
    2.3.4 装配式管型通道变形监测设计  30-31
  2.4 现场试验研究成果及分析  31-41
    2.4.1 装配式管型通道管周土压力分析  31-33
    2.4.2 装配式管型通道管片应力分析  33-39
    2.4.3 装配式管型通道变形分析  39-41
    2.4.4 装配式管型通道基础沉降分析  41
  2.5 本章小结  41-43
第3章装配式钢筋混凝土管型通道-土体相互作用的三维-接触模型数值模拟研究..  43-60
  3.1 引言  43
  3.2 数值计算理论基础  43-47
    3.2.1 弹塑性矩阵  43-45
    3.2.2 初始状态  45-46
    3.2.3 非线性方程组求解  46
    3.2.4 收敛判据  46-47
  3.3 面-面三维接触算法  47-48
    3.3.1 接触条件  47-48
    3.3.2 平衡方程  48
  3.4 三维-接触有限元模型的建立  48-56
    3.4.1 混凝土的强度准则与土体的屈服准则  48-55
    3.4.2 装配式管片和土体模拟  55
    3.4.3 装配式管片接缝模拟  55
    3.4.4 土体与装配式管片的相互作用模拟  55
    3.4.5 边界条件模拟  55-56
    3.4.6 土体动态施工回填过程模拟  56
  3.5 工程应用实例  56-59
    3.5.1 有限元模型及参数  56-57
    3.5.2 数值计算结果与试验结果对比分析  57-59
  3.6 本章小结  59-60
第4章装配式钢筋混凝土斜交管型通道力学特性分析  60-67
  4.1 引言  60
  4.2 有限元模型的建立  60-64
    4.2.1 材料模型及主要参数  61-62
    4.2.2 计算范围及边界条件  62-63
    4.2.3 有限元模型  63
    4.2.4 计算工况  63-64
  4.3 计算结果及分析  64-65
  4.4 本章小结  65-67
第5章装配式钢筋混凝土管型通道二维与三维有限元数值模型对比分析  67-77
  5.1 引言  67
  5.2 有限元分析  67-69
    5.2.1 基本假定  67-68
    5.2.2 混凝土的强度准则与土体的屈服准则  68-69
  5.3 工程应用实例  69-75
    5.3.1 工程概况  69-70
    5.3.2 有限元模型的建立  70-71
    5.3.3 计算参数的选取  71
    5.3.4 荷载工况  71-72
    5.3.5 管片接头断开位置确定  72-73
    5.3.6 偏载最不利位置确定  73
    5.3.7 二维与三维有限元计算结果及对比分析  73-75
  5.5 本章小结  75-77
第6章装配式钢筋混凝土管型通道非线性地震响应分析  77-89
  6.1 引言  77
  6.2 地下结构地震分析方法  77-80
    6.2.1 拟静力法  77-79
    6.2.2 动力数值法(有限元法)  79-80
  6.3 土-地下结构动力相互作用的人工边界  80-82
    6.3.1 粘性边界  80
    6.3.2 透射人工边界  80-81
    6.3.3 粘弹性边界  81-82
  6.4 有限元计算模型  82-84
    6.4.1 单元及材料本构模型选择  82
    6.4.2 地震波的选择与调整  82-83
    6.4.3 重力效应的考虑  83-84
  6.5 算例分析  84-88
    6.5.1 模型建立及地震波的输入  84-85
    6.5.2 计算结果分析  85-88
  6.6 本章小结  88-89
第7章装配式钢筋混凝土管型通道施工工艺研究  89-97
  7.1 引言  89
  7.2 施工工艺基本原理  89
  7.3 施工工艺特点  89-90
  7.4 适应范围  90
  7.5 施工工艺流程和主要施工方法  90-97
    7.5.1 施工工艺流程  90
    7.5.2 主要施工方法  90-94
    7.5.3 施工中注意事项  94
    7.5.4 施工质量控制  94-97
第8章结论与展望  97-101
  8.1 结论  97-99
  8.2 有待进一步研究的课题  99-101
参考文献  101-105
攻读硕士学位期间发表论文和参与科研  105-106

装配式钢筋混凝土管型通道现场试验及数值模拟研究

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