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基于壳—弹簧模型的盾构隧道整体结构性能研究

作　者: 贾艳领
导　师: 夏永旭；叶飞
学　校: 长安大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 盾构隧道管片衬砌等效连续壳-弹簧模型纵向力学特性横向力学特性
分类号: U451
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着我国经济的发展和综合国力的提高,城市化进程加快,开展大规模的城市市政建设也就成为必然,在这些地下工程中,由于受到施工场地、道路交通等城市环境因素的限制,使得对城市正常机能影响很小的盾构施工法普遍得到了人们的关注,并且在一些地区已经有了较为广泛的使用。然而,我国到目前还没有国家盾构规范作为设计标准,使得盾构隧道设计工作盲目性较大,故加强理论指导迫在眉睫。盾构隧道管片衬砌设计的关键问题在于结构模型本身是否能反映管片的实际受力状态。目前用于隧道衬砌管片横向理论解析分析方法主要有:惯用法、修正惯用法、多铰环法以及梁—弹簧模型四种;纵向理论解析分析方法主要有:纵向梁—弹簧模型、纵向等效连续化模型两种。无一例外,上述几种模型都是将管片沿横向或纵向简化为梁,并把隧道横向结构性能和纵向结构性能割裂开来分别进行研究。然而,盾构隧道是由许多管片拼装并用螺栓连接而成的圆环状结构,结构性态相当复杂,其纵向结构性能和横向结构性能是密不可分的,纵向结构性能的变化将不可避免地引起隧道衬砌的横向结构性能发生一定的变化,反之亦然。沿横向和纵向简化为梁,在很多情况下难以准确反映管片环之间的结构性能,因而与隧道实际的力学特性及结构性能会有一定的差异。本文的研究工作正是基于此展开,主要研究内容如下:1.在分析了现有盾构隧道管片衬砌分析方法的基础上,提出了能较为全面反应盾构隧道管片衬砌力学特性的计算模型,即三维等效连续壳-弹簧模型。模型中用矩形平板壳单元来模拟管片衬砌,用土弹簧单元来模拟地层与隧道结构之间的相互作用。2.运用壳-弹簧模型对通缝拼装隧道管片衬砌的整体力学性能进行了研究分析,从力学机理上分析了隧道纵、横向结构性能的相互影响,以及隧道纵横向结构性能对地基刚度变化的敏感程度。研究结果表明:衬砌通缝拼装时,环向结构刚度的变化对隧道纵向结构性能的影响明显于纵向结构刚度的变化对环向结构性能的影响;地基刚度的变化对隧道结构性能的影响不是特别明显;根据计算分析结果,本文提出了“通缝拼装纵向加强效应”及“拼装衬砌横向加强效应”的概念。3.运用壳-弹簧模型对错缝拼装隧道管片衬砌的整体力学性能进行了研究分析,从力学机理上分析了隧道纵、横向结构性能的相互影响。研究结果表明:距离荷载中心较近时,环向结构刚度变化对纵向结构性能的影响明显于纵向结构刚度变化对环向结构性能的的影响;距离荷载中心较远时,则恰好相反。根据计算分析结果,再次验证了前人提出的错缝拼装纵向加强效应,以及本文提出的“拼装衬砌横向加强效应”的存在。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-29
  1.1 前言  12-14
  1.2 盾构法施工技术的发展  14-18
    1.2.1 盾构法概述  14-15
    1.2.2 我国盾构法施工技术发展情况  15-18
  1.3 盾构隧道纵横向结构性能相互影响问题的提出  18-19
  1.4 国内外盾构隧道结构性能研究现状  19-27
    1.4.1 盾构隧道横向结构性能研究现状  21-23
    1.4.2 盾构隧道纵向结构性能研究现状  23-26
    1.4.3 盾构隧道与土体共同作用研究现状  26-27
  1.5 本文的研究方法及主要工作  27-29
第二章盾构隧道数值模拟理论  29-41
  2.1 概述  29-30
  2.2 结构单元分析  30-38
    2.2.1 壳单元  31-33
    2.2.2 土弹簧单元  33-38
  2.3 结构荷载及边界条件  38-41
    2.3.1 结构荷载  38-40
    2.3.2 载荷处理  40
    2.3.3 边界条件  40-41
第三章通缝拼装衬砌结构荷载纵向传递效应分析  41-72
  3.1 概述  41
  3.2 盾构隧道等效连续化模型  41-47
    3.2.1 等效连续化基础  41-45
    3.2.2 几种等效连续模型  45-47
  3.3 有限元模型的建立  47-51
    3.3.1 分析模型  47-49
    3.3.2 模型的边界条件及计算参数  49-50
    3.3.3 计算模型及工况  50-51
  3.4 拼装衬砌结构荷载纵向传递效应分析  51-70
    3.4.1 软地基条件下衬砌结构纵向受力传递特性分析  51-61
    3.4.2 硬地基条件下衬砌结构纵向受力传递特性分析  61-70
  3.5 本章小结  70-72
第四章通缝拼装衬砌结构横向受力特性分析  72-89
  4.1 概述  72-73
  4.2 通缝拼装衬砌横向内力分布  73-80
    4.2.1 软地基条件下衬砌横向内力分布  73-77
    4.2.2 硬地基条件下衬砌横向内力分布  77-80
  4.3 荷载纵向传递引起的结构横向附加内力分布  80-87
    4.3.1 软地基条件下荷载纵向传递引起的结构横向附加内力  80-84
    4.3.2 硬地基条件下荷载纵向传递引起的结构横向附加内力  84-87
  4.4 本章小结  87-89
第五章错缝拼装衬砌结构荷载纵向传递效应分析  89-106
  5.1 概述  89-90
  5.2 有限元模型的建立  90-92
    5.2.1.分析模型  90
    5.2.2.模型的边界条件及计算参数  90-91
    5.2.3.计算模型与计算工况  91-92
  5.3 拼装衬砌结构纵向受力传递效应分析  92-104
    5.3.1 接缝影响范围1=0.5L时衬砌结构纵向受力传递特性分析  92-96
    5.3.2 接缝影响范围1=1.0L时结构纵向受力传递特性分析  96-100
    5.3.3 接缝影响范围1=1.5L时结构纵向受力传递特性分析  100-104
  5.4 本章小结  104-106
第六章错缝拼装衬砌结构横向受力特性分析  106-120
  6.1 概述  106
  6.2 错缝拼装衬砌横向内力分布  106-113
    6.2.1 纵向结构性能对衬砌结构横向内力分布的影响  106-110
    6.2.2 横向结构性能对衬砌结构横向内力分布的影响  110-113
  6.3 荷载纵向传递引起的结构横向附加内力  113-118
    6.3.1 纵向结构性能对衬砌结构横向附加内力分布的影响  113-116
    6.3.2 横向结构性能对衬砌结构横向附加内力分布的影响  116-118
  6.4 本章小结  118-120
第七章结论与展望  120-122
  7.1 结论  120-121
  7.2 存在的问题及展望  121-122
参考文献  122-126
致谢  126

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