複雜條件下盾構隧道用複合管環結構的力學機理研究

《複雜條件下盾構隧道用複合管環結構的力學機理研究》是依託天津大學，由張穩軍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：複雜條件下盾構隧道用複合管環結構的力學機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張穩軍
• 依託單位：天津大學

項目摘要

複合管片已用在深長大、斷面多樣化的捷運、地下公路、地下人行通道和地下蓄水池等盾構隧道，但因結構形式複雜，力學機理不明確，設計模型及關鍵參數的選取不確定，導致其存在安全性和經濟性缺陷。項目擬綜合考慮複合管片界面滑移、局部失穩和損傷，首先建立一種基於內聚力理論的三維有限元和非協調邊界元組合法，引入考慮約束條件的複合管片厚度分層、幅寬條分的剛度折減法，避免計算不收斂，具有較高精度和明確物理意義。其次，通過局部結構實體試驗和管環結構相似模型試驗，綜合上述提出的力學模型和數值模擬方法，揭示單體複合管片和複合管環結構的力學和破壞特徵差異；闡明接頭尺寸和材質，管片拼裝形式及封頂塊位置對複合管環結構剛度和變形的影響規律；探究複雜條件下複合管環結構的力學機理。研究成果為複合管環結構多材質、多尺度耦合問題求解提供了一種新的思路，同時為複雜條件下複合管片結構科學設計、盾構隧道的安全性和耐久性等研究工作奠定基礎。

結題摘要

本項目主要研究包括： 針對局部結構實體的受力變形特性分析，設定了不同的鋼板厚度、主桁梁厚度、接頭板厚度以及剪力鍵布置形式，進行了16組試驗盾構隧道鋼混複合管片的力學性能試驗分析上述因素的敏感度；基於鋼板和填充混凝土界面應變間的差值預測管片的界面滑移量，得出管片上下界面的滑移應變公式，提出了在不同荷載下的撓度修正公式。 針對複合管環結構的受力變形特性分析，建立複合管片螺栓接頭模型，得出環向抗彎剛度計算公式；建立盾構隧道殼—彈簧模型，得出環間接頭承載力和損傷高度的理論公式；採用混凝土塑性損傷本構模型，得出了管環結構破壞過程中接頭的破壞特點；建立多材料、多尺度耦合數值模型和複雜地層條件下複合管環模型，得出了在盾構隧道複合管環結構在不同條件下的受力特性和變形規律。 針對特殊荷載下的複合管環結構的受力變形特性分析，分析總結千斤頂偏心荷載和盾尾刷反力作用下管環損傷及縱向接縫張開量的特點；建立了拼裝式襯砌複合管片模型，研製了多功能管片載入模擬試驗系統，得出了內水壓對於接縫張開量和管環錯台量的影響規律。 通過理論分析、數值模擬和試驗等多方面研究，建立了能反映複合管片實際性能的多種數值模型，推導並驗證了盾構隧道複合管片界面滑移應變公式、撓度修正公式和抗彎剛度公式，分析了複合管環結構在複雜條件下的力學特性。通過數值模型分析與模型試驗驗證表明，上述成果可以為盾構隧道複合管片的研究做理論指導，完善了盾構隧道複合管片的設計理論體系和試驗方法。