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基于壳—弹簧模型的盾构衬砌管片受力特性研究

黄正荣  
【摘要】:随着我国经济的发展和综合国力的提高,大中城市地下空间开发的高潮已经到来,地下工程的发展速度加快,而盾构法作为一种成熟的施工技术,应用越来越为广泛,故加强理论指导迫在眉睫,而我国到目前为止还没有形成全国范围内的系统盾构规范,使得我国盾构隧道设计工作具有很大的盲目性,没有考虑我国工程实际,管片设计要么偏于保守造成浪费,要么偏于不安全造成工程安全隐患,因此开展盾构隧道设计方面的研究具有重要的学术价值和使用价值,可以为安全、经济、合理的管片设计提供指导。 盾构隧道衬砌管片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。目前隧道衬砌管片横向理论解析分析方法主要有四种:惯用法、修正惯用法、多铰环法以及梁-弹簧模型;纵向理论解析分析方法主要有两种:纵向梁-弹簧模型、纵向等效连续化模型,上述几种模型无一例外的都是将管片沿纵向或横向简化为梁进行计算,但是盾构隧道是一圆环状结构,又是由许多管片拼装并用螺栓连接而成,结构性态相当复杂,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。另一方面随着设计、施工经验的成熟,国内外盾构衬砌管片环宽度有增加的趋势,此时用梁来模拟衬砌管片不能完全反映管片的力学特性。而且隧道纵向结构性能和横向结构性能是密不可分的,隧道衬砌的横向结构性能的变化将不可避免地引起隧道衬砌的纵向结构性能发生一定的变化,反之亦然。而目前的结构模型都是仅仅针对纵向结构性能或横向结构性能的,没有一种模型能同时适用于隧道两个方向的结构性能分析。本文的主要研究如下: 1、在研究了现有盾构法隧道衬砌管片设计方法的基础之上,提出了能较为全面反应盾构法隧道衬砌管片力学特性的壳-弹簧模型,并编制了相应的计算机程序。模型中用矩形平板壳单元来模拟衬砌管片,用弹簧单元来模拟管片的接头效应,并验证了壳-弹簧模型程序的正确性。 2、运用壳-弹簧模型和梁-弹簧模型对盾构隧道衬砌管片的横向受力特性进行研究分析,比较两种模型计算盾构衬砌管片错缝拼装时的力学特性的异同,从力学机理上来解释梁-弹簧模型和壳-弹簧模型计算导致差异的原因; 3、分析了随管片环宽、管片厚度、及埋深的不同,梁-弹簧模型和壳-弹簧模型计算结果的差异,明确了梁弹簧模型的适用范围。 4、运用壳-弹簧模型对修正惯用法中设计参数管片环弯曲刚度有效率η和弯


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