南京长江隧道管片接缝力学行为研究

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1、南京长江隧道管片接缝力学行为研究姓名:彭志忠专业:桥梁与隧道工程指导教师:何川教授论文主要内容工程背景,国内外研究现状,研究意义及研究方法和创新性管片接头原型试验数值模拟分析接头可靠度分析结论与展望工程背景,国内外研究现状,研究意义及研究方法和创新性南京长江隧道工程概况管片接头抗弯刚度kθ定义国内外现状分析文章的研究意义研究方法及创新性南京长江隧道工程概况南京长江隧道南京长江隧道是长江上第二个过江隧道，是《南京城市规划》确定的“五桥一隧”过江通道的主要组成部分。南京长江隧道分左右两条隧道，每隧道设置三车道，设计行车速度为80km/h。盾构隧道内径13.3m

2、，外径14.5m。圆形衬砌环采用环宽2m、厚0.6m、每环由10块管片组成，见图1-2。南京长江隧道工程概况图1-2南京长江隧道横断面布置南京长江隧道管片接头抗弯刚度kθ管片接头抗弯刚度kθ重要性:管片接头抗弯刚度的取值是梁-弹簧模型设计中衬砌环结构受力分析必不可少的重要参数，其综合反映了盾构隧道接头性能及其在外荷载作用下的变形大小和趋势。定义：管片接缝产生单位转角所需要的弯矩即为片接头抗弯刚度kθ。取值:通过分析对比θ-M关系曲线求得管片接头抗弯刚度kθ(割线法、切线法、多段直线法、曲线+直线法等,见图2-1)管片接头抗弯刚度kθ管片接头抗弯刚度kθ图2-

3、1(a)割线法(b)切线法(c)两段直线法图2-1(d)三段直线法(e)曲线+直线法国内外现状分析演变过程:均质圆环模型－多铰圆环模型－弹性铰模型－径向剪切弹簧模型－环向剪切弹簧模型－层间压缩及剪切弹簧模型代表:村上博智、小泉淳（1978）等的梁－弹簧模型（抗弯刚度，环向和径向剪切刚度）；文献《圆形衬砌接头刚度模型试验与研究》（1987）假定受压区混凝土分布为矩形，推导出大偏心受压下的Kθ计算式；TeodorIftimie（1994）对于不设螺栓的接头，假定接头面受压区混凝土接触压力为抛物线，认为接头的变形主要由混凝土的压缩变形引起，由此推导出相应的抗弯刚度

4、系数Kθ的计算式；国内外现状分析代表:朱合华，杨林德，陶履彬等（1998）的梁－接头模型；文献《整体装配式衬砌接头加载试验与结构计算理论》（2000）对南水北调穿黄盾构隧道进行了1:1的模型研究，其认为接头压缩位移主要是由衬垫压缩引起，张开主要由螺栓伸长产生；文献《盾构法隧道错缝拼装衬砌受力机理的研究》（2001）推导出平面型纵缝接头力学模型等。尚待进一步的研究：一是如何合理地确定弹簧的刚度；二是如何简化计算方法，提高计算效率。文章的研究意义文章的研究意义：对于盾构隧道的结构设计，在《地下铁道设计规范》等中是按照弹性均质圆环法或弹性铰圆法计算，而大量的工程实

5、测结果表明实际内力远比按均质圆环法计算的结果小，弹性铰法假定接头的变形与内力成线性关系与实际的接头性能具有明显的非线性不相符合。且一般大型工程都要进行接头的加载试验，以确定接头的受力和变形情况，对于像南京长江隧道这样的超大断面（φ14.5m）、高水压、管片接头采用斜螺栓作为连接螺栓的盾构隧道，在国内尚属首次，为使这类隧道管片的设计更加安全、经济、合理，以便为设计提供可靠的依据，必须对接头的受力、变形及破坏过程进行研究。研究方法及创新性研究方法：管片接头原型试验；数值模拟分析；接头可靠度分析创新性：文章利用管片接头原型试验和数值模拟手段并结合概率理论处理的方法

6、，对在国内工程建设中首次出现的超大断面、高水压、斜螺栓式的盾构隧道管片接头的受力、变形、破坏过程及可靠度进行研究，得出管片接头受力、变形特征规律和接头力学影响因素的程度值及接头抗弯刚度回归方程。南京长江隧道管片接头原型试验研究管片接头原型试验概括试验装置、设备与方法管片接头原型试验成果分析管片接头原型试验概括试验研究的必要性：盾构隧道管片接头的结构特点使衬砌结构的断面变化复杂，整个结构各部分刚度变化很大，使已有的整体式地下结构计算理论不能确切反映管片环强度和变形特征。目前考虑接头影响的各种计算方法普遍是将接头简化为某种弹簧，用弹簧的刚度系数来评价接头的变形

7、特征。由于接头受力的复杂性，目前接头刚度与接头强度的取值还无现成理论可依，各国均是通过试验加以确定。试验目的：通过对以斜螺栓连接的南京长江隧道盾构管片接头进行加载试验，对接头部位的刚度和强度进行定量评价，对接头端肋、连接螺栓等各部分的强度匹配情况进行研究；研究不同轴力、弯矩、连接螺栓预紧力等因素对接头刚度和强度的影响，为理论分析和改进接头设计提供依据，为整体结构力学分析提供重要的参数—接头刚度系数。管片接头原型试验概括管片接头原型试验概括试验总体概括:试验共使用了4对外管片接头试件，均为直板型接头，其中抗弯试件2组，抗剪试件2组。总体上看，试验方案合理，测试

8、手段先进，测量数据齐全，并结合南京长江隧道管片衬砌结