地铁暗挖车站STS管幕支护结构的力学性能研究

摘要

传统管幕结构在钢管间仅用锁口进行连接，因此在施工过程中钢管受到的横向约束作用较弱，主要依靠管幕中钢管混凝土结构的纵向强度以及临时支护结构形成“棚架”支护体系。为此，管幕结构在开挖期间必须辅以密集的型钢支撑体系，且严格控制开挖步距，以确保管幕的承载能力和变形满足要求。繁琐的临时支护结构和复杂的力学体系转换对施工过程带来诸多不便。STS管幕结构在传统管幕的基础上利用高强度螺栓和翼缘板将相邻钢管连成整体，显著提高了其横向承载能力，施工过程中能减少繁杂的临时支撑。论文依托超浅埋STS管幕工法地铁暗挖车站为工程背景，以STS管幕结构为研究对象，采用模型试验、数值模拟以及理论分析的方法研究了施工过程中STS管幕结构的作用机制以及STS管幕构件的破坏模式和力学性能。主要研究和成果如下: 通过对称集中荷载作用下STS管幕构件的力学性能试验，研究了STS管幕构件的工作机理及破坏模式，探讨了钢管间距、翼缘板厚度、横向连接方式、混凝土强度等级、螺栓间距、均布荷载等关键参数对其STS管幕构件承载力的影响。结果表明，下翼缘板焊接对STS管幕承载力的影响最为显著，而钢管间距、翼缘板厚度对STS管幕构件的承载力具有一定影响，上翼缘板焊接、混凝土强度等级以及通长螺栓等因素对STS管幕构件力学性能的影响较小。 通过单点集中荷载作用下STS管幕构件的力学性能试验，研究了STS管幕构件在集中荷载作用下的破坏模式和工作机理，并探讨了不同横向连接方式、翼缘板厚度、混凝土强度等级等参数对STS管幕构件极限承载力和刚度的影响。结果表明，在集中荷载下STS管幕构件发生弯曲破坏，而下翼缘板焊接对其承载力影响最为显著，通长螺栓、混凝土强度、上翼缘板焊接等参数STS管幕构件承载力的影响较小，但是混凝土强度降低时构件延性得到改善，而上翼缘板焊接时构件的刚度提高较为明显。 根据STS管幕构件的受力特点和破坏模式，确定了STS管幕构件在不同横向连接方式下的极限承载力计算公式，理论公式计算结果与试验结果吻合良好。 根据STS管幕构件的受力和破坏特点，利用ABAQUS有限元程序建立了STS管幕构件的计算模型，研究其工作机理，并对翼缘板厚度、钢管壁厚、管间混凝土含量等参数对STS管幕构件的影响进行了分析。 通过对不同翼缘板厚度和钢管壁厚的STS管幕构件进行计算，发现翼缘板厚度和钢管壁厚之比过大或过小均会影响STS管幕试件的破坏形式，得出二者比值在1.0-1.3之间较为合理，钢管和翼缘板能够同时发生屈服，不仅充分发挥了二者的材料性能，还能改善STS管幕构件的延性。二者比值小于1.0时，只有翼缘板达到屈服强度;而值大于1.3时，只有钢管达到屈服强度。

目录

声明

摘要

1．1课题研究背景

1．2管幕法研究现状

1．3钢管混凝土研究现状

1．3．1受压构件

1．3．2受弯构件

1．4存在的问题

1．5本文主要研究内容

第2章管幕结构作用机理及承载力计算理论

2．1管幕作用机理分析

2．2管幕受力计算模型

2．3管幕结构承载力计算理论

2．3．1钢管对核心区混凝土的约束作用

2．3．2管幕结构的抗弯承载力计算理论

2．3．3管幕结构的抗剪承载力计算理论

2．4奥体中心站STS管幕结构受力模式

2．4．1 STS管幕结合洞桩法施工工序

2．4．2 STS管幕横向受力模式

2．4．3 STS管幕纵向受力模式

2．5小结

第3章对称集中荷载作用下STS管幕构件力学性能试验研究

3．1试验概况

3．1．1试件设计

3．1．2试件制作

3．1．3测量内容与方法

3．1．4试验装置及方法

3．2试验现象与破坏形态

3．3应变分析

3．3．1荷载与应变关系

3．3．2截面应变关系

3．4变形分析

3．4．1荷载与变形关系

3．4．2变形沿梁长分布

3．5参数影响分析

3．5．1混凝土强度

3．5．2加载方式

3．5．3横向连接螺栓

3．5．4下翼缘板焊接

3．5．5上翼缘板焊接

3．5．6通长螺栓

3．5．7钢管间距

3．5．8翼缘板厚度

3．5．9螺栓配筋率

3．6延性分析

3．7小结

第4章单点集中荷载作用下STS管幕构件力学性能试验研究

4．1试验概况

4．1．1试件设计

4．1．2测量内容与方法

4．1．3试验装置及方法

4．2试验现象与破坏形态

4．3应变分析

4．4变形分析

4．4．1荷载与变形关系

4．4．2变形沿梁长分布

4．5参数影响分析

4．5．1混凝土强度

4．5．2横向连接螺栓

4．5．3下翼缘板焊接

4．5．4上翼缘板焊接

4．5．5通长螺栓

4．5．6冀缘板厚度

4．6延性分析

4．7小结

第5章STS管幕构件极限承载力计算方法

5．1抗弯承载力设计公式

5．1．1基于钢管混凝土的设计公式

5．1．2基于钢筋混凝土结构的设计公式

5．2抗剪承载力设计公式

5．2．1基于钢管混凝土设计

5．2．2基于钢筋混凝土设计

5．3理论计算结果对比

5．4建议计算方法

5．5小结

第6章STS管幕构件的数值模拟及参数优化

6．1 ABAQUS软件介绍

6．2 STS管幕构件的材料本构关系

6．2．1钢管和管内混凝土的本构关系

6．2．2管间混凝土的应力与应变关系

6．3 STS管幕构件数值模拟

6．3．1试件概况

6．3．2计算模型

6．3．3数值模拟结果分析

6．3．4数值模拟结果与试验结果对比

6．4参数影响

6．5建议翼缘板厚度与钢管壁厚之比

6．6小结

7．1结论

7．2展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士期间发表的论文

攻读博士期间参加科研项目

附录