沉管隧道节段接头剪力键作用机理与构造性能研究

摘要

沉管隧道以其埋深浅、防水性能好、地基适应性强等特点在世界范围内有着广泛的应用。特别是随着沿海地区的经济发展，沉管隧道在跨江、跨海通道工程中越来越多的采用。节段接头相当于沉管管节施工缝，能够避免管节混凝土因收缩徐变或温度应力等产生的开裂。剪力键是节段接头的重要受力构件，对于节段接头的防水安全至关重要，然而目前国内外在节段接头剪力键的设计上却没有统一的标准，剪力键的设计存在一定的缺陷。本文结合国家科技支撑计划项目―港珠澳大桥跨海集群工程建设关键技术研究与示范，对节段接头剪力键在地基不均匀沉降条件下的作用机理与构造性能进行了研究，论文主要工作如下：
　　（1）基于现场勘察设计与国内外研究资料，分析沉管节段接头剪力键受力的主要影响因素，以及差异沉降作用下的节段接头剪力键受力的典型工况。采用e-logp和改进的Janbu切线模量法，对沉管隧道的总体地基刚度和沉降进行了估算，为模型试验提供了依据。
　　（2）采用ANSYS软件，在考虑剪力键橡胶垫非线性特性，节段接头与土体，接头之间接触效应的条件下，构建了节段接头剪力键三维实体有限元模型。通过对剪力键受力特性的分析，确定了接头剪力键受力的敏感区域；通过对接头剪力键节点应力的积分，获得了接头剪力键剪力沿沉管纵向及横向的空间分布规律。提出了节段接头剪力键剪力沿伸出长度的分布规律，以及节段接头的剪力承担比。
　　（3）基于路基沉降试验平台，经技术改造与升级，构建了集模型浇筑、对接、沉降控制、加载与测试于一体的五项试验系统，进行了地基差异沉降条件下的沉管节段接头剪力键的1:4.69大比尺模型试验。为了保证试验安全及其顺利实施，采用了装配式剪力键方案和相似材料配合比设计。控制试验平台底部千斤顶的差异沉降，可以模拟沉管节段地基纵向与横向的差异沉降作用下的弯曲、扭转与剪切工况。
　　（4）在模型试验过程中，对模型试验进行缩尺数值模拟，并根据缩尺数值模拟与足尺数值模拟的对应关系，将模型试验结果反推回工程实体。根据应力矢量结果与破坏特征，揭示了节段接头剪力键的作用机理和破坏规律；根据节段接头剪力键的受力特性，提出了降低节段接头剪力键局部应力的构造措施；
　　（5）采用三维数值模拟对比分析，揭示了节段接头剪力键的高度、伸出长度、墙体厚度对接头剪力承担比的影响规律。通过离心模型试验与二维数值模拟的基底应力与剪力键受力的对比分析，从沉管节段与土体相互作用的整体结构体系出发，确定了剪力键受力与墙体结构刚度间的关系，提出了剪力键尺寸应当与沉管墙体刚度成正比的设计原则。
　　（6）基于Winker弹性地基梁理论，推导了弯曲工况与剪切工况下的接头剪力简化公式，并根据接头剪力承担比，提出了接头各剪力键的剪力计算公式。
　　（7）通过理论计算与试验确定剪力键在正常使用极限状态与承载能力极限状态下的极限剪力。根据差异沉降与剪力键剪力间的回归公式，确定可剪力键在正常使用极限状态下的节段允许差异沉降值；根据覆盖层顶部不均匀回淤厚度与剪力键剪力间的回归公式，确定了剪力键在正常使用极限状态下的节段覆盖层顶部清淤标准。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3研究问题的提出与意义

1.4主要研究内容

1.5研究技术路线

第二章 地基差异沉降下沉管节段接头剪力键受力分析

2.1节段接头剪力键受力影响因素分析

2.2地基差异沉降作用下的节段接头剪力键受力工况

2.3沉管整体纵向地基刚度和沉降估算

2.4沉管节段接头剪力键受力的三维数值分析

2.5剪力键剪力分布特征

2.6沉管节段接头受力敏感区域

2.7本章小结

第三章 沉管节段接头剪力键模型试验设计与实施

3.1试验概述

3.2装配式剪力键方案及论证

3.3剪力键相似材料

3.4模型试验系统

3.5本章小结

第四章 沉管节段接头剪力键沉降模型试验

4.1试验工况

4.2模型试验同步数值模拟

4.3剪力键剪应力沿沉管横截面分布规律

4.4剪力键剪力沿沉管横截面分布规律

4.5剪力键应力随差异沉降变化规律

4.6沉管节段内力分布规律

4.7沉管节段表面接触压力分布规律

4.8试验误差对试验结果的影响

4.9本章小结

第五章 剪力键模型试验结果反推及其作用机理

5.1缩尺与足尺数值模拟对应性分析

5.2模型试验结果反推与足尺数值模拟对比分析

5.3剪力键剪力随沉降变化规律

5.4沉管节段接头剪力键受力性态分析

5.5沉管节段接头剪力键破坏特征

5.6本章小结

第六章 沉管节段接头剪力键构造性能及设计优化

6.1剪力键尺寸效应对节段接头受力的影响研究

6.2结构刚度对剪力键受力的影响及剪力键设计原则

6.3沉管节段接头及剪力键剪力计算公式

6.4沉管节段接头剪力键结构优化与强化措施

6.5沉管节段接头剪力极限值计算

6.6基于剪力键受力的节段允许沉降值

6.7基于剪力键受力的覆盖层顶部清淤标准

6.8本章小结

结论与建议

主要结论

论文创新点

进一步研究建议

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

发表的论文

参加的课题

致谢