盾构隧道预应力管片的模型试验与设计方法研究

摘要

本文系国内首次对作为一种新型的混凝土衬砌结构型式--盾构隧道用预应力混凝土管片进行探索和研究的学术论文.文中重点通过模型试验研究,对预应力管片的力学性能和经济性能做了分析与评价.参照现有地铁隧道管片配筋的要求,确定了本次模型试验用管片的配筋量,并配置了模型混凝土.预应力管片的模型试验分为三个部分:第一类试验为大曲率下,预应力筋的张拉试验;第二类试验为,考虑在不同加载位置、不同预应力加载等级情况下的预应力管片的力学性能试验;第三类试验为预应力管片的接头试验.在第一类试验中,通过测量和计算,得出了预应力筋在大曲率条件下的各项损失以及k值和μ值,为下一步预应力管片力学性能的研究奠定了基础.第二类试验研究了预应力管片的不同受力位置,不同预应力吨位对管片整体受力性能的影响,得出管片的开裂以及破坏荷载;提出最合理受力位置;描述管片出裂全过程,分析管径在加载过程中的变化,并对和合理配筋量提出建议.通过第三类试验,研究了不同预应力吨位,不同偏心距以及轴力对预应力管片接头刚度的影响并提出了在一定吨位下,预应力管片的正负转动刚度值,以及刚度计算的经验公式.在上述试验的基础上,还进行了三维有限元模拟,对预应力管片以及钢绞线进行了分析,并与试验数值进行了对比,建立了符合实际的数值模型.此外,还利用两维有限元模拟结果,对管片厚度、孔道位置等因素对预应力管片预应力度的影响做了比较分析.利用现有预应力理论结合地下结构的受力的特殊性,还对预应力管片的设计思路进行总结,提出了设计步骤、构造要求以及简化的预应力管片设计计算公式,为今后预应力管片能用于实际奠定了一定的基础.

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1问题的提出

1.2普通预应力技术的原理与应用

1.2.1预应力的基本原理

1.2.2预应力混凝土结构的特点

1.2.3预应力结构的分类以及无粘结预应力体系

1.3环形预应力技术及其应用

1.3.1环形预应力技术

1.3.2预应力水工隧洞衬砌

1.3.3盾构隧道衬砌中预应力技术的应用

1.4本文的研究内容和创新点

1.4.1本文的研究内容及意义

1.4.2本文的创新点

参考文献

第2章盾构隧道管片施加预应力的模型试验研究

2.1预应力管片模型试验的理论依据

2.1.1相似的基本概念

2.1.2用分析方程求相似判据

2.2预应力管片试验方案

2.2.1预应力模型管片几何尺寸

2.2.2预应力模型管片配筋方案

2.2.3模型管片的一些改进措施

2.2.4模型管片的拼装方式

2.2.5预应力管片接头试验方案

2.2.6预应力张拉试验

2.2.7预应力管片整环加载试验方案

2.3模型预应力管片前期试验-模型材料的试验

2.3.1结构模型试验及模型混凝土

2.3.2预应力管片模型试验用模型材料

2.3.3模型混凝土试验

2.3.4模型钢筋材料常规试验概况

2.3.5模型钢筋试验结果

2.4预应力管片模型试验分析

2.4.1预应力管片的钢绞线试验数据分析

2.4.2预应力管片的整环试验分析

2.4.3预应力管片整环试验小结接头试验研究小结

2.4.4预应力管片接头试验分析

2.5本章小结

参考文献

第3章预应力管片的数值模拟分析

3.1预应力管片试验的三维有限元分析

3.1.1国内外对于预应力混凝土结构的三维有限元分析

3.1.2预应力管片接头试验的三维有限元分析

3.2预应力管片试验的两维数值模拟分析

3.2.1模拟用分析软件

3.2.2模拟方案

3.2.3盾构隧道管片接头的梁-弹簧模型和接触单元模型的模拟比较

3.2.4两种不同接头模型计算比较

3.2.5预应力管片的两维有限元模拟分析

3.3本章小结

参考文献

第4章盾构隧道用预应力管片的设计

4.1预应力管片设计步骤

4.1.1盾构隧道预应力管片的荷载计算

4.1.1预应力管片的正截面强度设计

4.1.2预应力管片斜截面设计

4.1.3预应力管片的变形计算

4.1.4预应力管片的抗震设计要求

4.1.5预应力管片疲劳设计建议

4.1.6预应力衬砌的裂缝计算

4.1.7预应力管片的预应力损失计算的建议

4.1.8张拉力以及张拉值的计算

4.2预应力管片设计的构造要求

4.2.1预应力管片配筋构造要求

4.2.2预应力管片保护层建议

4.3预应力管片的简化计算公式

4.3.1预应力管片简化计算公式推导

4.3.2试验结果与理论计算值比较

4.3.3合理张拉力与张拉间距计算

4.4本章小结

参考文献

第5章结论和今后研究的方向

5.1结论

5.1.1预应力管片的力学性能评价

5.1.2预应力管片的经济性能评价

5.1.3预应力管片的应用前景

5.2今后研究的方向

5.2.1试验研究的方向

5.2.2数值模拟的研究方向

5.2.3预应力管片设计思路的研究方向

5.2.4其他研究构想

5.2.5预应力管片的施工研究

致谢

附图Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ