装配式明挖地铁隧道运营期安全性能研究

作     者：韩宇航 

作者单位：石家庄铁道大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘勇;吴薪柳

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：装配式衬砌 抗弯刚度 力学模型 防水试验 长期沉降 

摘      要：由于装配式衬砌结构存在接缝,使结构的刚度在接头处削弱,从而影响整体结构受力性能;接缝处受压区边缘混凝土易发生应力集中而压碎,且接缝受弯时易张开从而影响接缝密封垫的防水性能。本文依托位于山东省济南市的城市轨道交通工程——新建至济阳区(先行区)有轨电车项目工程,对地铁运营期结构受力性能、装配式衬砌接头抗弯刚度、衬砌接缝防水性能以及地铁长期沉降问题进行研究。主要研究内容及成果如下:(1)通过数值模拟对结构进行受力分析。根据依托工程结构设计图,通过三维荷载-结构法建立精细模型,考虑了预制单元结构内的配筋、预应力螺纹钢及钢绞线、拼装缝等因素,分析了隧道运营期的结构受力性能,以及纵缝的布设位置对结构内力的影响。(2)分析预制结构接头受弯的规律。接头受弯时接缝受压边缘有应力集中现象,根据圣维南原理远离接缝位置符合平截面假定,因此结构接缝附近存在过渡区,通过数值模拟分析接头受弯时接缝附近区域内力与变形规律,得到过渡区的范围大小以及应变分布规律。(3)改进接头抗弯刚度力学模型。基于假定接头受弯过程中混凝土体积不变推导出接缝处变形几何关系,结合接缝处力平衡关系、弯矩平衡关系、混凝土力-变形关系以及螺栓力-变形关系,联立求解未知量并推导接头力与变形结果,建立了改进的接头抗弯刚度力学模型。将相关工程的接头设计参数代入本文所建力学模型得到结构边缘张开量、结构张开高度、螺栓应力及接头抗弯刚度的计算结果,与工程的试验研究结果对比验证所建力学模型的正确性。(4)研究接缝防水密封垫的防水性能。通过数值模拟计算得出结构内力,并代入接头抗弯刚度力学模型,对预应力损失情况下的接缝张开情况进行分析,对复合型橡胶密封垫进行一字型防水性能试验,得出预应力损失不影响密封垫防水性能。密封垫防水性能随着压缩量增大而增大,且压缩量较大时影响更敏感。密封垫折角处与接头处是防水的弱点,折角处宜改为曲线布置,接头处宜用6063橡胶专用胶粘接并包裹一层未硫化丁基橡胶薄片。(5)对地铁隧道运营期沉降进行预测。通过数值模拟计算列车荷载作用下土体的动力响应,并分别计算不排水累积残余变形导致的沉降与累计孔压消散导致的固结沉降,通过分层总和法计算运营期总沉降。通过对计算结果分析可知:土体响应与沉降预测随模型纵长增大而逐渐收敛;预测的累计孔压消散导致的固结沉降均始终明显大于不排水累积残余变形导致的沉降;沉降分项预测及总沉降预测均在开始发展较快,随时间逐渐减缓;运营15年时总沉降预测30.36mm,运营6年时达到其91.24%。