• ISSN 0258-2724
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地震作用下盾构隧道纵向接头的受力特征

耿萍 王琦 郭翔宇 何川 路书军 肖明清

耿萍, 王琦, 郭翔宇, 何川, 路书军, 肖明清. 地震作用下盾构隧道纵向接头的受力特征[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(4): 704-712. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180634
引用本文: 耿萍, 王琦, 郭翔宇, 何川, 路书军, 肖明清. 地震作用下盾构隧道纵向接头的受力特征[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(4): 704-712. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180634
GENG Ping, WANG Qi, GUO Xiangyu, HE Chuan, LU Shujun, XIAO Mingqing. Force Characteristics of Longitudinal Joints of Shield Tunnel under Seismic Action[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(4): 704-712. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180634
Citation: GENG Ping, WANG Qi, GUO Xiangyu, HE Chuan, LU Shujun, XIAO Mingqing. Force Characteristics of Longitudinal Joints of Shield Tunnel under Seismic Action[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(4): 704-712. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180634

地震作用下盾构隧道纵向接头的受力特征

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180634
基金项目: 国家重点研发计划(2016YFC0802201);国家自然科学基金资助项目(51878566,51578457);四川省科技重点研发项目(2018GZ0360)
详细信息
    作者简介:

    耿萍(1964—),女,教授,研究方向为隧道与地下工程,E-mail:13551258484@139.com

  • 中图分类号: U45

Force Characteristics of Longitudinal Joints of Shield Tunnel under Seismic Action

  • 摘要: 实际工程中,盾构隧道纵向接头是结构受力和变形的薄弱部位,针对盾构隧道纵向接头细部构造在地震作用下的受力特征,提出了一套由整体到局部的数值分析流程.首先建立基于纵向等效刚度梁的三维地层-结构时程分析模型,然后以该模型计算得到的纵向内力极值作为盾构隧道整环三维分析模型的外荷载,获取隧道最不利区域边界力,最后将边界力施加在盾构隧道纵向接头局部精细化分析模型之上,分析纵向接头细部构造受力特征;并以某综合管廊工程为背景对该方法进行具体阐述和讨论. 研究结果表明:地震波横向激励时,盾构隧道纵向以往复的水平弯曲为主,而纵向激励时,则以往复的竖向弯曲和纵向拉压为主;在纵向张开量最大的局部区域,不论是轴向拉力工况还是纵向水平弯矩工况,该局部区域都处于受拉状态,两种工况对该局部区域受力模式不产生本质影响;当盾构隧道纵向最大张开量的局部区域受拉时,最大拉应力区均位于管片内侧手孔部位,最大压应力区则围绕螺栓孔成环形分布.

     

  • 图 1  盾构隧道纵向布置

    Figure 1.  Longitudinal layout of shield tunnel

    图 2  三维地层1/2计算模型

    Figure 2.  Half of calculation model of 3D formation

    图 3  设防地震动参数

    Figure 3.  Seismic ground motion parameters

    图 4  盾构隧道纵向内力示意

    Figure 4.  longitudinal internal force of shield tunnel

    图 5  盾构隧道纵向内力包络图

    Figure 5.  Envelope diagram of longitudinal internal force of shield tunnel

    图 6  盾构隧道整环三维模型

    Figure 6.  Whole three-dimensional model of shield tunnel

    图 7  两半环研究区域位置

    Figure 7.  Location of two semicircle study areas

    图 8  纵向接头局部精细化模型

    Figure 8.  Partial refinement model of longitudinal joint

    图 9  螺栓本构模型

    Figure 9.  Constitutive model of the bolts

    图 10  各工况下管片张开量

    Figure 10.  Segment opening under various conditions

    图 11  螺栓邻近区域混凝土最大主应力分布 (以工况DF1为例)

    Figure 11.  Maximum principal stress of concrete adjacent to bolt (DF1)

    图 12  主应力极值分布

    Figure 12.  Distribution of main stress extremes

    图 13  接缝面最大主应力分布(以工况DF5为例)

    Figure 13.  Distribution of max principal stress on joint surface (DF5)

    图 14  接缝面主应力极值

    Figure 14.  Extremum of principal stress on joint surface

    图 15  Von Mises分布(以工况DF5为例)

    Figure 15.  Von Mises stress distribution (DF5)

    表  1  地层物理力学参数

    Table  1.   Physical and mechanical parameters of formation

    地层
    编号
    名称密度/
    (kg•m−3
    泊松比动剪切
    模量/MPa
    动弹性
    模量/MPa
    淤泥 1 800 0.42 72.7 96.7
    粉质黏土 1 810 0.40 122.9 230.0
    粉土 1 820 0.32 182.6 350.0
    粉细砂 1 960 0.30 211.3 492.0
    细砂 1 980 0.28 197.0 573.0
    中粗砂 2 020 0.25 460.0 614.0
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    表  2  计算工况

    Table  2.   Calculation conditions

    工况地震动PGA/(× g质点振动方向
    1 设防 0.122 沿模型横向(y
    2 罕遇 0.192 沿模型横向(y
    3 设防 0.122 沿模型纵向(x
    4 罕遇 0.192 沿模型纵向(x
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    表  3  各工况纵向内力极值

    Table  3.   Extremum of longitudinal internal force under different conditions

    工况轴力/MN水平弯矩/(MN•m)竖直弯矩/(MN•m)
    最大值最小值最大值最小值最大值最小值
    1 5.57×10−7 −4.14×10−7 4.68×10−5 −2.20×10−5 1.36 −2.33
    2 1.04×10−6 −6.55×10−7 4.54×10−8 −4.13×10−8 2.16 −4.51
    3 1.02 −1.50 1.19 −1.33 4.48×10−6 −6.7×10−6
    4 1.68 −2.56 5.71×10−3 −1.05×10−2 7.05×10−6 −1.2×10−5
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    表  4  整环三维模型计算工况

    Table  4.   Calculation conditions of the whole three-dimensional model

    工况
    编号
    作用
    类别
    量值/
    MN
    工况
    编号
    作用
    类别
    量值/
    (MN•m)
    F1 轴向
    拉力
    0.5 M1 纵向水平
    弯矩
    3.0
    F2 1.0 M2 3.5
    F3 1.5 M3 4.0
    F4 2.0 M4 4.5
    F5 2.5 M5 5.0
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    表  5  研究区域边界力方向

    Table  5.   Direction of the boundary force in the study area

    工况
    编号
    作用
    类别
    等效量值/
    MN
    工况
    编号
    作用
    类别
    等效量值/
    (MN•m)
    DF1 轴向
    拉力
    0.5 DM1 纵向水平
    弯矩
    3.0
    DF2 1.0 DM2 3.5
    DF3 1.5 DM3 4.0
    DF4 2.0 DM4 4.5
    DF5 2.5 DM5 5.0
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    表  6  各工况下螺栓Von Mises应力极值

    Table  6.   Von Mises stress extreme value of bolt in various working conditions MPa

    工况最小值最大值工况最小值最大值
    DF1 2.81 14.73 DM1 4.53 24.02
    DF2 5.52 29.45 DM2 5.26 28.04
    DF3 8.16 44.18 DM3 5.99 32.02
    DF4 10.72 58.81 DM4 6.71 36.06
    DF5 13.26 73.59 DM5 7.43 40.90
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-07-26
  • 修回日期:  2018-11-07
  • 网络出版日期:  2020-03-04
  • 刊出日期:  2020-08-01

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