南京长江隧道管片接缝力学行为研究.ppt

南京长江隧道管片接缝 力学行为研究,姓名:彭志忠 专业:桥梁与隧道工程 指导教师:何川 教授,论文主要内容,工程背景,国内外研究现状,研究意义及研究方法和创新性 管片接头原型试验 数值模拟分析 接头可靠度分析 结论与展望,工程背景,国内外研究现状,研究意义及研究方法和创新性,南京长江隧道工程概况 管片接头抗弯刚度k定义 国内外现状分析 文章的研究意义 研究方法及创新性,南京长江隧道工程概况,南京长江隧道 南京长江隧道是长江上第二个过江隧道，是南京城市规划确定的“五桥一隧”过江通道的主要组成部分。 南京长江隧道分左右两条隧道，每隧道设置三车道，设计行车速度为80km/h。盾构隧道内径13.3m，外径14.5m。圆形衬砌环采用环宽2m、厚0.6m、每环由10块管片组成，见图1-2。,南京长江隧道工程概况,图1-2 南京长江隧道横断面布置,南京长江隧道,管片接头抗弯刚度k,管片接头抗弯刚度k 重要性:管片接头抗弯刚度的取值是梁-弹簧模型设计中衬砌环结构受力分析必不可少的重要参数，其综合反映了盾构隧道接头性能及其在外荷载作用下的变形大小和趋势。 定义：管片接缝产生单位转角所需要的弯矩 即为片接头抗弯刚度k。 取值:通过分析对比-M关系曲线求得管片接头抗弯刚度k (割线法 、切线法、多段直线法 、曲线+直线法等,见图2-1 ),管片接头抗弯刚度k,管片接头抗弯刚度k,图2-1 (a)割线法 (b)切线法 (c)两段直线法,图2-1 (d)三段直线法 (e)曲线+直线法,国内外现状分析,演变过程:均质圆环模型多铰圆环模型弹性铰模型径向剪切弹簧模型环向剪切弹簧模型层间压缩及剪切弹簧模型 代表:村上博智、小泉淳（1978）等 的梁弹簧模型（抗弯刚度，环向和径向剪切刚度 ）；文献圆形衬砌接头刚度模型试验与研究（1987）假定受压区混凝土分布为矩形，推导出大偏心受压下的K计算式 ；Teodor Iftimie（1994）对于不设螺栓的接头，假定接头面受压区混凝土接触压力为抛物线，认为接头的变形主要由混凝土的压缩变形引起，由此推导出相应的抗弯刚度系数K的计算式 ；,国内外现状分析,代表:朱合华，杨林德，陶履彬等（1998）的梁接头模型；文献整体装配式衬砌接头加载试验与结构计算理论（2000）对南水北调穿黄盾构隧道进行了1:1的模型研究，其认为接头压缩位移主要是由衬垫压缩引起，张开主要由螺栓伸长产生；文献盾构法隧道错缝拼装衬砌受力机理的研究（2001）推导出平面型纵缝接头力学模型等。 尚待进一步的研究：一是如何合理地确定弹簧的刚度；二是如何简化计算方法，提高计算效率。,文章的研究意义,文章的研究意义： 对于盾构隧道的结构设计，在地下铁道设计规范等中是按照弹性均质圆环法或弹性铰圆法计算，而大量的工程实测结果表明实际内力远比按均质圆环法计算的结果小，弹性铰法假定接头的变形与内力成线性关系与实际的接头性能具有明显的非线性不相符合。且一般大型工程都要进行接头的加载试验，以确定接头的受力和变形情况，对于像南京长江隧道这样的超大断面（14.5m）、高水压、管片接头采用斜螺栓作为连接螺栓的盾构隧道，在国内尚属首次，为使这类隧道管片的设计更加安全、经济、合理，以便为设计提供可靠的依据，必须对接头的受力、变形及破坏过程进行研究。,研究方法及创新性,研究方法： 管片接头原型试验；数值模拟分析；接头可靠度分析 创新性： 文章利用管片接头原型试验和数值模拟手段并结合概率理论处理的方法，对在国内工程建设中首次出现的超大断面、高水压、斜螺栓式的盾构隧道管片接头的受力、变形、破坏过程及可靠度进行研究，得出管片接头受力、变形特征规律和接头力学影响因素的程度值及接头抗弯刚度回归方程。,南京长江隧道管片接头 原型试验研究,管片接头原型试验概括 试验装置、设备与方法 管片接头原型试验成果分析,管片接头原型试验概括,试验研究的必要性： 盾构隧道管片接头的结构特点使衬砌结构的断面变化复杂，整个结构各部分刚度变化很大，使已有的整体式地下结构计算理论不能确切反映管片环强度和变形特征。目前考虑接头影响的各种计算方法普遍是将接头简化为某种弹簧，用弹簧的刚度系数来评价接头的变形特征。由于接头受力的复杂性，目前接头刚度与接头强度的取值还无现成理论可依，各国均是通过试验加以确定。,试验目的： 通过对以斜螺栓连接的南京长江隧道盾构管片接头进行加载试验，对接头部位的刚度和强度进行定量评价，对接头端肋、连接螺栓等各部分的强度匹配情况进行研究；研究不同轴力、弯矩、连接螺栓预紧力等因素对接头刚度和强度的影响，为理论分析和改进接头设计提供依据，为整体结构力学分析提供重要的参数接头刚度系数。,管片接头原型试验概括,管片接头原型试验概括,试验总体概括: 试验共使用了4对外管片接头试件，均为直板型接头，其中抗弯试件2组，抗剪试件2组。总体上看，试验方案合理，测试手段先进，测量数据齐全，并结合南京长江隧道管片衬砌结构相似模型试验、管片衬砌结构体原型结构试验（管片环错缝拼装、通缝拼装试验和单体原型管片加载试验）进行比较分析，试验结果具有代表性。,试验装置、设备与方法,试验装置及加载: 试验装置采用“多功能盾构隧道结构体原型加载系统”装置+6根拉杆，其示意图见图2-1。,图2-1多功能盾构隧道结构体试验系统实物图,试验装置、设备与方法,试验装置及加载: 管片接头抗弯试验示意图分别见图2-2 。,图2-2 管片接头抗弯试验示意图,试验装置、设备与方法,试验装置及加载: 管片接头抗剪试验示意图分别见图2-3 。,图2-3 管片接头抗剪试验示意图,试验装置、设备与方法,试件几何尺寸 : 南京长江隧道管片整体、细部结构和纵缝连接构造如图2-5、2-6所示。,图2-6 纵缝连接构造示意图 图2-5(a) 管片整体及细部示意图,试验装置、设备与方法,试件几何尺寸 : 为了方便导入内力，采用预制直板型钢筋混凝土管片代替原来的曲板型管片进行加载,同时经数值模拟，采用1/3幅宽的计算结果和采用全幅宽的相差约1%，因此采用1/3幅宽进行试验。考虑到巨大的轴力在一定的挠度下使得管片失稳，管片的长度在保证圣维南原理的条件下应尽可能小，结合设备尺寸，取两管片总长2315mm，抗弯试验两管片块长度相等，抗剪试验时则一长一短,长的一块固定，接头尽量靠近支座处，在接头的另一端施加剪力（尽量减少弯矩的产生）。,试验装置、设备与方法,试件浇注 : 为保证螺栓可精确连接两管片，在台阶上采用加长螺栓连接两管片同时进行浇注，如图2-7所示。接头断面采用精密钢模制作，要求其达到原型管片的相同误差范围，其它断面可以适当降低要求。连接螺栓、衬垫材料以及手孔部位都要精确模拟。,图2-7 接头试件浇注示意图,(a) 抗弯试件,(b) 抗剪试件,试验装置、设备与方法,试件浇注 : 管片配筋量与设计配筋量相当，如图2-8所示。,(a)试验管片配筋图 (b)管片试件(抗剪)钢筋笼拼装,图2-8 接头试件配筋示意图,试验装置、设备与方法,边界条件模拟 : 接头抗弯试验、抗剪试验中轴力和弯矩方向的作用力是通过使用尼龙棒以线荷载的方式施加到管片表面的。图2-9 聚四氟乙烯板是在接头抗剪试验中为保证施加剪力端在剪力方向能自由移动，两层聚四氟乙烯板其摩擦系数为0.03，并可在板之间添加水或者航空耐磨液压油进一步降低其摩擦系数。,图2-9 聚四氟乙烯板,试验装置、设备与方法,测试项目 : 试验中需量测的项目主要有：接头张开角、接触面压应力、接头附近表面混凝土应变、接头螺栓的应变、接头水平位移和管片垂直位移（挠度）、裂缝宽度和方向、支座沉降位移等。试验按照混凝土结构试验方法标准设计，通过这些参数可以计算出接头抗弯刚度系数、接触面受压区高度等。,试验装置、设备与方法,图2-10 位移计布置展开图（正弯）,图2-13 应变片布置展开图,图2-12接头端面压敏纸布置,图2-14 螺栓加工及应变片布置,测试项目 :,试验装置、设备与方法,测试项目 :,图2-17 数据采集与分析系统示意图,试验装置、设备与方法,加载方案 :,表2-1 管片接头加载试验加载等级表（抗弯）,管片接头试验成果分析,第二组负弯试验轴力为8027kN时试验成果分析 : 在负弯矩荷载下，试件内弧面受压（负值），在同一工况中，试件混凝土表面应变随高度增大而增大，并出现拉应变；同时由于有两个面为凌空面，由边界效应可知，试件侧面最低和最高位置应变片可能出现压、拉应变减少现象。,图3-1,2 第二组负弯试验轴力为8027kN时试件侧面1，2砼表面应变分布曲线,管片接头试验成果分析,第二组负弯试验轴力为8027kN时试验成果分析 : 在负弯矩情况下，试件内弧面整体受压（负值），且压应变基本保持不变。对应手空位置压应变出现减小趋势，同一曲线成右“凸”行，这表明试验中由于螺栓受力和端肋的缘故，导致手孔位置混凝土表面压应变产生减少现象，手孔对试件端部刚度具有一定的削弱作用，端肋有一定的柔性。,图3-5,6第二组负弯试验轴力为8027kN时试件幅宽方向1，2砼表面应变分布曲线,管片接头试验成果分析,第二组负弯试验轴力为8027kN时试验成果分析 : 在荷载弯矩较小的情况下，接头张开较小，且试件接头整体张开保持一致，试件处于弹性状况。随着荷载弯矩的增加，试件接头张开情况趋于明显，且由试件接头张开曲线可看出试件由弹性状态向塑性状态转变，接头面的形状也并非像假设中的两个平面，而是从受压区平面到脱离区平面的一个过度曲面。,图3-7 第二组负弯试验轴力为8027kN时试件接头张开曲线,管片接头试验成果分析,第二组负弯试验轴力为8027kN时试验成果分析 : 图3-8在荷载弯矩为1000kN.m左右出现拐点，此时试件的最大张开量为1.26mm，之后随着荷载的增加，试件最大张开量增加明显，增加幅度为1mm左右。图3-9试件管片受压区高度由350mm随荷载弯矩的增加减少到187mm，这与图3-1图3-2中试件侧面混凝土表面应变分布曲线中应变由压应变向拉应变转变的位置相对应。,图3-8,9第二组负弯试验轴力为8027kN时最大张开量、受压区高度与弯矩关系,管片接头试验成果分析,第二组负弯试验轴力为8027kN时试验成果分析 : 在弯矩较小的情况下，接头转角转角曲线近似为直线，该段试件接头抗弯刚度系数超过550 MN.M/Rad，当荷载弯矩超过1000kN.m后，曲线出现明显的平缓倾向，试件接头抗弯刚度系数减小。,图3-10 第二组负弯试验轴力为8027kN时试件接头转角与弯矩的关系曲线,管片接头试验成果分析,第二组负弯试验不同轴力下试验成果的比较分析 : 图3-11，图3-12和图3-13为负弯工况时接头弯矩与最大张开量、受压区高度、接头转角的关系曲线图。,图3-11，12，13 第二组负弯试验不同轴力下弯矩与最大张开量、受压区高度接缝转角的关系曲线,管片接头试验成果分析,第一组正弯试验不同轴力下试验成果的比较分析 : 正弯荷载破坏试验中，管片外弧面接头位置出现明显的混凝土挤压破坏，随着接头张开量的进一步增大，由于连接螺栓的拉伸，使得有预埋套筒端，螺栓孔位置混凝土同样出现挤压破坏。由于斜螺栓手孔削弱较小，且端肋较厚，手孔位置并未出现裂纹。,图3-14，15第一组正弯试验接头张开量测 ，破坏形态,管片接头试验成果分析,第一组正弯试验不同轴力下试验成果的比较分析 : 图3-16在竖向荷载较小时，水平荷载为3016KN、4005KN、4995KN所对应的曲线都比较平缓，随着竖向荷载的继续增大，不同水平荷载所对应的曲线开始分开。图3-17中接头受压区高度在最大张开量为2mm时较数值模拟略大。图3-18小荷载时，由于加载装置精确度不高，试验数据较少，试验曲线与数值模拟曲线平行，规律一致。,图3-16，17，18第一组正弯试验接头弯矩与最大张开量、受压区高度、接缝转角关系曲线,管片接头试验成果分析,抗剪试验结果分析 : 对于有混凝土端面直接接触的接缝，接头抗剪大部由混凝土端面摩擦承担，对于斜螺栓连接的接头，接缝接缝剪切破坏形式有可能是螺栓拉坏也有可能是剪坏，因此，以抗剪试验测试混凝土接触面的摩擦系数和检验螺栓的破坏形式。,图3-19 剪切后接头相对错动情况（有螺栓&顺剪）,图3-20 剪切后螺栓情况1（有螺栓&顺剪）,图3-21剪切后螺栓情况2（有螺栓&顺剪）,管片接头试验成果分析,抗剪试验结果分析 : 图3-22中并没有出现台阶现象，当剪轴比为0.5时，随着剪力的增大，接缝两侧相对错动量迅速增大。图3-23出现了短暂的台阶现象，此时的相对错动量为6.3mm。图3-24可知，当剪轴比小于0.7，接缝两侧几乎未出现相对错动，当剪轴比超过0.7后，接缝相对错动迅速增大，并当剪力大小与轴力相等时，出现了明显的台阶现象，此时接缝相对错动量为910mm，台阶现象一直延续至剪轴比为1.5左右，此后剪力继续增大，相对错动量增大更为迅速。对比图3-23和图3-24，逆剪出现的平台较短，是因为螺栓孔壁混凝土被压裂产生了位移，使得错动量增加，实际上螺栓才刚开始发生塑性变形。,图3-22，23，24 试件接缝相对错动量与剪轴比曲线（无螺栓、有螺栓&逆剪 、有螺栓&顺剪 ）,管片接头试验成果分析,抗剪试验结果分析 : 1、从第1、2组试验数据看，混凝土接触面摩擦系数可取0.53左右，而第3组试验的摩擦系数可取0.58或0.61，这和接触面的平整程度有关； 2、从第2、3组试验数据曲线看，错动曲线存在台阶段，这是错动发展过程中螺栓与螺栓孔壁接触并协调受力的过程，在这过程中螺栓孔边缘混凝土很可能会局部破坏； 3、从第3组试验数据看，螺栓屈服承载力为536.81kN。 4、对比这三组数据看，接缝在发生错动前和发生微小错动时，剪力主要有混凝土接触端面承担，螺栓长细比大，刚度（GA/l）小，承担的剪力小；当错动增大后螺栓和螺栓孔壁接触时，螺栓的变形有效长度l大大缩短，刚度突增，承担混凝土滑动后的未能承担的剪力。因此在设计时应不考虑螺栓的承剪能力。,管片接头试验成果分析,抗剪试验结果分析 : 对比图3-24可看出接缝两侧相对错动量与连接螺栓凹槽处最大剪应力规律完全一致。当剪轴比小于0.7，凹槽处所测得螺栓最大剪应力几乎为0，当剪轴比超过0.7后，接缝相对错动迅速增大，所测得的最大剪应力也迅速增大，此时剪应力为140MPa，对应的螺栓剪力为33.51kN,并且此时已出现短暂的台阶现象，当剪轴比达到0.8后，台阶现象更加明显，此时剪应力为250MPa，对应的螺栓剪力为59.83kN，此现象一直延续至剪轴比为1.5左右，并且此时位移已经不稳定，竖向荷载主要由连接螺栓剪力和管片接缝滑动摩擦力承担，螺栓屈服，所测位置连接螺栓开始出现剪切破坏，所测得的最大剪应力接近2000MPa，对应螺栓剪力为478.67kN。同时，通过第三章和第四章的三维、二维数值模拟发现连接螺栓最大剪应力出现的位置为有预埋套筒端预埋套筒口位置，试验所测得的螺栓凹槽处最大剪应力应略小于连接螺栓实际的最大剪应力。,管片接头数值分析,引言 纵向接头三维数值模型的建立 管片接头力学特性 加载试验与数值模拟结果对比分析 本章小结,引 言,引言： 分析的主要项目是抗弯刚度曲线，将用于整环结构的设计计算；接头最大张开量和接头张开高度，主要用于分析判断隧道接头结构的防水能力；端面混凝土压应力、混凝土压应变和螺栓拉应力，主要用于分析判断隧道接头结构的承载能力。 盾构隧道装配式衬砌管片接头力学特性指标分析是一个较为复杂的三维空间问题，既受宏观整体上的受力特征（如轴力和弯矩作用下的结构弯曲）影响，还受局部受力特征（如接头端面、连接螺栓、螺栓孔、手孔等）影响。在较小空间范围内分析由不同材料（如管片混凝土、连接螺栓、橡胶衬垫）组装而成结构体的力学特性将不可避免地涉及到行为非线性、面面接触、材料非线性等诸多问题，如何合理正确模拟各类材料及结构特性是管片接头三维有限元计算的重点和难点。,纵向接头三维数值模型的建立,研究对象 ： (1)分块模式 采用91模式，其分块设计为7B(38.85)+2L(38.85)+F(10.35)，一环内纵向布置42个螺栓，环向30个螺栓，即每个接头布置3个。其螺栓均采用斜螺栓，环向螺栓为M36型8.8级，而纵向采用M30型8.8级。 (2)管片几何参数 隧道内半径R16.65m 管片厚度 h0.6m 隧道中心半径R26.95m 隧道外半径R37.25m,纵向接头三维数值模型的建立,建模假定与设定检算标准 ： (1)管片体是由钢筋混凝土构成的复合材料，具有典型的材料非线性特征，其参数按照混凝土设计规范GB500102002规定进行取值计算。忽略了由于混凝土端面不够平整所造成的应力集中。本章中除特别指出外，管片体均采用C60钢筋混凝土。 (2) 计算中在接头端面密封槽处设置衬垫单元，其余端面部位采用面面接触单元进行模拟。 (3) 计算中连接螺栓与螺栓孔均按采用实际尺寸，且在连接螺栓外壁和螺栓孔内侧设置面面接触单元进行模拟。 (4) 计算选取两相邻标准块及其接头端面为研究对象。 (5)满足施工阶段、正常运行阶段和特殊阶段的强度、刚度和耐久性要求，结构变形满足使用要求和防水要求。,纵向接头三维数值模型的建立,计算单元的选用 ： 计算选用通用有限元计算软件ANSYS进行。计算过程中选用高精度三维实体单元模拟管片(Solid65)和工程中用于连接管片的连接螺栓(Solid45)；采用只能承受压应力的衬垫单元(Inter195 )模拟工程中布设于管片接头端面的橡胶止水带和软木衬垫；连接螺栓外侧与螺栓孔、螺帽与手孔内侧壁之间设置接触面，选用面面接触单元进行模拟；工程中常对连接螺栓施加预紧力以尽早发挥连结螺栓的抗拉和紧固作用，减少管片接头间的张开量和张开高度以加强其防水特性，计算中通过在连接螺栓中部设置预应力单元来实现预紧力效应。,计算参数选用 ： 计算参数按公路隧道设计规范JTG D702004、混凝土设计规范GB500102002、实际材料参数取值。,纵向接头三维数值模型的建立,图2-7、8、9 钢筋混凝土、连接螺栓、衬垫材料参数曲线,有限元模型 ： 分别采用实体单元、衬垫密封单元、面-面接触单元、预应力单元等建立管片接头三维计算图形及网格划分如图2-11所示。,纵向接头三维数值模型的建立,图2-11 管片整体、局部有限元模型图,荷载施加方式 ：,纵向接头三维数值模型的建立,图2-12 模型加载示意图,计算工况 ： 鉴于不同的轴力条件下，弯矩与转角关系曲线并不相同，为了较为科学取值，选取了轴力为3000kN，4000kN，5000kN，6000kN ，7000kN，8000kN，9000kN，七种荷载工况进行计算，施加弯矩基本处于-1400kN.m+1400kN.m的范围内。并比较了轴力为6000kN且弯矩为1100kN.m，轴力为7000kN且弯矩为1200 kN.m的荷载工况下螺栓预紧力从0kN300kN管片接头抗弯刚度等随连接螺栓预紧力大小的变化规律和轴力为6000kN且弯矩为1100kN.m，轴力为7000kN且弯矩为1200 kN.m的荷载工况下管片纵缝接触面摩擦系数从0.10.6时管片接头抗弯刚度等的变化情况。,纵向接头三维数值模型的建立,管片接头力学特性 ： 图3-1和图3-2分别为某一荷载下混凝土管片第一、三主应力图和连接螺栓第一、三主应力图。从图中可看出，在管片外弧面止水带位置出现明显的受压状态；在接头螺栓孔位置应力状态明显；连接螺栓在预埋套筒末端出现最大拉应力和错动现象。,管片接头力学特性,正弯荷载下管片接头受力变化规律 ： 以下算例分析中在施加弯矩之前依次施加连接螺栓预紧力100KN及对应的轴力，接触面摩擦系数均取0.4。 计算中接缝转角由接缝张开量与其对应管片厚度位置曲线进行线性拟合得出，这样计算出的转角相对来说不会偏小。 接缝最大张开量为2mm左右时，受压区区高度占有效高度的6.12%18.35%，小于某些经验公式中受压区高度假定。,管片接头力学特性,图3-3、4 正弯荷载下弯矩最大张开量、受压区高度关系曲线,正弯荷载下管片接头受力变化规律 ： 同一轴力荷载下，弯矩较小时，接头的张开及转角增长比较缓慢，此时接头抗弯刚度较大；当弯矩继续增大，有效高度位置接头最大张开量接近2mm左右时，此时接头张开及转角开始加快，接头抗弯刚度变小。但当正弯矩增大到一定程度时，弯矩与转角曲线出现逐渐上扬趋势。 混凝土最大拉、压应力在有效高度位置接头最大张开量超过2mm后均已超过C60混凝土轴心抗拉强度ft2.04MPa、轴心抗压强度设计值fc27.5MPa 和弯曲抗压强度fcm=1.1fc。此时接头处的受力和开裂了的梁的受力有类似之处，都不是全截面受力，而是局部区域接触受力，因此整个截面不会是一个平面。,管片接头力学特性,图3-5、6、7正弯荷载下弯矩接缝转角、接缝附近砼第一、三主应力关系曲线,正弯荷载下管片接头受力变化规律 ： 计算发现连接螺栓轴力均未超过6.8级螺栓的屈服强度480MPa(对应M36螺栓的极限拉力为489KN)，并且由表3-1在张开量为2mm时随着轴力荷载的增大螺栓轴力减小，螺栓剪力值大小和其随弯矩荷载的变化规律亦如此。同时，在计算中发现连接螺栓轴力、剪力和弯矩的最大值均出现在有预埋套筒端预埋套筒口位置，实际工程中此位置螺栓孔设置成喇叭型和预埋套筒采用非刚性的铁或钢制套筒而是高分子材料制成的套筒是合理的。,管片接头力学特性,图3-8、9 正弯荷载下弯矩连接螺栓轴力、剪力最大值关系曲线,正弯荷载下管片接头受力变化规律 ： 图3-10至图3-13为不同轴力荷载水平下弯矩与管片接头位置接触面法向、切向应力最大值、法向、切向压力关系曲线图。,管片接头力学特性,图3-10、11正弯荷载下弯矩接头位置接触面法、切向应力最大值关系曲线,图3-12、13正弯荷载下弯矩接头位置接触面法、切向压力关系曲线,负弯荷载下管片接头受力变化规律 ： 负弯荷载下不同轴力荷载水平下，接头张开量、受压区刚度、接头附近混凝土第一、三主应力最大值等随弯矩的变化规律与正弯荷载情况一致，只是其量值的绝对值有一定的差异，但相差不大，这与连接螺栓合力点在管片厚度中间位置相关。,管片接头力学特性,螺栓预紧力影响 ： 由图3-24可知，增大连接螺栓预紧力将使得接头最大张开量减小，且两组正弯工况、两组负弯工况的变换规律和大小基本一致。 由图3-25可知只有当预紧力大小改变量达到一定量值时，接头受压区高度才出项阶梯型变化，对于工况C，当预紧力该变量达到750KN时，接头受压区高度出现从接头有效高度的12.8%到19.1%的变化，预紧力的改变量为此时水平荷载的12.5%。 由图3-30可知，接头抗弯刚度随预紧力的增大而增大，并且在接头受压区高度变化时出现拐点，随后曲线继续保持为同一趋势。,管片接头力学特性,图3-24、25、30预紧力接缝最大张开量、受压区高度、接头抗弯刚度关系曲线,接头接触面摩擦系数影响（正弯荷载工况） ： 连接螺栓最大剪力和接头抗弯刚度随接头接触面摩擦系数的增大而增大，当增大的幅度很小，其图见图3-34和图3-35。在工程设计中应该考虑管片接头混凝土摩擦系数在水润、油润状态下会进一步降低，不宜取值太大。,管片接头力学特性,图3-34、35接头摩擦系数连接螺栓最大剪力、抗弯刚度关系曲线,其他因素的影响 ： (1)拼装效应的影响 在错缝拼装衬砌的受力中，纵缝接头的刚度大小，还决定两环之间的本身变形特性差异和由环与环之间摩擦产生的内力传递。在错缝拼装原型试验中（如图3-36），在弯矩较小时，目标还与下半环变形保持一致，随着弯矩增加，在对拉梁附近出现目标环与下半环的相对错动，并且到达一定程度后相对错动量基本保持不变，且不同位置相对变形量不一样，此时下半环与目标环之间纵向连接螺栓承受较大剪力，这也体现在试验结束后管片环拆卸时对拉梁附近下半环与目标环纵向连接螺栓很难拆卸，螺栓出现变形。 (2)初始张开的影响 管片接头初始张开的存在容易使接头接触区的混凝土压碎；而且初始张开的存在，使得螺栓预紧力在外荷载加上去后发生损失；如果初始张开比较大，容易使螺栓预紧力将为零，因此施工中当衬砌受荷后，可以考虑对螺栓进行二次拧紧，以保证其约束连接作用的发挥，防止接头张开扩大，对防水不利。,管片接头力学特性,图3-36 目标环与下半环相邻位置相对位移与荷载关系曲线,加载试验与数值模拟结果对比分析： 1、在接头有效高度位置，接头最大张开量为2mm时，所对应的接头抗弯刚度都处于110MN.M/Rad至240MN.M/Rad范围内，负弯工况时抗弯刚度值均要小于正弯工况，但相差不大； 2、实测曲线与计算曲线大致平行线，即切线刚度接近，割线刚度相同荷载工况时加载试验值要略小于数值模拟值； 3、数值模拟考虑了100KN的螺栓预紧力，而且有限元的计算理论及网格划分的因素，计算位移值偏小，刚度比实际大。试验中量测系统容易受干扰（位移精度要求0.01mm等级），位移值偏大，刚度偏小，且没有施加连接螺栓预紧力。 4、接触面精度（0.5mm，取决于钢板或钢模的平整度）小于位移精度要求、螺栓未完全拧紧，使得加载试验初始段曲线难以精确测得，观看超大断面盾构隧道衬砌结构选型及力学特征试验研究错缝拼装原型试验，实际拼装后两接触面也不完全密贴。 5、实际工程设计建议在两曲线之间取值。,加载试验与数值模拟结果对比分析,图3-37、38 荷载试验、数值模拟接头转角弯矩关系曲线,本章小结： 1、在接头有效高度位置最大张开量为2mm时，正、负弯矩工况下接头抗弯刚度保持在110MN.M/Rad240MN.M/Rad范围内，且正、负弯矩工况相差不大，其差异主要原因是由于螺栓位置上下不对称和两管片体中螺栓长度的不一致引起的； 2、接头受力后接头面的形状并非像假设中的两个平面，而是从受压区平面到脱离区平面的一个过度曲面，因此接头的转角不能直接用张开量除以管片厚度与受压区高度之差； 3、在有限高度位置最大张开量为2mm左右时，接头受压区高度占有效高度的6.12%19.15%，接头位置荷载偏心矩为0.17m0.23m，小于某些经验公式中受压区高度假定； 4、接头附近混凝土最大拉、压应力在有效高度位置接头最大张开量超过2mm后均已超过C60混凝土轴心抗拉强度、抗压强度设计值和弯曲抗压强度。这提示在正弯荷载下对外弧面不设传力衬垫的接头而采用平截面假定是有欠合理的，必定会带来不合理的误差；等等。,本章小结,本章小结： 5、在有效高度位置接头最大张开量为2mm左右时，连接螺栓轴力均未超过6.8级螺栓的屈服强度。同时，在计算中发现连接螺栓轴力、剪力和弯矩的最大值均出现在有预埋套筒端预埋套筒口位置； 6、在其他因素不变情况下，接头抗弯刚度、连接螺栓最大轴力、接头接触面法向压力随预紧力的增大而增大；受压区高度随预紧力增大成阶梯型增大；接头附近混凝土最大压应力、接头接触面最大法向应力随预紧力增大而减小。在其他因素不变情况下，改变接头接触面摩擦系数，对数值模拟结果影响不大； 7、在错缝拼装衬砌的受力中，纵缝接头的刚度大小，还决定两环之间的本身变形特性差异和由环与环之间摩擦产生的内力传递，接头刚度的大小也直接影响着错缝拼装衬砌的环间剪力传递和弯矩分配。管片接头初始张开的存在使得螺栓预紧力在外荷载加上去后发生损失；因此施工中当衬砌受荷后，可以考虑对螺栓进行二次拧紧； 8、相同荷载工况时加载试验所对应的抗弯刚度系数要略小于数值模拟所对应的抗弯刚度系数，但总体上看加载试验和数值模拟所得出的抗弯刚度是相一致的。,本章小结,管片接头结构可靠度分析,可靠度概述 管片接头可靠度方程建立 可靠度计算方法 管片接头可靠度算例分析 本章小结,概述： 安全性、适用性、耐久性统称为结构的可靠性。可靠性问题源自结构计算时所引用参数(荷载、材质、构件尺寸等基本变量)的不确定性，如信息资料缺乏导致的统计不确定性、分析中对实际结构简化引入的计算模型不确定性及物理性的不确定性等。 盾构隧道管片衬砌结构设计依据是地层勘察资料、设计文件、相关设计规范等，地层勘察资料的准确程度直接影响到结构设计的可靠度。首先，由于地层勘察施工的特殊性，和隧道上覆地层在地质环境变迁过程中是变化的，以及预制管片和施工方面的原因，其各种参数总有一定的偏差；因此，对管片衬砌结构进行可靠性分析显得非常必要，且具有十分重要的意义。,可靠度概述,极限状态方程的建立 ： 对于盾构隧道衬砌结构而言，正常使用极限状态对结构抗力的要求要显著高于承载能力极限状态。因此，本章节以处于正常使用极限状态下的管片接头来计算分析其可靠性。 管片接头在荷载（这里指正弯矩和轴力，弯矩由轴力和偏心矩来表示）作用下的截面应力发展过程如图2-2所示。分别根据管片接头切向力平衡、接头弯矩平衡以及在平面假设条件下混凝土和钢筋间的应变之比可得： q=f(B,h,L,N,e,Ec,E,d) （2-7） 改变映射关系可得到纵缝张开量（）表达式 Z=f(lim,)= lim- （2-8） 因而，管片接头的三种状态（可靠、极限状态、失效）可以简单的通过功能函数来予以判定（Z0；Z=0；Z0；）。,管片接头可靠度方程建立,图2-2 纵缝接头应力发展过程示意图(LHS ),蒙特卡罗模法 ： 蒙特卡罗法其基本思路是采取伪随机模拟的方法按已知分布的随机抽样规律产生子样，然后对子样进行统计，以此来获得问题的解。蒙特卡罗-有限元法通过在计算机上随机抽样产生的样本函数来模拟系统的输入量的概率特性，并对于每个给定的样本点，对系统进行确定的有限元分析，从而得到系统的随机响应量的概率特征。其优点在于：已知输出变量表达式情况下，通过选取足够多的样本能得到比较精确的结果。,可靠度计算方法,响应面法 ： 响应面法包含两个步骤： 1、进行仿真循环分析计算对应随机输入变量空间 样本点的随机输出变量数据。 2、进行回归分析来确定近似函数。 相应面法的基本思路是，一旦确定了这个近似函数，就可以用它来代替循环去处理有限元模型，通常响应面法比蒙特卡罗模拟技术的循环次数要少的原因就在这里。,可靠度计算方法,数值模型建立 ： 计算中采用接触力学平面有限元模型，平面有限元模型有着很高的计算效率，能够准确把握接头的力学行为。计算模型及加载如图4-1、4-2、4-3所示。,管片接头可靠度算例分析,图4-1、2、3 计算模型及加载示意图,分析文件结果后处理 ： 本章节对该算例的分析文件结果进行了如下后处理，确定了ANSYS软件的分析过程比较符合管片接头实际受力和变形特征。其中包括:管片Y方向位移图；混凝土第一、三主应力图；接头接触面接触状态、接触压力、接触面张开情况图；连接螺栓轴力、剪力、弯矩图。,管片接头可靠度算例分析,定义输入变量 ： 在进行结构可靠性分析时，首要任务是对输入变量的定义。鉴于实际工程中，影响管片接头可靠性的因素有很多，统计特征也非常复杂，并且有关这方面的统计数据也不齐全，算例中只做了一些探讨性的概率设计分析，输入变量(影响因素)的分布函数及相关参数的确定有待进一步深入研究。 通过第三章数值分析发现抗弯刚度系数与管片接缝弯矩、轴力所对应的偏心矩的关系曲线基本一致，见图4-14。因此本章管片接头结构可靠度分析中荷载变量选用轴力荷载和接缝荷载偏心矩。随机输入变量偏心矩，其大致范围由数值分析结果结合经验公式确定的上限和由矩形截面的截面核心计算而得的下限。,管片接头可靠度算例分析,图4-14 正弯工况荷载偏心矩与抗弯刚度关系曲线,定义输入变量 ： 本算例中其他有关荷载和材料特性的输入参数均采用正态分布，结构尺寸等输入参数根据管片成品预制误差和施工拼装误差采用均匀分布。可靠性分析各随机输入变量分布分布类型和参数件表4-1。同时算例中也考虑了随机输入参数的相关程度，如管片和厚度等。,管片接头可靠度算例分析,表4-1 基本随机输入变量分布类型和参数,管片接头可靠度算例分析,可靠度算例结果分析 ： 算例中分别选用了蒙特卡罗法中的LHS法和响应面法中的BBM法进行计算分析。其中蒙特卡罗法经过4000次随机抽样,15次迭代计算，响应面法共计抽样177次。 蒙特卡罗模法算例结果分析： 采用Monte-Carlo抽样方法，计算上述算例，考虑管片接头超过最大张开量情况下的失效概率。为保证误差控制在0.01(1%)，置信度为95%，需要较多的样本，故算例中抽取4000个样本点，经过4000次蒙特卡罗随机抽样计算得到管片接头在给定荷载工况下可靠的概率在0.919382，0.919872之间，其置信度为95%，其中4000个样本中出现327328个破坏点，即接头最大张开量超过允许值，失效概率为0.082，查正态分布表可得其可靠度指标为1.40。下面仅列举循环模拟抽样计算得到的功能函数几个输出变量的累计分布函数图、样本历史曲线、直方图、灵敏度图等。,图4-16、18、19纵缝张开量累积分布函数图 、纵缝张开量统计图 、纵缝张开量灵敏度图,管片接头可靠度算例分析,蒙特卡罗模法算例结果分析： 从纵缝张开量累积分布函数图可以看出，抽取样本数量基本满足要求。张开量近似成对数正态分布。从灵敏度图可知偏心矩、轴力、混凝土弹性模量对接头张开量的灵敏性最强，分别占47.78%、28.10%、13.10%,其次是螺栓合力点至内弧面距离、螺栓预紧力、管片厚度，其他参数敏感性不强，设计中对敏感性较强的参数应严格控制。 从抗弯刚度灵敏度图可知偏心矩、混凝土弹性模量、轴力对抗弯刚度灵敏度最大，分别为54.31%、20.31%和12.16%，其次是螺栓合力点至内弧面距离、管片厚度、螺栓弹模、螺栓预紧力，占3.73%、2.81%、2.75%和2.45%；其他变量影响较小。,管片接头可靠度算例分析,蒙特卡罗模法算例结果分析： 根据接头抗弯刚度系数灵敏度分析结果，可以看出，接头抗弯刚度系数的可靠度对随机输入参数：偏心矩、轴力、管片幅宽、连接螺栓倾斜角度、螺栓合力点至内弧面距离（正弯荷载工况）、螺栓直径的标准差的灵敏度均为负值，即接头抗弯刚度系数随着上述参数标准差或均值的增大而降低。对随机输入参数：混凝土弹性模量、连接螺栓预紧力、管片厚度、接头摩擦系数、螺栓弹性模量等的均值的灵敏度为正，即抗弯刚度系数随着上述参数均值的增大而升高。,图4-22、表4-2抗弯刚度系数灵敏度图 、抗弯刚度系数随机输入变量灵敏度表,管片接头可靠度算例分析,蒙特卡罗模法算例结果分析： 根据每组的抽样点总数和本组总的失效次数,可计算出由本组抽样点所求得的失效概率。通过多次的迭代计算,发现计算4000次左右之后,结构的失效概率值基本上变化不大,稳定在0.082左右,此时其可靠度指标为1.40。MCS法抽取样本数与可靠度关系见图4-25。,图4-25 MCS法抽取样本数与可靠度关系图,管片接头可靠度算例分析,响应面法算例结果分析： 响应面法算例中设置了11个随机输入变量，共计抽样177次，其计算结果与蒙特卡罗法很接近，可靠度指标为1.40。通过减少随机输入变量个数发现，抽样次数明显减少，计算误差增大，可见在保证计算精度时，建议选取适当数量的随机输入变量。 下述图中的曲面是利用最小二乘法插值、拟合得来的。图中的小方块点，为拟合前的原始数据点。,图4-26、30、31 张开量、抗弯刚度系数、 接缝附近砼第三主应力最大值与轴力、偏心矩的曲面关系,管片接头可靠度算例分析,响应面法算例结果分析： 由响应面法，在给定的随机输入变量条件下，进行接头抗弯刚度系数可靠度分析，根据最小二乘法可拟合出置信度为95%抗弯刚度系数的二次多项式回归方程：,管片接头可靠度算例分析,响应面法算例结果分析： (4-1)式中偏心矩为轴力偏心矩，并非管片接头处弯矩与轴力比值，接缝处弯矩考虑了由挠度差生的附加弯矩。式(4-1) 较以往的经验公式考虑变量多，同时计算结果精度也高，可实用于设计过程中。其结果精度主要由分析文件、回归算法和样本数决定。,表4-3 抗弯刚度系数响应面回归方程系数表,本章小结,展望： 本章节研究了盾构隧道管片接头的可靠度计算问题，考虑了影响接头可靠度不确定因素中的事物的随机性及其灵敏度，但算例中只能将某单一变量作为输出变量来构筑响应面函数，而实际结构通常应当同时满足防水能力(最大张开量)