（工程力学专业论文）装配式钢筋混凝土管型通道现场试验及数值模拟研究.pdf

装配式钢筋混凝土管型通道现场试验及数值模拟研究 摘要 装配式钢筋混凝土管型通道作为一种新的地下通道结构型式，具有工程质 量易于控制、施工速度快和成本造价低等优点。可以在预制工厂及场地批量预 制，然后运输到现场安装即可。具有较为广泛的应用前景，安徽省将在六( 安) 武( 汉) 高速公路和泗( 县) 宿( 州) 高速公路等工程中推广应用。 而国内对多管片装配式地下通道结构应用技术的研究尚为空白，还没有装 配式钢筋混凝土管型通道的设计规范可供设计人员参考。当前可借鉴的工程经 验较少，设计和施工方法还处于摸索阶段。 本文结合安徽省交通厅批准立项的六( 安) 武( 汉) 高速公路装配式大孔径钢 筋混凝土管型通道关键技术研究课题以及安徽省交通投资集团研究项目浅 埋装配式钢筋混凝土管型通道力学特性研究，采用现场试验、理论分析和数值 模拟分析计算相结合的方法，对装配式钢筋混凝土管型通道的力学性能、抗震 设计方法及施工工艺进行了系统而深入的研究，本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 对装配式钢筋混凝土管型通道的动态施工过程进行了监控，基于现场 试验实测数据，研究了装配式钢筋混凝土管型通道在施工过程中土压力、变形、 应力及基础沉降等的分布与发展规律。 ( 2 ) 以大型通用有限元程序a n s y s 为平台，提出了装配式钢筋混凝土管型 通道的三维实体接触计算模型，运用“单元生死 功能模拟装配式管型通道的 吊装、回填施工全过程。利用该模型分析了六( 安) 武( 汉) 高速公路上一座装配式 管型通道施工过程的变形及应力分布情况，计算结果与现场试验实测值进行了 比较，证实了本文计算模型和计算结果的合理性。 ( 3 ) 建立了某装配式钢筋混凝土斜交管型通道的空间有限元数值模型，模 拟分析了装配式斜交管型通道在车辆荷载作用下，不同斜交角时管型通道的变 形大小，应力大小及应力分布情况。 ( 4 ) 以安徽省泗( 县) 宿( 州) 高速公路工程的某装配式钢筋混凝土管型通道 为研究对象，考虑土与结构的相互作用及管片接头之间的挤压摩擦作用，采用 有限元数值模拟技术建立了该管型通道的二维有限元模型，分析研究了装配式 钢筋混凝土管型通道管片接头断开位置确定、汽车荷载最不利布载位置确定等 关键性问题。 建立了该装配式管型通道的三维接触有限元模型，计算了其应力大小及应 力分布情况，并与二维有限元模型计算的结果进行了对比，计算分析表明二维 有限元模型的计算结果与三维有限元的计算结果差别较小。 ( 5 ) 在土体截断边界处施加粘弹性人工边界，建立了泗( 县) 宿( 州) 高速公路 工程的某装配式钢筋混凝土管型通道的动力分析模型，采用时程分析方法，对 其进行了非线性地震反应分析。研究了在静力荷载与水平向地震动荷载共同作 用下装配式钢筋混凝土管型通道的水平向位移和内力反应的规律。 ( 6 ) 根据国内外涵洞和地下通道结构在公路和铁路上的施工经验，并结合 六( 安) 武( 汉) 高速公路工程安徽段的装配式钢筋混凝土管型通道施工实践，分析 总结出适用于我国装配式钢筋混凝土管型通道的施工工艺，并提出了相应的施 工要求。 关键词：装配式，现场试验，数值模拟，土体管型通道相互作用，管片接头， 斜交管型通道，三维接触模型，粘弹性人工边界，施工工艺 i n s i t ut e s t i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo n p r e f a b r i c a t e dr e i n f o r e e dc o n c r e t ec u l v e r t a b s t r a c t a san e wu n d e r g r o u n dc u l v e r ts t r u c t u r e ，t h ep r e f a b r i c a t e dr e i n f o r c e dc o n c r e t e c u l v e r tw i t ht h ea d v a n t a g e so fb e i n ge a s y c o n t r o lt h ep r o je c tq u a l i t y , c o n s t r u c t i o n s p e e da n dl o w c o s th a st h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o nv a l u ea n dp r o s p e c t i tc a l lb e b u l kp r e f a b r i c a t e di nt h ef a c t o r ya n dt r a n s p o r t e dt ot h es i t et oi n s t a l l a n h u i p r o v i n c ew i l lp u s ht h ea p p l i c a t i o no f t h ep r e f a b r i c a t e dr e i n f o r c e dc o n c r e t ec u l v e r t t ot h el i u ( a n ) w u ( h a n ) e x p r e s s w a ya n ds i ( x i a n ) s u ( z h o u ) e x p r e s s w a ya n do t h e r p r o j e c t s w h e r e a st h ed o m e s t i cr e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yo fs e g m e n t a l p r e f a b r i c a t e du n d e r g r o u n dc u l v e r ti ss t i l lb la n ka n d t h e r ei sn od e s i g ns p e c i f i c a t i o n t oo f f e rf o rt h er e f e r e n c e w i t ht h ei n a d e q u a t ew o r k i n ge x p e r i e n c e ，d e s i g na n d c o n s t r u c t i o nm e t h o d sa r ej u s to nt h ei n i t i a ls t a g e c o m b i n e dw i t ht h es u b j e c t t h a ta p p r o v e db ya n h u ip r o v i n c i a lc o m m u n i c a t i o n sd e p a r t m e n ta n d a n h u it r a f f i ci n v e s t m e n tg r o u p sr e s e a r c hp r o je c t ，t h i s p a p e ru s e si n - s i t ut e s t ，t h e o r e t i ca n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls t i m u l a t i o nt od oad e e p s y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，s e i s m i cd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n p r o c e s so fp r e f a b r i c a t e dr e i n f o r c e dc o n c r e t ec u l v e r t t h em a i nr e s e a r c hw o r k c o n t a i n i n gs o m ea s p e c t sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t om o n i t o rt h ed y n a m i cc o n s t r u c t i o np r o c e s so ft h ep r e f a b r i c a t e d r e i n f o r c e dc o n c r e t ec u l v e r t b a s e do nt h ei n s i t uf i e l dm e a s u r e dd a t a ，t h i sp a p e r m a k e sat h o r o u g hs t u d yo ft h ee a r t hp r e s s u r e ，d e f o r m a t i o n ，s t r e s sa n df o u n d a t i o n s e t t l e m e n td i s t r i b u t i o na n dd e v e l o p m e n tl a wo fp r e f a b r i c a t e dr e i n f o r e e dc o n c r e t e c u l v e r ti nt h ep h r a s e so fc o n s t r u c t i n g ( 2 ) u s i n gt h el a r g eu n i v e r s a lf i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma n s y s a st h ep l a t f o r m ， t h i sp a p e rp r e s e n t sat h r e ed i m e n s i o n a ls o l i dc o n t a c tc a l c u l a t i o nm o d e lo ft h e p r e f a b r i c a t e dr e i n f o r e e dc o n c r e t ec u l v e r ta n ds i m u l a t e st h ee n t i r ep r o c e s so f h o i s t i n ga n db a c k f i l l i n go fp r e f a b r i c a t e dc u l v e r tb yt h ea p p l i c a t i o no f e l e m e n t b i r t ha n dd e a t h ”u s i n gt h em o d e lt oa n a l y z et h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o n o fap r e f a b r i c a t e dc u l v e r to fl i u ( a n ) w u ( h a n ) e x p r e s s w a ya n dc o m p a r i n gt h e c a l c u l a t i o nr e s u l t sa n df i e l dm e a s u r e m e n tr e c o r d ，t h i sp a p e rv e r i f i e st h ea c c u r a t e a n df e a s i b i l i t yo ft h em o d e la n dr e s u l t ( 3 ) as p a c ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fs k e wp r e f a b r i c a t e dr e i n f o r c e dc o n c r e t e c u l v e r ti se s t a b l i s h e d s k e wp r e f a b r i c a t e dr e i n f o r c e dc o n c r e t ec u l v e r tl o a d e du n d e r t h ev e h i c l e s ，t h ed e f o r m a t i o ns i z eo fd i f f e r e n ts k e wc u l v e r ta n dt h es t r e s ss i z ea n d t h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s sh a v eb e e na n a l y z e di nt h i sp a p e r ( 4 ) b a s e do nt h er e s e a r c ho fap r e f a b r i c a t e dr e i n f o r e e dc o n c r e t ec u l v e r to f a n h u is i ( x i a n ) s u ( z h o u ) e x p r e s s w a ya n dc o n s i d e r e dt h ep r i c i p l eo fs o i l s t r u c t i o n i n t e r a c t i o na n dt h ef r i c t i o na n de x t r u s i o nb e t w e e ns e g m e n tj o i n t s ，t h i sp a p e r d i s c u s s e sa n ds t u d i e st h ek e yi s s u e sr e l a t i n gt ot h el o c a t i o no fs p l i t t i n gp o i n to f s e g m e n tj o i n ta n dt h eb a dp o s i t i o nf o rt h el o c a t i o no fl o a d e dv e h i c l e sb yu s i n g f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt oe s t a b l i s hat w o d i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rt h ec u l v e t at h r e ed i m e n s i o n a ls o l i dc o n t a c tc a l c u l a t i o nm o d e lo ft h ec u l v e ti s e s t a b l i s h e dt oc a l c u l a t et h es i z ea n dt h ed i s t r i b u t i o no fi t ss t r e s s c o m p a r i n gw i t h t h er e s u l t sc a l c u l a t e db yt h et w o d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n dt h er e s u l to ft h r e e d i m e n t i o n a l ，i ts h o w st h a tt h et w or e s u l t sa r en e a r l yt h es a m e ( 5 ) i m p o s i n gv i s c o u ss p r i n ga r t i f i c i a lb o u n d a r yi nt h eb o u n d a r yo ft h es o i lt o s e tu pad y n a m i ca n a l y s i sm o d e lf o rap r e f a b r i c a t e dr e i n f o r c e dc o n c r e t ec u l v e r ti n s i ( x i a n ) s u ( z h o u ) e x p r e s s w a yp r o j e c ta n du s i n gt h et i m e - h i s t o r ya n a l y s i sm e t h o d ， t h i sp a p e rm a k e sat h o r o u g hs t u d yo ni t sn o n l i n e rs e i s m i cr e s p o n s ea n ds t u d y st h e l a wo fh o r i z a n t a ld i s p l a c e m e n ta n di n t e r n a lf o r c eo ft h ep r e f a b r i c a t e dr e i n f o r c e d c o n c r e t ec u l v e r tu n d e rt h ec o a c t i o no fs t a t i cl o a da n dh o r i z o n t a l l ys e i z i m i cl o a d i n g ( 6 ) c o m b i n e dw i t ht h er o a da n dr a i l w a yc o n s t u c t i o ne x p e r i e n c eo fd o m e s t i c a n df o r e i g nc u l v e r t sa n du n d e r g r o u n dp a s s a g e ss t r u c t u r e sa n dt h ep r e f a b r i c a t e d r e i n f o r c e dc o n c r e t ec u l v e r tc o n s t r u c t i o np r a c t i c eo fa n h u il i u ( a n ) w u ( h a n ) e x p r e s s w a yp r o j e c t ，t h i sp a p e rc o n c l u d e st h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yt h a ts u i t a b l e f o rc h i n a sp r e f a b r i c a t e dr e i n f o r c e dc o n c r e t ec u l v e r tc o n s t r u c t i o na n dp r e s e n t st h e c o r r e s p o n d i n gc o n s t u r c t i o nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：p r e f a b r i c a t e d ，i n - s i t ut e s t i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s o i l c u l v e t i n t e r a c t i o n ，s e g m e n tj o i n t ，s k e wp r e f a b r i c a t e dc u l v e r t ，t h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dc o n t a c tm o d e l ，v i s c o u ss p r i n ga r t i f i c i a lb o u n d a r y , c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y 插图清单 图2 1 装配式管型通道断面图1 3 图2 2 装配式管型通道空间简图1 3 图2 3 基础压力盒布置1 3 图2 4 管型通道管片吊装1 3 图2 5 管型通道管片吊装完成1 3 图2 6 现浇管型通道底板：1 3 图2 7 管型通道土体回填1 4 图2 8 管型通道回填至路基1 4 图2 9 压力盒布置俯视图1 5 图2 1 0 压力盒布置断面图1 5 图2 1 l 压力盒现场埋设图1 5 图2 1 2 现场试验数据采集1 5 图2 1 3 应变计布置俯视图1 6 图2 1 4 应变计布置断面图1 6 图2 1 5 应变计现场埋设图i 1 6 图2 1 6 应变计现场埋设图i i 1 6 图2 1 7 表面计现场埋设图i 1 7 图2 1 8 表面计现场埋设图i i 1 7 图2 1 9 变形监测点断面布置图18 图2 2 0 收敛计变形监测现场1 8 图2 2 1 断面3 各测点土压力值2 0 图2 2 2 各断面管顶土压力值2 0 图2 2 3 断面1 各测点实测应力值2 5 图2 2 4 断面1 各测点实测应力值( 续) 一2 5 图2 2 5 断面3 各测点实测应力值2 5 图2 2 6 断面3 各测点实测应力值( 续) 2 5 图2 2 7 断面5 各测点实测应力值2 5 图2 2 8 各断面2 测点实测应力值2 5 图2 2 9 各断面管腰水平收敛变形曲线2 7 图2 3 0 各断面管顶竖向收敛变形曲线一2 7 图2 31 管端1 测点基础沉降曲线3 2 图2 3 2 管中部8 测点基础沉降曲线3 2 图3 1n e w t o n p a p h s o n 迭代方法3 3 图3 2m o h r c o u l o m b 屈服条件3 6 图3 31 7 平面上的m o h r c o u l o m b 屈服曲线3 7 图3 4 各屈服准则在l - i 平面上的曲线3 9 图3 5 装配式管型通道断面图一4 3 图3 6 装配式管型通道空间简图4 3 图3 7 管型通道吊装完成时有限元模型4 4 图3 8 管型通道回填完成时有限元模型一4 4 图3 9 管型通道顶板有限元模型4 4 图3 1 0 吊装完成时管型通道变形云图4 5 图3 1 1 回填结束时管型通道变形云图4 5 图3 12 吊装完成时管型通道环向应力云图4 5 图3 1 3 回填结束时管型通道环向应力云图4 5 图3 1 4 管腰横向累计变形对比曲线4 5 图3 1 5 管项竖向累计变形对比曲线4 5 图3 1 6 管腰环向应力值对比曲线4 6 图4 1 斜交管型通道平面布置图4 7 图4 2 装配式斜交管型通道标准断面图4 8 图4 3 斜交角3 0 。管型通道有限元模型5 0 图4 4 斜交角3 0 。管片有限元模型5 0 图4 5 斜交角0 。管型通道变形云图5 1 图4 6 斜交角1 5 。管型通道变形云图5 1 图4 7 斜交角3 0 。管型通道变形云图5 1 图4 8 斜交角0 。管型通道环向应力云图5 2 图4 9 斜交角15 。管型通道环向应力云图5 2 图4 1 0 斜交角3 0 。管型通道环向应力云图5 2 图5 1 装配式管型通道断面图5 6 图5 2 管型通道与土体二维有限元模型5 7 图5 3 装配式管型通道管片模型5 7 图5 4 管型通道与土体三维有限元模型5 8 图5 5 装配式管型通道管片三维模型5 8 图5 6 二维模型车辆荷载布置图5 9 图5 7 三维模型车辆荷载布置图5 9 图5 8 装配式管型通道特征截面图6 0 图5 9 边板截面1 弯矩随轮轴位置变化曲线6 0 图5 1 0 恒载作用下管型通道弯矩图6 1 图5 1 1 正载作用下管型通道弯矩图6 1 图5 1 2 偏载作用下管型通道弯矩图6 1 图5 13 恒载作用下管型通道环向应力云图6 1 图5 1 4 正载作用下管型通道环向应力云图一6 1 图5 1 5 正载作用下管型通道环向应力云图6 1 图6 1 地震波作用下地下通道结构的拟静力法计算简图6 5 图6 2 装配式管型通道断面图7 l 图6 3 管型通道与土体二维有限元模型7 1 图6 4e lc e n t r o 地震波7 2 图6 5 管顶水平位移时程7 2 图6 6 管底水平位移时程7 2 图6 7 管腰水平位移时程7 2 图6 8 管型通道弯矩图( t = 2 1 0 s e c ) 7 3 图6 9 管型通道轴力图( t = 2 10 s e c ) 7 3 图6 1 0 管型通道剪力图( t = 2 1 0 s e c ) 7 3 图6 1 1 管型通道弯矩图( t = 5 0 0 s e c ) 7 3 图6 1 2 管型通道轴力图( t = 5 0 0 s e c ) 7 4 图6 1 3 管型通道剪力图( t = 5 0 0 s e c ) 7 4 图6 1 4 管型通道弯矩图( t = 1 3 1s e c ) 7 4 图6 1 5 管型通道轴力图( t = 1 3 1 s e c ) 7 4 图6 1 6 管型通道剪力图( t = 1 3 1s e c ) 7 4 图7 1 装配式钢筋混凝土管型通道施工工艺流程图7 7 图7 2 拼装边板8 0 图7 3 吊装顶板j 8 0 图7 4 装配式管片调整8 0 图7 5 管片接缝防水处理8 0 图7 6 现浇底板8 0 图7 7 装配式管型通道竣工图，8 0 表格清单 表2 1 主管断面3 管底各测点实测土压力值1 9 表2 2 主管各断面管顶实测土压力值1 9 表2 3 主管断面1 各测点实测应力值2 1 表2 4 主管断面3 各测点实测应力值2 2 表2 5 主管断面5 各测点实测应力值2 4 表2 6 主管各断面各测点间累计变形量2 6 表3 1 各屈服准则参数转换关系4 1 表3 2 材料参数4 4 表4 1d p l 与d p 4 屈服准则参数转换关系4 9 表4 2 材料参数一4 9 表5 1d p 1 与d p 4 屈服准则参数转换关系5 6 表5 2 材料参数5 8 表5 3 装配式管型通道不同特征截面的内力值6 1 表5 4 装配式管型通道不同特征截面的环向应力值6 2 表5 5 各特征截面二维与三维有限元分析的环向应力值对比6 2 表6 1 材料参数7 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得佥胆工些态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字研 签字日期叼年月勿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁工业盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 g 墨王些盘堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名二硼 黼舳垆广月矽日 f j 电话：呐踟旧r 。 邮编； 日 钐 加 触m ： 年 名 彳 签 纱 文 期 论 日 位 字 学 签 致谢 本论文是在导师王建国教授的悉心指导和周密安排下完成的。 在三年的学习中，从制定培养计划、选修学位课程，到论文的选题、研究 以及最后论文的撰写，自始至终导师都给予了无微不至的关怀和指导，倾注了 大量的精力和心血。 导师渊博的学识，严谨的治学态度，朴实谦逊、宽厚待人、豁达大度的学 者风范，为作者今后的人生树立了典范。三年中，导师以深厚的学术功底和丰 富的工程实践经验言传身教，极大地开阔了学生的视野，增强了研究的信心。 而生活中的许多点点滴滴，在潜移默化中无不给学生以启迪、鞭策和鼓励。与 导师朝夕相处的三个春秋，将是作者一生极其宝贵的财富。 在此，谨向导师表示深深的敬意和最诚挚的感谢! 作者学习期间，得到了土木与水利工程学院方诗圣教授、杜永峰副教授等 许多老师的指导，学校研究生院，土木与水利工程学院研究生办的领导和老师 也给予了很多关心和帮助，在此深表感谢! 作者在工程力学3 0 1 实验室学习研究和论文撰写期间，李雪峰博士师兄、 张鸣祥博士师兄和逢焕平博士师兄提供了大量资料和指导，与任银飞、谢磊、 和钱锋同学等进行了很多有益的探讨，受益匪浅，在此一并表示深深的感谢! 最后感谢我的父母，是他们一直鼓励我求学上进，从小培养我严谨认真的 做人态度。另外，感谢亲人及朋友对我的支持和理解! 本文的研究工作得到了安徽省交通厅重点科技项目( 2 0 0 7 0 0 1 ) 和安徽省交 通投资集团横向课题项目的资助，特此表示感谢! 作者：颜丹青 2 0 0 9 年3 月2 0 日 第l 章绪论 i i 课题研究背景 ， 上世纪9 0 年代以前，我国修建的高速公路较少，横穿高速公路的地下通道 数量不大。长期以来，科研设计人员对地下通道的重视和研究不够，横穿高速 公路的管型通道的结构型式和施工方式单一，大都采用传统的现场浇注圆管涵 和箱涵。现场浇注的圆管涵和箱涵等地下通道构筑物，具有施工周期长、成本 造价高和施工质量难于控制等缺点。其次，圆管涵和箱涵的结构型式决定了其 跨径不宜太大，结构受力不优、不能充分发挥混凝土材料受压的力学性能。这 些缺点严重限制了现浇圆管涵和箱涵在高速公路及城市道路等工程中的进一步 推广应用。 近年来，随着我国高速公路和城市交通建设规模的扩大，横穿高速公路和 城市道路的地下通道的数量日益增多。新的管型通道结构型式也不断涌现，装 配式钢筋混凝土管型通道就是其中的一种。装配式钢筋混凝土管型通道属于预 制构件，具有工程质量易于控制、施工速度快和成本造价低等优点。可以在预 制工厂及场地批量预制，然后运输到现场安装即可。因此，在平原地区修建装 配式钢筋混凝土管型通道具有更大的优越性。装配式地下通道在国内外公路、 城市道路均有运用。上世纪八十年代，法国就对装配式地下通道和地下人防设 施进行了研究。国内也已经在湖南省的常( 德) 张( 家界) 高速公路中成功应用了预 制装配式钢筋混凝土盖板涵洞通道技术。 由于装配式钢筋混凝土管型通道具有比传统现浇圆管涵及箱涵更多的优 点。在高速公路和城市交通建设中将有广泛的应用前景。安徽省将在六( 安) 武 ( 汉) 高速公路和泗( 县) 宿( 州) 高速公路等工程中推广应用。 而国内对多管片装配式地下通道结构应用技术的研究尚为空白，还没有装 配式钢筋混凝土管型通道的设计规范可供设计人员参考。当前可借鉴的工程经 验较少，设计和施工方法还处于摸索阶段。装配式钢筋混凝土管型通道首次在 我国高速公路工程中应用，作为一种新的地下通道结构型式，本课题的研究得 到了安徽省交通厅及安徽省交通投资集团的大力支持。拟以六( 安) 武( 汉) 高速公 路安徽段和泗( 县) 宿( 州) 高速公路工程中的装配式钢筋混凝土管型通道设计、施 工为工程应用背景，通过对装配式钢筋混凝土管形通道设计、施工中的一些关 键技术问题进行理论研究、数值模拟、现场监测。研究装配式钢筋混凝土管型 通道的力学特性，使装配式钢筋混凝土管型通道结构设计安全可靠，经济合理； 为在安徽省乃至全国高速公路和城市道路等工程中推广应用装配式钢筋混凝土 管型通道提供技术支持；为装配式钢筋混凝土管型通道设计提供理论依据。 1 2国内外研究现状 目前，许多国家都把构件制作工厂化作为技术发展的一个重要标志，其程 2 度越高，技术水平也越高。同时，构件制作工厂化是技术发展的必然趋势，是 提高工程质量和修建速度、降低成本的主要途径。构件制作工厂化在地下工程 的体现主要是装配式衬砌以及装配式地下通道，一些国家在这方面已经取得了 许多成就。 从国内外构件施工工厂化技术的发展现状看，地下工程的预制技术的研究， 是从两个方面开展的，一个是部分预制的方法，另一个是全部预制的方法。例 如在秦岭特长铁路隧道中，仰拱采用预制化的构件，而拱和墙是现场构筑的。 日本在修建隧道衬砌仰拱时，在某公路隧道采用预制构件和模筑混凝土结合的 方法修筑仰拱，取得了成功。日本在仙台市地下铁道工程中，曾采用预制箱形 结构，箱体尺寸是1 1 0 9 2 m 7 4 4 0 m ，是双跨箱形结构。整个结构分为顶板、底 板、侧壁及中柱等5 个预制构件，设计中主要解决构件的划分和轻量化、构件 的纵向和上下紧固方法等问题。另外一个事例就是日法联合开发的大型拱形结 构的预制技术，并在公路隧道的扩建中得到了实际应用。预制结构的最大跨度 已经达到1 2 m 左右。前苏联在铁路隧道装配式衬砌研究上，也有许多成功的经 验，开发出了砌块式和管片式的马蹄形装配式衬砌【1 】- f2 1 。 这些事例说明：采用预制构件，不仅提高了工程质量，还可以缩短工期， 降低成本。同时提高了地下结构施工的工厂化程度。尤其对改善结构内的施工 环境更是明显。也充分说明，地下结构的预制技术已经有了一定程度的发展。 预制技术的发展带来的经济、技术效益也是明显的。 国内自2 0 0 2 年就开始进行“预制装配式钢筋混凝土盖板涵洞通道”理论分 析及可行性论证，该课题项目被列入“湖南省交通厅2 0 0 3 年科技进步与创新项 目计划”。本技术已经在湖南省常德至张家界高速公路中成功应用，已经完成了 3 个通道2 个盖板涵洞，根据已完成的依托工程，从工程施工的质量控制和工 期控制等方面均体现出明显的优势。但由于盖板涵洞结构型式的特点，其跨径 不能太大，结构受力不优，不能充分发挥材料的力学性能，使其在工程实际应 用中产生了一定的局限性。而国内对多管片装配式大跨径管型地下通道结构应 用技术的研究尚为空白。 1 2 1 地下结构计算理论 早期地下工程建设完全依据经验，十九世纪初期才逐渐形成地下结构的计 算理论，并开始用于指导地下结构的设计和施工。在地下结构计算理论形成初 期，人们仅仅仿效地面结构的设计方法进行地下结构的计算。经过长期的时间， 地下结构受力变形特点逐渐被认识，并形成了考虑地层对结构受力变形约束为 特点的地下结构计算理论。二十世纪中期，电子计算技术的出现和发展大大推 动了岩土力学和工程结构等学科的研究，考虑地层与结构之间的相互作用，地 下结构的计算理论有了更大的发展。 二十世纪2 0 年代以来，地下结构设计计算理论得到了迅速发展，世界各国 对地下结构的设计计算理论进行了系统的研究，发表了大量的研究论著。我国 学者在地下结构计算模式、内力的弹塑性解、管片设计地下结构与土体的相互 作用等方面取得了令人瞩目的研究成果。概况起来，地下结构的设计计算方法 主要包括 3 】 6 】： ( 1 ) 荷载结构法 荷载结构法即不考虑地层与地下结构之间的相互作用，地层只作为荷载作 用在地下结构上，用梁式受弯杆件和接头弹簧模型组合来模拟地下衬砌，在此 基础上计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形。这种方法受力简单，便于计 算，在工程设计中应用广泛。 ( 2 ) 地层结构法 地层结构法即将地层和地下结构视为完整的受力体，引入合适的地层与衬 砌的界面接触模型，基于连续介质理论分别计算地层和衬砌的内力，并据此验 算地层的稳定性和进行结构截面设计。该方法符合地下结构衬砌的实际受力特 点。从理论上讲，这种模型最为合理，但理论计算复杂，目前只有小部分问题 取得了解析解，一部分是在作各种简化条件下的近似解，而大部分问题为数值 解，且计算量较大。 ( 3 ) 经验比拟法 经验比拟法即通过实测确定地下结构衬砌径向位移和支护反力的特征关系 曲线，据此来确定新建地下结构衬砌的承载力，并进行截面设计。该方法可以 提供直观的数据，常受到现场人员的欢迎。但经验比拟法的原理还不完善，存 在很多问题难以解决。如地层和衬砌的响应曲线目前仍较难获得。使得该方法 仍只能停留在定性的描述阶段。 1 2 2 管片接头模型的研究 装配式钢筋混凝土管型通道是由多片预制的钢筋混凝土管片拼装连接而 成，管片之间的接缝为压式接头，管片沿径向为梯形楔，在外部压力的作用下， 管片间形成相互挤压的受力状态。压式接头的作用主要是保持管片的完成、传 递应力以及确保在外力作用下管片不发生滑落。 从隧道等地下结构兴建之时起，对管片接头结构型式的研究就没有停止过， 目前提出的管片接头模型主要有以下几类： ( 1 ) 均质圆环模型 均质圆环模型认为接头和管片体一样，整个结构是连续的，结构的刚度沿 整个管片环均匀。 该模型又分为惯用法模型和修正惯用法模型。惯用法模型在1 9 6 0 年就提出 来了，在日本国内得到了广泛的应用。惯用法模型不考虑管片接头部分的柔性 4 特征和弯曲刚度下降，管片环是具有和管片主截面相同刚度e i ，并且弯曲刚度 均匀的环( 完全均匀刚性环) 的方法。这种方法计算出的管片环变形量偏小，导 致在软弱地基中计算出的管片截面内力过小，而在良好地基条件下计算出的内 力又过大。 修正惯用法在惯用法的基础上，引入刚度有效系数r l 来评价接头的存在造 成的衬砌结构刚度的降低，将管片环看作具有j 7e 1 ，并且弯曲刚度均为的环( 平 均刚度均匀环) 的方法。进一步考虑到管片接头部位弯矩的分配，引入弯矩提 高率；，取接头的弯矩为( 1 ；) m ，管片主截面的弯矩为( 1 + ；) ，m 为按照平 均刚度均为环计算得到的弯矩值。根据试验统计计算结果，刁= 0 8 0 6 、； = 0 3 0 5 。 ( 2 ) 多铰圆环模型 多铰