侵蝕環(huán)境下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)性能全壽命計(jì)算方法研究.pdf

1、城市軌道交通盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命為100年，其巖土賦存條件復(fù)雜、周邊環(huán)境敏感、列車(chē)運(yùn)行密度極高，在外界環(huán)境長(zhǎng)期作用下結(jié)構(gòu)性能不斷劣化，一旦損壞不易或不可更換，同時(shí)也給結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)評(píng)估及預(yù)測(cè)控制帶來(lái)了極大的困難。我國(guó)城市軌道交通盾構(gòu)隧道建設(shè)正處于飛速發(fā)展階段，面臨的健康服役問(wèn)題日益突出，如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)其結(jié)構(gòu)性能，保證全壽命周期內(nèi)的良好服役狀態(tài)，是當(dāng)前亟需開(kāi)展系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題之一。
　　本文以國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(9

2、73:2011CB013802)等課題為依托，針對(duì)侵蝕環(huán)境下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)性能全壽命計(jì)算方法這一科學(xué)問(wèn)題，采用理論推導(dǎo)分析和人工環(huán)境模擬試驗(yàn)等手段開(kāi)展研究，以期為我國(guó)城市軌道交通盾構(gòu)隧道建設(shè)的合理設(shè)計(jì)和科學(xué)維護(hù)提供理論指導(dǎo)。論文主要完成了以下研究?jī)?nèi)容:
　　(1)構(gòu)建了以人工環(huán)境模擬試驗(yàn)為基礎(chǔ)的環(huán)境時(shí)間相似理論，從方法上提出了解決人工環(huán)境和自然環(huán)境混凝土耐久性試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性的基本思路。建立了盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)混凝土耐久性設(shè)計(jì)和壽命預(yù)計(jì)方法

3、，并拓展至半概率基礎(chǔ)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
　　(2)設(shè)計(jì)研發(fā)了環(huán)境和荷載耦合作用下的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了人工環(huán)境模擬試驗(yàn)。探明了環(huán)境離子濃度、侵蝕時(shí)間和荷載水平對(duì)氯離子入侵及其在混凝土中含量分布的影響規(guī)律。
　　(3)基于單軸荷載作用下混凝土微觀孔隙的變化，建立和推導(dǎo)了荷載對(duì)氯離子入侵影響的分析模型和表征函數(shù)。通過(guò)數(shù)值擬合得到了環(huán)境離子濃度和侵蝕時(shí)間對(duì)擴(kuò)散系數(shù)及表面氯離子濃度的影響規(guī)律。建立了環(huán)境與荷載耦合作用下的盾構(gòu)

4、隧道結(jié)構(gòu)混凝土耐久性評(píng)價(jià)模型及計(jì)算方法。
　　(4)根據(jù)鋼筋銹蝕層分布模式，分別建立了均勻侵蝕和單向均勻侵蝕兩種條件下的平面應(yīng)變力學(xué)模型，并基于厚壁圓筒理論，推導(dǎo)出了鋼筋銹脹應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的計(jì)算公式，據(jù)此提出了鋼筋銹脹壓力的計(jì)算方法。
　　(5)建立了基于極限分析理論的管片混凝土開(kāi)裂鋼筋銹蝕臨界率分析模型和計(jì)算方法。引入鋼筋銹蝕速率函數(shù)，進(jìn)一步建立了均勻侵蝕和單向均勻侵蝕條件下，混凝土銹脹裂損的全壽命演化方程，形成了基于混凝

5、土鋼筋銹脹裂損的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)正常使用壽命預(yù)計(jì)方法體系。
　　(6)從管片接頭的傳力性質(zhì)出發(fā)，通過(guò)接頭局部范圍截面力學(xué)參數(shù)的等效換算，將非連續(xù)的管片結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為連續(xù)的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，建立了一種新的盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)計(jì)算模型——非均質(zhì)等效梁模型，推導(dǎo)得到了接頭截面等效力學(xué)參數(shù)的解析解，并給出了迭代計(jì)算流程和進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。
　　(7)研究提出了盾構(gòu)隧道管片接頭截面和主截面彎矩的聯(lián)合失效模式及失效準(zhǔn)則。建立了基于增量法的管片結(jié)構(gòu)極限承載能