侵蝕環(huán)境下盾構隧道結構性能全壽命計算方法研究.pdf

1、城市軌道交通盾構隧道結構設計壽命為100年，其巖土賦存條件復雜、周邊環(huán)境敏感、列車運行密度極高，在外界環(huán)境長期作用下結構性能不斷劣化，一旦損壞不易或不可更換，同時也給結構性能狀態(tài)評估及預測控制帶來了極大的困難。我國城市軌道交通盾構隧道建設正處于飛速發(fā)展階段，面臨的健康服役問題日益突出，如何準確評價和預測其結構性能，保證全壽命周期內(nèi)的良好服役狀態(tài)，是當前亟需開展系統(tǒng)研究的基礎科學問題之一。
　　本文以國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(9

2、73:2011CB013802)等課題為依托，針對侵蝕環(huán)境下盾構隧道結構性能全壽命計算方法這一科學問題，采用理論推導分析和人工環(huán)境模擬試驗等手段開展研究，以期為我國城市軌道交通盾構隧道建設的合理設計和科學維護提供理論指導。論文主要完成了以下研究內(nèi)容:
　　(1)構建了以人工環(huán)境模擬試驗為基礎的環(huán)境時間相似理論，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結果相關性的基本思路。建立了盾構隧道結構混凝土耐久性設計和壽命預計方法

3、，并拓展至半概率基礎設計領域。
　　(2)設計研發(fā)了環(huán)境和荷載耦合作用下的盾構隧道結構耐久性試驗系統(tǒng)，并進行了人工環(huán)境模擬試驗。探明了環(huán)境離子濃度、侵蝕時間和荷載水平對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，建立和推導了荷載對氯離子入侵影響的分析模型和表征函數(shù)。通過數(shù)值擬合得到了環(huán)境離子濃度和侵蝕時間對擴散系數(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

4、隧道結構混凝土耐久性評價模型及計算方法。
　　(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變力學模型，并基于厚壁圓筒理論，推導出了鋼筋銹脹應力場和位移場的計算公式，據(jù)此提出了鋼筋銹脹壓力的計算方法。
　　(5)建立了基于極限分析理論的管片混凝土開裂鋼筋銹蝕臨界率分析模型和計算方法。引入鋼筋銹蝕速率函數(shù)，進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隧道結構正常使用壽命預計方法體系。
　　(6)從管片接頭的傳力性質出發(fā)，通過接頭局部范圍截面力學參數(shù)的等效換算，將非連續(xù)的管片結構轉化為連續(xù)的非均質結構，建立了一種新的盾構隧道管片結構計算模型——非均質等效梁模型，推導得到了接頭截面等效力學參數(shù)的解析解，并給出了迭代計算流程和進行了實例驗證。
　　(7)研究提出了盾構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則。建立了基于增量法的管片結構極限承載能