地铁车站混凝土结构开裂有限元分析

论文摘要

目前,我国大部分地铁车站在结构上主要由顶板、中板、底板、连续墙及内衬墙几部分组成。在各种荷载的综合影响下,车站箱体结构往往会产生混凝土开裂和渗漏的现象。渗漏水的存在,会危及地铁的运营及设备安全,缩短混凝土结构的使用寿命。地铁车站抗裂防渗效果的优劣直接影响总体工程的质量,成为评价地铁工程质量的一个重要指标。由于地铁车站结构纵横比例较大,目前一般采用简化方法设计。通过横断面平面结构模型的计算来设计结构配筋,即认为荷载是在横断面内传递。而对由于温差收缩引起混凝土的纵向变形及内力,则采取构造措施来考虑,这显然有一定的局限性。基于以上背景,本文针对地铁车站混凝土结构开裂分析,主要做了以下几方面的研究工作:以上海地铁车站七号线某一复合式地铁车站为分析对象,对其诱导缝间长为32米的标准节段进行有限元分析,并给出钢筋混凝土单元、诱导缝处连接筋单元弹性矩阵及单元材料参数;计算最不利等代温差荷载作用下的应力场,得出复合式地铁车站混凝土渗漏的主要原因:混凝土结构在受到温降荷载时产生收缩变形,受到诱导缝处连接筋及侧向墙的约束而产生小偏拉应力场;当局部区域的第一主拉应力峰值达到混凝土抗拉强度时,即出现I型开裂,裂缝扩展成贯通裂缝,且裂缝宽度达到一定值时出现地铁车站渗漏现象。根据地铁车站实际情况考虑周边土体约束以及诱导缝处约束刚度,建立预应力有限元分析模型,得到地铁车站在预应力作用下和各组合工况下的应力分布。在对车站结构反复试算的基础上,完成预应力损失和预应力筋量的估算、预应力筋布索部位选择、索形以及张拉端锚固端定位设计。现场的监测数据表明:本文采用的预应力技术方案,能有效降低地铁车站混凝土拉应力,减少或消除结构裂缝的出现。为了获得地铁车站结构开裂前后的各种响应信息,对地铁车站混凝土结构进行非线性分析。采用弹塑性本构关系,考虑混凝土开裂与压碎后的特性,提出了能考虑三维情况下由于开裂引起受压强度降低的混凝土本构模型,该模型所需参数较少,能反映混凝土的主要力学特性。文中对三维钢筋混凝土有限元建模进行了研究,提出了三维埋置组合式钢筋混凝土有限元模型,该模型克服了带膜组合式的缺点,所实现的程序能考虑任意方向穿过混凝土单元的钢筋,混凝土单元的划分不需考虑钢筋的具体位置,钢筋信息可由己形成的混凝土单元信息自动生成。编制了三维钢筋混凝土结构非线性有限元分析程序,该程序可考虑埋置组合式或带膜组合式有限元模型、正交或非正交裂缝模型;运用该程序可对地铁车站在温降作用下混凝土开裂扩展过程进行跟踪分析。以上海市轨道交通七号线上海大学车站为背景,以常用的双墙叠合、两层箱体结构为原型,并以较长的约32米诱导缝间距为试点对象,通过在试验段内合理布置混凝土应变与温度传感器,测定车站施工以来各测点位置的温度以及混凝土应变。根据测试数据结合现场监测得到的车站裂缝情况,分析对比预应力方案、普通钢筋混凝土方案以及纤维混凝土方案的效果,给出相应的设计建议,检验抗裂防渗技术方案的工程效果。最后将非线性分析计算结果与现场测试数据对比,结果表明:文中的理论分析结果与现场实测数据较吻合,验证了作者研制的三维非线性钢筋混凝土有限元程序可反映结构的受力机理及其变化规律、结果的计算精度较高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及概况
• 1.2 地铁车站混凝土结构开裂渗漏研究现状
• 1.2.1 地铁车站混凝土结构渗漏原因的分析
• 1.2.2 地铁车站混凝土结构防水措施的研究
• 1.3 混凝土结构开裂分析研究现状
• 1.4 地下混凝土结构有限元分析研究综述
• 1.4.1 地下混凝土结构非线性分析的必要性和特点
• 1.4.2 混凝土结构非线性分析研究进展
• 1.4.2.1 混凝土材料本构关系模型
• 1.4.2.2 混凝土裂缝模型
• 1.4.2.3 钢筋及粘结的数学模型
• 1.4.3 需要进一步探索的问题
• 1.4.4 工程应用及问题
• 1.5 本文的主要研究工作
• 第二章 地铁车站混凝土结构的线弹性分析
• 2.1 引言
• 2.2 地铁车站有限元分析模型
• 2.2.1 工程概况
• 2.2.2 结构模型的建立
• 2.2.3 单元类型的选取及材料参数
• 2.2.4 模型约束的定义
• 2.2.4.1 周围土体对地铁车站的约束
• 2.2.4.2 地铁车站诱导缝处约束
• 2.2.5 温度体荷载的定义
• 2.3 地铁车站温降荷载作用下的有限元计算与分析
• 2.3.1 温降荷载作用下混凝土结构的有限元计算
• 2.3.2 地铁车站温降作用下的有限元计算结果与分析
• 2.3.3 对地铁车站弹性有限元分析结果的评价
• 2.4 本章小结
• 第三章 地铁车站混凝土结构预应力有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 预应力混凝土技术方案设计
• 3.2.1 预应力筋布索部位选择
• 3.2.2 索形与张拉端锚固端定位设计
• 3.2.3 预应力损失及预应力筋量估算
• 3.2.4 非预应力筋量控制
• 3.3 预应力有限元分析与计算
• 3.3.1 应力计算有限元分析模型
• 3.3.2 分析工况
• 3.4 本章小结
• 第四章 地铁车站混凝土开裂非线性分析
• 4.1 地铁车站非线性分析背景
• 4.2 地铁车站材料本构模型
• 4.2.1 混凝土的弹塑性本构模型
• 4.2.2 混凝土的破坏模拟
• 4.2.3 钢筋的本构关系
• 4.3 地铁车站钢筋混凝土有限元模型
• 4.3.1 埋置组合式模型
• 4.3.2 钢筋单元信息的自动生成
• 4.4 地铁车站混凝土非线性分析
• 4.4.1 弹塑性问题的增量迭代法
• 4.4.2 温度作用
• 4.4.3 求刚度矩阵的数值积分
• 4.4.4 材料破坏后的单元应力释放
• 4.4.5 非线性分析流程
• 4.5 典型算例及地铁车站结构非线性分析
• 4.5.1 算例一
• 4.5.2 算例二
• 4.5.3 地铁车站结构非线性分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 地铁车站现场测试
• 5.1 前言
• 5.2 现场试验段工程背景
• 5.3 现场试验的目的
• 5.4 监测方案
• 5.4.1 测试断面选择
• 5.4.2 断面上测点位置的选择
• 5.5 混凝土应变计的安装
• 5.6 试验材料和测试仪器
• 5.6.1 试验段混凝土材料和聚丙烯材料
• 5.6.2 测试仪器
• 5.6.3 现场布置
• 5.6.4 数据采集
• 5.6.5 数据读取保存
• 5.7 数据整理与分析
• 5.7.1 温度实测数据与分析
• 5.7.2 应变实测数据与分析
• 5.8 计算结果与现场测试数据对比
• 5.9 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 研究创新性总结
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间论文发表情况
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 攻读博士学位期间完成的研究报告