2016年, 第29卷, 第12期 刊出日期:2016-12-20
  

  • 全选
    |
    目录
  • 中国公路学报. 2016, 29(12): 0-0.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
  • 封一/四
  • 中国公路学报. 2016, 29(12): 0-0.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
  • 综述
  • 中国公路学报. 2016, 29(12): 1-1.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    新中国成立以来,中国交通建设在国家政策的指导下获得了稳步、快速发展。在桥梁建设领域,新建桥梁在结构形式、桥梁跨度、施工工艺、建筑材料及施工装备等方面不断获得突破;在隧道建设领域,新建隧道具有建设规模化、结构空间尺度大型化和局部节点构造形式复杂化的特点;从陆上到跨江直至跨海,桥梁和隧道建设环境条件不断拓展,桥隧数量激增,中国俨然已成桥隧大国。进入21世纪,桥隧人肩负着把中国从桥隧大国推向桥隧强国的历史使命。
    港珠澳大桥是一个世纪工程,是由隧、岛、桥组成的跨海交通集群工程,是中国交通建设史上规模最大、技术最复杂、生态要求最高、建设要求及标准最高的工程之一,其创新建设理念将引领中国乃至世界桥梁建设领域的变革,是中国迈向桥梁强国的里程碑。其中主体结构--海底隧道是目前世界上最长的沉管隧道,其设计施工难度在世界范围内首屈一指。港珠澳大桥建设中开创性地提出了“四化”建设理念,即“大型化”“工厂化”“标准化”和“装配化”,在“四化”理念的背后是一系列对行业更新换代的更高要求。为实现港珠澳大桥的建设目标,针对跨海集群工程建设关键技术,项目开展了以下研究:
    (一)埋床法全预制海上桥梁墩台建设关键技术。港珠澳大桥采用预制墩台,为减小阻水面积,桥墩承台全置于海床面以下,为解决预制埋床法墩台施工的技术难题,对墩台吊具、剪力键及止水止摆工艺进行了研究。
    (二)大直径钢管复合桩受力性能研究。开展大直径钢管复合桩中有无泥皮的钢管桩模型试验、理论研究和数值模拟分析,研究钢管复合桩的协同受力机理和特性,获得桩身在压弯剪组合荷载作用下的受荷和变形规律,提出钢管复合桩设计计算理论与方法。
    (三)连续钢箱梁120年全寿命设计关键技术。对港珠澳大桥钢箱连续梁合理构造系统、钢箱连续梁正交异性桥面板疲劳性能、钢箱连续梁节段模型及数模模拟抗风性能试验、钢箱连续梁施工及运营全过程钢箱梁空间结构仿真计算分析、钢箱连续梁长寿命防腐技术及运营期维养技术等均进行了研究。
    (四)钢箱连续梁制造及安装关键技术。通过对钢箱梁工厂制作与现场(施工)安装关键技术的研究,设计钢箱连续梁制造系列工装;制定合理的组装、焊接、栓接工艺;制定焊接变形控制措施;制定制造与安装全过程控制程序、检验技术标准、质量检验方法与验收标准等,建立基于120年使用寿命的钢箱梁制造标准体系,确保桥梁施工质量。
    (五)桥梁抗风性能研究。针对通航孔桥和非通航孔桥,采用数值模拟和风洞试验相结合的方法,开展桥梁抗风性能研究,确保外海环境下桥梁抗风安全。
    (六)珠海连接线超大断面暗挖隧道设计与施工技术研究。开发了复合地层长距离组合曲线顶管施工及管幕形成控制技术;提出了临海环境高水压下超长水平冻结止水帷幕施工技术;建立了复杂环境下浅埋超大断面隧道施工变形控制方法;研发了临海环境下隧道结构新型止水带,并进行了变形缝的抗水压试验。
    (七)外海厚软基大回淤超长沉管隧道基础沉降控制技术。提出沉管隧道基于结构体系的沉降控制标准,建立大开挖卸荷回弹再压缩天然地基、负摩阻力桩基础和减沉桩的沉降计算方法。
    (八)多点非一致地震激励下超长沉管隧道设计方法与振动台试验模拟技术。建立沉管隧道土-结构动力相互作用的实用快速计算方法和多点非一致激励下沉管隧道地震响应高效分析方法,开展沉管隧道大比尺管节接头力学性能试验研究,形成管节接头减震控制技术,集成研发多点非一致地震激励下超长沉管隧道振动台试验模拟技术。
    (九)沉管隧道节段接头构造型式研究及高水压120年设计使用寿命止水带研发。揭示节段接头作用机理,提出改善接头剪力键受力的构造措施及不同荷载环境下节段接头构造型式,建立接头张开量及接头受力计算模型,研发满足45 m水深120年设计使用寿命期新型Ω止水带产品。
    港珠澳大桥建设实施过程中涌现了一批极具应用价值的学术性成果。本次《中国公路学报》编辑部组约了部分优秀成果结集出版,以期促进复杂海况下的桥梁和隧道建造技术交流,同时对港珠澳大桥的建设者们致以崇高的敬意!期盼他们把握时代机遇、不断创新、脚踏实地、践行历史使命,为把中国建设成为世界桥隧强国做出更大的贡献。港珠澳大桥的建设实践,是新时期桥隧人交出的完美的历史答卷!
  • 桥梁工程
  • 苏权科, 谢红兵
    中国公路学报. 2016, 29(12): 1-9.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    为了给超长跨海钢结构桥梁的建设提供参考,综述了港珠澳大桥的建设实践。介绍了大桥的建设制约条件、建设目标及理念,以及大桥的景观设计,说明了超长钢桥选型的主要考虑因素:抗震性能、耐久性、施工性、结构维护和环保。关于钢箱梁设计,重点介绍了单体大悬臂钢箱梁正交异性板的疲劳设计要点、参数优化结果、疲劳细节构造及足尺模型疲劳试验情况,并对使用调谐质量阻尼器应对主梁涡激振动的情况进行了介绍。关于施工质量管理,在全过程品质保证/品质控制(QA/QC)技术要求、质量控制和验收标准的基础上,对多项专项产品技术管理进行了介绍,数个首次使用的标准(如不锈钢钢筋、桥梁检查车等)可为中国行业标准的建立和完善提供参考。介绍了钢结构制造过程中有关加工、制作、焊接和检测的新技术与新工艺,这些要求可提高生产效率、改善工人工作环境、消除人为误差、提高制造精度并保证钢结构品质的稳定性。关于海上吊装,重点介绍了3座斜拉桥的钢塔吊装技术。关于防护涂层及维护,重点介绍了挥发性有机化合物(VOC)含量限值等环保性能指标及钢箱梁箱内、箱外检修车系统特点。综述分析表明:港珠澳大桥“四化”要求促进了钢结构各施工环节的工艺创新,机械化、自动化、信息化技术的应用,提升了中国桥梁钢结构加工企业的总体制作能力和管理水平;海上装配化施工,促进了海上大型设备的开发应用和吊装工法的创新,成功经验为海上工程的设计与施工开辟了新的途径;钢桥面铺装方案效果有待实践的检验。
  • 赵桂峰, 马玉宏, 简涛, 苏良建, 周福霖
    中国公路学报. 2016, 29(12): 10-16.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    为研究采用摩擦摆支座的港珠澳隔震桥梁在氯盐腐蚀环境中抗震性能随时间的变化规律,针对前期完成的摩擦摆隔震支座人工加速腐蚀试验,拟合得出支座摩擦因数的变化曲线;进而对港珠澳隔震桥梁进行非线性时程分析,分析在不同地震波、不同峰值加速度、不同劣化时间节点下桥梁结构和支座响应随腐蚀时间的变化规律。研究结果表明:随腐蚀时间的增长,桥梁墩顶位移和加速度、墩底剪力和弯矩均呈增大趋势,支座位移则逐渐减小;在桥梁120年寿命期时,劣化幅度最大,达259.8%,说明摩擦摆支座在腐蚀环境下的性能劣化对港珠澳大桥全寿命期内的抗震性能产生了明显的不利影响,应及时对全寿命服役期内的桥梁进行检测与维护。
  • 周志勇, 葛耀君
    中国公路学报. 2016, 29(12): 17-24.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    基于大比例节段模型风洞试验和计算流体动力学(CFD)方法,开展了港珠澳大桥青州航道桥大悬臂箱梁涡激共振抑振措施及机理的研究。通过风洞试验确定了边防撞栏是诱发竖弯涡振的原因,并开展CFD数值模拟,明确了边防撞栏和路缘石之间的距离不足以使其间的流速加快,两者之后是近似的死水区,形成连续的漩涡脱落现象,主导涡激共振的发生。设计了3种形式的风嘴结构(梯形风嘴、翼形风嘴与小翼形风嘴)以加快边防撞栏与路缘石之间的流速,避免其后形成连续的漩涡脱落现象。研究结果表明:风洞试验时,3种气动措施均可以在不同程度上抑制主梁竖弯涡振;CFD数值模拟及桥面风速测量均表明,各测点风速较原型断面有一定程度提高,卓越频率处的能量衰减较大,风嘴对边防撞栏后的流速起到了加速作用。
  • 刘益铭, 张清华, 张鹏, 崔闯, 卜一之
    中国公路学报. 2016, 29(12): 25-33.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    基于线弹性断裂理论,建立了正交异性钢桥面板U肋对接焊缝的裂纹扩展数值模拟方法,通过模型试验验证了数值模拟方法的有效性和可行性;采用Monte-Carlo法对随机交通荷载进行模拟,获得了随机交通荷载作用下疲劳易损细节的应力历程和应力幅值谱。在此基础上,建立了基于概率断裂力学的U肋对接焊缝疲劳性能评价方法,以典型的正交异性钢桥面板连续梁桥——港珠澳大桥为研究对象,综合考虑了裂纹扩展模型中各参数的随机性,对U肋对接焊缝的疲劳性能展开研究。研究结果表明:所建立的裂纹扩展数值模拟方法能够较为准确地模拟裂纹扩展过程,可为该部位的疲劳寿命评估提供理论工具;U肋对接焊缝疲劳裂纹扩展呈现两阶段扩展特征;港珠澳大桥U肋对接焊缝疲劳寿命服从Weibull分布。
  • 黄云, 张清华, 卜一之, 李乔
    中国公路学报. 2016, 29(12): 34-43,59.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    为研究正交异性钢桥面板钢箱梁结构纵肋现场接头的疲劳性能,以港珠澳大桥中2类典型闭口截面U形纵肋的现场接头(焊接与栓接)作为研究对象,对其疲劳特性进行了试验和理论研究。依据实桥结构尺寸设计了2组4个足尺试件模型,并对现场焊接与栓接2种常用接头形式在设计寿命服役期内的疲劳性能进行了试验验证,在此基础上,对既有正交异性钢桥面板疲劳损伤案例中占比例较高的焊接接头疲劳损伤特性进行了相关疲劳试验与疲劳性能评估;通过在焊缝两侧对称布置2排电阻应变计获得不同疲劳加载次数下各测点的主拉应力实测值,揭示了焊接接头局部区域主拉应力随疲劳加载次数的变化规律,并结合超声波与磁粉探伤判断焊缝位置裂纹的萌生状况;分别建立实体与板壳有限元模型,计算出用于焊接接头疲劳评估的等效结构应力幅,探讨了结构应力法应用于该类细节疲劳评估的可行性和合理性。研究结果表明:2类纵肋现场接头中各关键测点的主拉应力在疲劳验证试验阶段基本保持不变,其疲劳性能均满足设计要求且具有一定的安全储备;随疲劳加载次数的增加,疲劳裂纹萌生初期的累积损伤会引起附近局部区域结构刚度下降,导致该区域内的主拉应力值出现不同幅度的增大;结构应力法适用于正交异性钢桥面板纵肋现场焊接接头部位的疲劳性能评估,且评估结果稳定、离散性较小。
  • 崔闯, 张清华, 程震宇, 卜一之
    中国公路学报. 2016, 29(12): 44-50.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    为准确评估正交异性钢桥面板结构中纵肋与横肋连接构造的疲劳性能,从疲劳开裂的本质特征出发,以改进的应变能密度为参量,考虑多轴效应对疲劳性能的影响,推导并建立了基于改进的应变能密度疲劳性能评估方法,评估了焊接复杂部位在多轴应力状态下的疲劳性能。在此基础上,针对纵肋与横肋连接部位,以港珠澳大桥正交异性钢桥面板足尺节段模型疲劳试验为研究背景,将模型试验结果与所推导的公式计算结果进行对比,验证提出方法的适用性和准确性。研究结果表明:对于正交异性钢桥面板而言,纵肋与横肋连接构造部位为典型的多轴受力状态,多轴效应对其疲劳性能的影响不可忽略;计算所得单轴应变能密度略小于理论值,只考虑单轴效应对该部位进行疲劳寿命评估会导致偏于不安全的结果;而以总的弹性应变能密度为参量,将导致计算结果偏大,寿命评估结果偏于保守;基于多轴应力的改进能量法计算结果与理论值能较好吻合,且最大相对误差为9.7%;所提方法能适用于正交异性钢桥面板横肋与U肋连接部位疲劳性能评估。
  • 汪劲丰, 景强, 吴伟胜, 吴光宇, 向华伟
    中国公路学报. 2016, 29(12): 51-59.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    为确保港珠澳大桥预制埋床式墩台的设计达到受力性能优良及布筋合理的要求,同时明确桥墩失效过程混凝土开裂及裂缝扩展情况及桥墩极限承载能力,采用强化有限元方法(AFEM)对桥墩失效过程进行了模拟分析。从网格分离技术、实体单元退化理论、桥墩中普通钢筋和预应力钢筋模型以及非线性问题处理方法等4个方面对钢筋混凝土结构开裂及破坏分析中的关键问题进行了讨论,建立了通用的钢筋混凝土结构性能分析技术框架;以受力最不利桥墩为对象,对2种配筋模式竖向荷载作用下的墩身非线性受力行为进行了全过程分析,比较了2种不同配筋对桥墩结构性能的影响,明确了混凝土开裂及裂缝扩展特点。结果表明:配筋方案1的混凝土一旦开裂,裂缝就急剧扩展,裂缝从上墩身快速向中墩身发展,出现竖向和横向变形跳跃;对于配筋方案2,当墩顶出现开裂以后,墩身刚度也明显下降,荷载-位移曲线有一个明显转折点,但未出现跳跃式变化,裂缝宽度也较第1种小,极限承载力提高了约10%,桥墩结构性能较方案1有明显改善;计算结果为桥墩结构设计提供了参考依据,同时也表明,基于增强有限元的混凝土结构失效过程分析方法,可考虑结构的空间效应、分析空间破坏形态,具有形式统一、概念简洁等优点,工程适用性强。
  • 刘沐宇, 李倩, 黄岳斌, 卢志芳, 张强
    中国公路学报. 2016, 29(12): 60-69.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    为了掌握港珠澳大桥钢-混组合连续梁桥超长时间收缩徐变长期性能,针对港珠澳大桥桥面板采用的高抗裂致密匀质混凝土,开展收缩徐变试验研究,基于CEB-FIP 90模型,建立高抗裂致密匀质混凝土收缩徐变模型;通过对30年内每一微小时段内应变增量叠加累计,获得超长时间混凝土收缩徐变应变的计算方法,分析港珠澳大桥钢-混组合连续梁桥30年超长时间的收缩徐变效应。研究结果表明:修正的收缩徐变模型可用于港珠澳大桥钢-混组合连续梁桥超长时间收缩徐变效应分析;成桥10年后,主梁应力挠度仍然有增大的趋势,成桥20~30年逐渐趋于稳定,30年时钢主梁最大拉压应力分别为184.00,-92.66 MPa,负弯矩区混凝土桥面板最小压应力为-1.99 MPa,主梁跨中最大挠度为39.12 mm,与成桥10年相比增幅达到16.19%。港珠澳大桥钢-混组合连续梁桥30年超长时间内应力与变形满足设计要求,负弯矩区混凝土桥面板压应力储备足够,不开裂,研究成果对港珠澳大桥超长时间收缩徐变长期性能设计具有直接的指导作用。
  • 汪劲丰, 张良, 向华伟, 王文浩
    中国公路学报. 2016, 29(12): 70-77.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    为了研究温度效应对港珠澳深水区非通航孔桥体系转化过程的影响,确定合理的焊接施工时段,降低焊接过程对钢箱梁线形的影响,保证最终成桥线形满足设计要求,根据热传导和有限元基本原理,采用ABAQUS建立了一段无铺装层钢箱梁三维模型,通过施加对流换热、长波热辐射及太阳辐射3种荷载,模拟钢箱梁与外界环境之间的热交换,求解其温度场分布规律;选取钢箱梁温度场预测分析时4个重要参数(风速、日极温度、热辐射率和钢板表面的热流密度),对钢箱梁顶、底板温差进行参数敏感性分析;通过数值分析模拟不同时刻温度效应对钢箱梁焊接施工的影响,并根据施工质量控制标准,将顶、底板温差低于2℃作为施工控制性条件,并建议在22:00到次日7:00进行桥梁安装工作。研究结果表明:经工程实践证明钢箱梁温度场预测值与现场实测值一致,无铺装层钢箱梁可采用双折线温度梯度模式;日辐射热流密度对钢箱梁顶、底板影响最大,风速次之,热辐射率第3,日极温度影响最小;顶、底板温差低于2℃时进行定位及焊接工作,能够有效控制温度效应的影响。
  • 宋一凡, 朱季, 王凌波
    中国公路学报. 2016, 29(12): 78-84.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    为了给大节段钢箱梁的制造及整孔吊装施工控制提供技术依据,针对整体温度变化对等跨径等截面连续钢箱梁制作及架设过程中线形变化的问题,以港珠澳大桥工程中深水区非通航孔桥6×110 m一联的标准联连续钢箱梁桥工程为研究背景,选取海中等宽段桥梁的大节段钢箱梁进行研究。采用大型专用有限元程序MIDAS/Civil建立了深水区非通航孔桥大节段钢箱梁的空间梁单元数值模型,忽略沿钢箱梁横向温差带来的影响,依据桥位区常年温度跟踪观测的成果,在2.7℃~42.7℃范围内以5℃为间隔,研究了整体温度影响下,大节段钢箱梁安装时钢箱梁支座中心处的整体位移、相对位移以及其总位移的计算方法及影响程度;分析了由于钢箱梁加工制作季节差异,导致钢箱梁在胎架上组装时,考虑定位时刻的温度与设计温度的整体偏差对胎架线形的影响规律,及钢箱梁小里程侧的相对里程、相对拱度的修正方法。研究结果表明:大节段钢箱梁整孔吊装施工时,落梁前各墩顶支座的整体位移与温度呈线性变化;落梁后的支座相对位移值受温度影响极小,可以忽略不计;不同温度下的相对里程与相对高程的修正值与温度成正比;研究成果成功地指导了港珠澳大桥钢箱梁制作、吊装施工。
  • 王凌波, 朱季, 宋一凡, 贺拴海
    中国公路学报. 2016, 29(12): 85-92.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    为了给大节段钢箱梁的制造及整孔吊装施工控制提供技术依据,针对温度梯度变化对等跨径等截面连续钢箱梁制作及架设过程中由于线形变化而引起的匹配焊接的问题,以港珠澳大桥工程中深水区非通航孔桥的钢箱梁桥为研究背景,选取海中等宽段桥梁的大节段钢箱梁进行研究。采用有限元程序MIDAS/Civil建立了大节段钢箱梁的空间梁单元数值模型,依据桥位区实测钢箱梁结构竖向温度变化规律,拟合了温度梯度曲线模式,研究了不同竖向温度梯度温差模式对大节段钢箱梁架设时焊接端口的梁端正、负夹角的影响规律及修正方法;探讨了借助温度梯度对梁端夹角的影响,不采用额外调整措施的最佳焊接时机。研究结果表明:竖向温度梯度对大节段焊接合龙部位两节段间的梁端夹角有显著影响,无论采用规范温度模式还是实测拟合温度模式,产生的梁端夹角均有数值过大而影响焊接工作正常进行的可能;温度梯度产生的梁端夹角,既可通过钢箱梁制造时预留空间,焊接时根据现场温差进行配切消除,亦可选择最佳焊接时机消除温度梯度对梁端夹角的影响,直接完成焊接;不同钢箱梁大节段应选择在不同的顶、底板温差时段进行焊接;研究成果成功地指导了港珠澳大桥钢箱梁制作、吊装施工。
  • 李源, 王凌波, 刘鹏, 贺拴海
    中国公路学报. 2016, 29(12): 93-101.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    为明确结形撑安装过程中的变形机理及其影响因素,针对港珠澳大桥青州航道桥索塔“中国结”形撑构造异形,杆件倾角大,栓接、焊接混合施工工艺等特点,采用ABAQUES进行了结形撑安装过程的敏感性分析、焊接施工接口姿态影响分析及安装过程变形精细化分析,基于DFLUX子程序及双椭球热源模型编制了热分析子程序,并进行焊接温度场分析,将焊接温度场分析结果采用顺序耦合的方式读入应力-应变场模型进行了焊接收缩量分析。结果表明:对于港珠澳大桥结形撑T2件安装,塔柱双向温度梯度、整体升降温为敏感因素,临时荷载、临时横撑数量为不敏感因素;对于T1件安装,敏感因素仍为塔柱双向温度梯度、整体升降温,临时荷载为不敏感因素,拆除塔顶第1根横撑时影响较小,拆除2根横撑时影响较大;进行结形撑对接施工时,焊缝收缩量与焊缝根部宽度呈线性关系,通过分析结果拟合得到了二者的关系曲线,可供实际施工中使用;结形撑构件J1,J2,J3吊装过程中,塔柱及吊装件变形量小于1 mm,可认为其不影响安装精度。
  • 王凌波, 刘鹏, 李源, 贺拴海
    中国公路学报. 2016, 29(12): 102-108,141.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    为了给大跨径斜拉桥宽幅钢箱梁的悬拼施工方法提供参考,针对斜拉桥宽幅钢箱梁悬拼匹配过程中横向错缝过大的问题,以港珠澳大桥主体工程中跨径最大的青州航道桥为研究背景,采用大型通用有限元程序ABAQUS建立了青州航道桥悬拼梁段的精细化板壳单元分析模型,并在保证分析精度的基础上尽量采用维度较小的单元类型模拟结构,研究了钢箱梁悬拼匹配过程中悬臂梁段和起吊梁段的横向变形规律,分析了斜拉索索力、悬臂梁段自重、吊机自重与起吊梁段引起的吊机前支点反力的影响程度,探讨了青州航道桥中钢箱梁的合理悬拼匹配工序及现场应对策略。研究结果表明:钢箱梁悬拼过程中的横向变形以横向弯曲变形为主,畸变、扭转等变形较小;起吊梁段引起的吊机前支点反力是引起悬臂梁段和起吊梁段横向错缝过大的最主要因素;传统的从桥面中心线处向两边逐步施焊或通过焊接连接边腹板逐步向桥面中线处焊接的联系方式均不能适应青州航道桥宽幅钢箱主梁的悬拼匹配施工,应优先连接横向刚度较大的边腹板,再通过采取对吊机卸载的方式,待悬臂梁段和起吊梁段横向变形接近一致,完成全截面的临时匹配时;港珠澳大桥青州航道桥的桥面吊机卸载比例为40%。
  • 隧道工程
  • 谭忠盛, 李志宏, 周振梁, 刘强, 陈助峰
    中国公路学报. 2016, 29(12): 109-115.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    针对港珠澳大通道拱北隧道工程,采用室内相似试验研究隧道在全封堵方式、限排方式、变水头过程中管幕和衬砌背后的水压力分布规律,分析土压单独作用和水土压共同作用下衬砌结构应力分布规律;根据拱北隧道暗挖段工程地质条件和防水要求,对5种不同形式的止水带进行了耐水压试验,得出了各自的极限耐水压能力;最后通过试验研究了三元乙丙橡胶(EPDM)止水带的耐久性性能。试验结果表明:管幕外侧水压和衬砌背后水压随排水量增加而减小;隧道不排水时,衬砌背后水压等于全水头压力;水土压共同作用下,衬砌内外侧应力分布规律和仅有土压作用时基本相似;5种不同形式止水带耐水压极限值均满足工程需求;EPDM止水带具有良好的耐碱、耐盐和抗热空气老化性能,但在酸性溶液中撕裂强度、扯断伸长率均有所下降。研究结果可为拱北隧道防水工程的设计与施工提供依据。
  • 刘强, 谭忠盛, 任辉, 王秀英, 徐瑞祥
    中国公路学报. 2016, 29(12): 116-123.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    为了解决传统止水带无法满足隧道特定环境下防水要求的问题,以止水带拉断判断标准和拉脱判断标准为理论基础,分析了止水带防水失效机理;结合临海隧道工程特点,在传统止水带基础上,提出了新型可排水止水带结构形式。对传统止水带进行了抗拉、抗剪等力学分析;通过在传统止水带三元乙丙橡胶材料中添加不同比例的硫酸钡和石墨,进行了材料耐盐酸和耐硫酸试验,测试拉伸强度、扯断伸长率、撕裂强度等物理力学性能,比较了添加不同组分硫酸钡和石墨材料测试数据。结果表明:通过降低止水带附近水压,可以减小其所受拉应力,提高止水带安全性;传统止水带满足安全使用要求,添加质量分数5%的石墨后的新型止水带材料耐化学腐蚀性能最好,且满足相关技术要求。
  • 黄明利, 熊昊翔, 申巧凤, 周艺, 谭忠盛
    中国公路学报. 2016, 29(12): 124-133.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    为分析明挖隧道结构变形缝设置的影响因素以及变形缝设置间距优化的问题,以拱北隧道工程为依托,选取明挖段隧道开展研究工作,基于数值模拟方法,建立三维荷载-结构模型,分析地质因素、温度因素和结构形式等因素的影响机理,开展变形缝间距的优化研究。结果表明:变形缝的设置可解决隧道的不均匀变形,优化结构的受力状态,但同时也增加了结构的防水难度;主要地质影响因素为结构两侧的围岩等级差距;考虑温差对变形缝设置的影响,在结构所处环境内、外温差较大时,需要设置变形缝;优化后的拱北隧道明挖段区段④的变形缝间距为100 m;原设计明挖段共需设置56个变形缝,经过计算优化后的变形缝数为36,减少约35.7%,优化区段长度为529 m,占整个海域段的43.2%。
  • 禹海涛, 萧文浩, 袁勇, 苏权科, 徐国平
    中国公路学报. 2016, 29(12): 134-141.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    针对目前沉管隧道接头与管节本体相对刚度比取值既无现成的解析公式或图表可循,也无试验数据支持问题,根据沉管隧道管体及管节接头的结构构造设计特点,设计了几何比尺为1∶10的沉管隧道管节接头力学性能试验,通过对管节接头施加不同的荷载,分别得到了管节接头在不同轴向压力下的压缩量曲线、弯矩-转角曲线和剪力-剪切位移曲线;通过计算得到了管节接头与管体在受轴向压力、弯曲荷载和剪切荷载下的刚度比曲线;分别对上述3种刚度比曲线进行了拟合分析,并对刚度比随着接头轴向压力变化的规律进行了讨论。试验结果表明:管节接头在加载和卸载条件下的轴向刚度比并不相同,而且加载轴向刚度比较卸载轴向刚度比大,但是基本上两者均呈线性趋势;随着轴向压力的增大,管节接头与管体的弯曲刚度比和剪切刚度比也均呈线性增加趋势;在沉管隧道管节接头工作水压区间内(对应轴向压力为440~1 760 kN),轴向加、卸载刚度比的变化范围分别为1/360~1/120和1/1 028~1/305,弯曲刚度比的变化范围为1/1 161~1/25,而剪切刚度比的变化范围则为1/76~1/24。相比轴向和弯曲刚度比,沉管隧道接头与管节的剪切刚度比较大,而且其随轴向压力变化的敏感度相对较小。
  • 禹海涛, 萧文浩, 袁勇, 刘洪洲, 蒋至彦
    中国公路学报. 2016, 29(12): 142-148.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    为了探讨管节接头在地震作用下的减震措施和手段,首创性地提出了基于金属屈服耗能阻尼器的沉管隧道管节减震耗能方法,设计了一套可用于沉管隧道管节接头的减震耗能装置,并通过关键参数优化的方法,以接头弯矩-转角曲线所围成的面积作为优化目标函数,对该减震耗能装置的线刚度进行优选;最后,通过对接头施加水平弯矩荷载,完成了无减震耗能装置接头和安装减震耗能装置接头2组大比尺对比结构试验,分别得到2组试验工况下管节接头的弯矩-转角曲线,计算得到管节接头力学性能参数(如抗弯刚度和滞回圈面积等),并对各参数进行了对比分析,检验了该减震耗能装置用于提高沉管隧道抗震性能的技术可行性。试验结果表明:无减震装置和安装减震装置后,接头的弯矩-转角曲线均出现明显的滞回圈,两者滞回圈形状大致相同;与无减震耗能装置的接头试验相比,安装该减震耗能装置后,在接头承受相同的转角条件下,接头所承受的最大弯矩从730 kN·m提高到了1 000 kN·m,提高了约37%;接头弯曲刚度由6.19×105 kN·m·rad-1提高到8.97×105 kN·m·rad-1,增大了约45%;而反映接头耗能性能的接头弯矩-转角曲线所围成的滞回圈的面积提高了约69%,接头的滞回性能得到了显著的提高。
  • 燕晓, 禹海涛, 袁勇, 袁聚云
    中国公路学报. 2016, 29(12): 149-156.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    为研究沉管隧道基槽边坡的动力特性,以在建的港珠澳大桥沉管隧道工程为背景,设计并完成了几何比尺1∶60的沉管隧道基槽变坡度边坡大型振动台模型试验,并对试验模型的动力特性进行了分析。针对试验设计的细节尤其是相似关系设计和模型土设计进行了重点介绍。基于Buckingham-π相似原理,通过量纲分析的方法得到了相似关系控制方程,并以此方程为基础推导得到了试验所需各物理量的动力相似关系;利用锯末和砂按照一定比例混合配制模型土,通过一系列室内动三轴试验研究了模型土与原状土动力的特性,找到了动力特性与原状土相匹配的模型土;根据实际工程的场地状况和振动台试验设备的要求,设计并制作了长、宽、高分别为4.5,4.0,1.2 m的刚性模型箱。通过振动台试验研究了输入不同频谱、峰值加速度和频率相似比地震波的变坡度场地地震响应差异,探讨了边坡的动力响应规律。试验验证了模型箱边界效应,边界处土体的加速度响应与中间处土体基本一致,并与其他试验结果进行了对比。结果表明:土体对输入的地震波具有明显的放大作用;不同频谱地震波作用下,边坡坡面的加速度响应具有明显的差异;不同地震动峰值加速度输入条件下,峰值加速度(PGA)放大系数沿坡面分布规律基本一致;不同频率的地震波作用下,变坡度PGA放大系数随频率相似比的增大而增大。
  • 袁勇, 禹海涛, 燕晓, 徐国平, 苏权科
    中国公路学报. 2016, 29(12): 157-165.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    为研究非一致地震激励下沉管隧道的响应,以在建的港珠澳大桥沉管隧道为背景,基于由4台面振动台组成的线状多功能试验系统,开展了超长沉管隧道的多点振动台模型试验。鉴于超长沉管隧道工程规模和多点振动台试验系统的能力,研究了试验所需土与结构动力相似比关系,设计并制作了节段式模型箱,用于模拟沿隧道轴向的非一致地震动输入。该模型箱由4个主动箱和8个随动箱组成,总长40 m。通过开展离散多点非一致激励空箱振动台试验,验证了通过节段式模型箱将离散多点输入机制转化为连续多点输入机制的可行性。基于室内动三轴试验,测试并确定了最优模型土的配制方案。综合结构惯性力和土-结构相对刚度比的相似分析,通过多种材料比选,最终选用铝合金浇铸件加工模型隧道。试验采用的隧道节段模型尺寸(长×宽×高)为600 mm×375 mm×170 mm,总共98个,隧道模型总长达36.75 m。选用与橡胶力学性质相似的硅胶条模拟隧道管节接头的GINA橡胶止水带。通过一系列工况的多点振动台试验模拟,系统获得了沉管隧道模型的非一致激励地震响应规律。通过多工况试验数据分析,分别得到了场地、隧道管节的加速度和隧道管节接头的变化情况,结构纵向加速度响应数据表明行波效应明显。试验结果表明:在常规设计地震(ODE),最大设计地震(MDE)和罕遇设计地震(RDE)的地震强度下,管节接头的变形量均小于允许值,说明隧道结构处于安全状态。
  • 禹海涛, 李翀, 袁勇, 柴瑞, 刘洪洲
    中国公路学报. 2016, 29(12): 166-174.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    目前非一致激励下长隧道的抗震研究仅限于理论解析或数值分析,缺乏有效的试验或现场数据验证,而试验技术难点在于如何利用多个离散振动台面来近似模拟实际的连续多点非一致地震激励作用。针对此问题,基于大型线阵协同工作的4个独立振动台,研发了一种用于模拟长隧道多点振动台试验的节段式模型箱,不仅用于承载模型土和模型隧道,而且可以实现离散多点振动台输入到连续非一致输入的等效转换。节段式模型箱研发的挑战在于模型箱尺寸和连接接头的设计,优化目标是使随动箱的加速度响应峰值和主频与主动箱一致,而各箱体之间有合理的时间延迟来反映沿模型箱纵向的行波效应。通过多工况的解析解和数值分析,最终确定了该节段式模型的最优化尺寸为40 m×4.5 m×1.2 m (长×宽×高)以及各箱体间的连接方式(弹性铰接)。最后通过开展一系列的多点振动台空箱试验,研究了节段式模型箱沿纵向传播的非一致地震激励效应。试验结果表明:该节段式模型箱可以有效实现从4个独立振动台面输入到连续多点非一致地震激励的等效转换,真实再现地震动的空间变化特性,从而验证了该模型箱用于长隧道多点振动台试验的可行性。研究成果可为长隧道多点振动台试验模拟提供参考依据。
  • 目录
  • 中国公路学报. 2016, 29(12): 174-174.
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏