復(fù)雜地層條件下鋼頂管在施工中的穩(wěn)定性研究.pdf

1、本文綜合采用理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬和案例分析方法，針對大直徑鋼頂管施工中的穩(wěn)定性問題，提出了基于一階剪切變形板理論和彈性地基的有限條分析方法，揭示了管土相互作用影響下鋼頂管的屈曲失穩(wěn)機理及不同縱向加勁肋形式對鋼頂管穩(wěn)定性的影響規(guī)律。應(yīng)用有限元法分析了環(huán)向加勁肋和正交加勁肋對鋼頂管穩(wěn)定性的影響規(guī)律及曲線鋼頂管的穩(wěn)定性，并結(jié)合工程實例提出了相應(yīng)的防治措施和加固建議。主要研究結(jié)果如下：
　?。?）提出了基于一階剪切變形板理論的軸壓圓柱殼屈曲

2、有限條法（FSM）分析方法，引入Pasternak彈性地基模型，基于能量法推導(dǎo)了考慮彈性地基作用的軸壓圓柱殼屈曲有限條法（FSM）解，編寫了相應(yīng)有限條法（FSM）Matlab程序，將本文推導(dǎo)的數(shù)值解與文獻中解析解進行對比，驗證了結(jié)果的合理性和可靠性。
　?。?）建立了考慮管土相互作用效應(yīng)的鋼頂管軸壓穩(wěn)定性分析模型，闡明了管土相互作用影響下鋼頂管的屈曲失穩(wěn)機理，總結(jié)了軸壓屈曲臨界荷載在不同鋼頂管幾何參數(shù)和不同彈性地基參數(shù)下的變化規(guī)律

3、，分析表明：Winkler地基中的鋼頂管模型，隨著地基反力系數(shù)（k）逐漸增大屈曲荷載有不同程度提升。Pasternak地基模型可以同時考慮地基的豎向壓縮和剪切變形，更接近實際工程條件，可模擬更為復(fù)雜的地層工況，隨著剪切模量（G）逐漸增大，屈曲荷載有不同程度提升，超大直徑長鋼頂管的荷載曲線最終均趨于收斂，整體屈曲很難發(fā)生。有限條法（FSM）程序仍是目前分析復(fù)雜彈性地基中不同鋼頂管軸壓屈曲工況的重要手段。
　?。?）建立了不同加勁肋形

4、式的鋼頂管穩(wěn)定性分析模型，基于有限條法（FSM）總結(jié)了不同截面形式和布置形式的縱向加勁肋對鋼頂管軸壓穩(wěn)定性的影響規(guī)律，基于有限元法（FEM）總結(jié)了環(huán)向加勁肋和正交加勁肋在不同布置形式和鋼頂管幾何參數(shù)條件下對鋼頂管軸壓穩(wěn)定性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：槽鋼比 T型鋼具有更好的抗彎扭性能，更適合作為鋼頂管的加勁肋。建議對大直徑鋼頂管用環(huán)向肋間距與管徑比 Is/d<2的環(huán)向肋進行加固；對施工過程或者修復(fù)已經(jīng)發(fā)生屈曲變形的超大直徑鋼頂管采用縱向肋和環(huán)

5、向肋組成的正交加勁肋進行加固，其中環(huán)向肋間距與管徑比Is/d≤1，4根縱向肋均布于管頂、管底和兩側(cè)。通過縱向肋和環(huán)向肋的共同作用，可以顯著提高鋼頂管在施工過程中的軸壓穩(wěn)定性。將上述分析應(yīng)用于實際工程，提出了合理屈曲防治措施并取得了良好的加固效果，驗證了本方法的有效性。
　?。?）建立了曲線鋼頂管穩(wěn)定性分析模型，基于有限元法（FEM）揭示了不同曲率半徑對鋼頂管軸壓穩(wěn)定性的影響規(guī)律，探討了正交加勁肋在曲線鋼頂管中的影響效果。分析表明：

6、曲線鋼頂管隨著曲率半徑的減小，屈曲臨界荷載出現(xiàn)明顯降低。曲率半徑的變化對大直徑的曲線鋼頂管軸壓屈曲臨界荷載影響較小，對超大直徑的曲線鋼頂管影響較大。正交加勁肋對大直徑的曲線鋼頂管軸壓屈曲臨界荷載增強較大，對超大直徑曲線鋼頂管效果有限。不同直徑的曲線鋼頂管中均發(fā)生了以局部屈曲模態(tài)為主還伴有整體屈曲模態(tài)的混合屈曲模態(tài)，和以整體屈曲為主并伴有一定程度局部屈曲的混合屈曲模態(tài)，局部屈曲和整體屈曲沒有明顯的界限，這種混合模態(tài)也將隨著曲率半徑增大逐漸