大拱腳地鐵車站拱蓋結構開裂原因分析研究.pdf

1、隨著地面建筑和交通空間的日益飽和，城市地下空間的開發(fā)和利用逐步被人們重視，城市地鐵作為一項地下公共交通工程為緩解和解決地面交通壓力做出了極大的貢獻。經(jīng)過近150多年的發(fā)展，地鐵車站不斷刷新特大斷面的紀錄，大拱腳地鐵車站就是一種新型的特大斷面形式。地下工程長期處在一個相對封閉、地質環(huán)境復雜、高應力地區(qū)，任何微小的不確定因素的改變都會對結構的應力狀態(tài)產(chǎn)生較大影響，從而引起結構的開裂。
　　本文以斷裂力學為理論基礎，結合ABAQUS軟件

2、中的擴展有限元板塊分析大拱腳地鐵車站拱蓋結構在局部偏壓荷載、不均勻沉降、不同側壓力系數(shù)變化和拱蓋結構厚度變化幾種因素下結構的開裂、擴展及破壞時裂紋的分布位置及形態(tài)。
　　(1)文中將日本隧道襯砌模型試驗與利用ABAQUS擴展有限元法的數(shù)值模擬結果相對比，得出模擬結果與模型試驗的裂紋位置基本一致，充分論證了XFEM法模擬襯砌結構開裂的可行性和適用性，為模擬大拱腳拱蓋結構的開裂提供了理論依據(jù)。
　　(2)在局部偏壓作用下，拱蓋結

3、構產(chǎn)生的裂紋與破壞形態(tài)隨著偏壓范圍的變化而出現(xiàn)不一致的情況。局部偏壓范圍越大，結構越容易產(chǎn)生裂紋;結構起裂時首先在偏壓區(qū)域所對應的拱蓋結構內表面產(chǎn)生受彎張口型裂紋;裂紋面上部結構的環(huán)向位移大于下部的結構環(huán)向位移;同一荷載作用下結構的裂紋擴展速率隨著偏壓范圍的增大而加快;偏壓范圍較小時，隨著荷載的增加，偏壓范圍外側的結構混凝土被壓潰;偏壓范圍較大時，主要是以主裂縫的貫穿以及外側混凝土壓潰而破壞，此時，偏壓范圍上下外表面及左拱腳外表面會產(chǎn)生

4、拉裂紋區(qū);結構在偏壓角度一定的條件下，隨著縱向偏壓長度的增加，裂紋的擴展長度隨之增加，在空間形態(tài)上表現(xiàn)出兩端向拱頂微彎曲的現(xiàn)象。
　　(3)拱蓋結構產(chǎn)生橫向不均勻沉降時，結構首先在左拱腳外表面產(chǎn)生張拉裂紋，隨著沉降量的增加，裂紋逐漸貫穿，表現(xiàn)為壓剪裂紋，與此同時，左右拱腰外表面以及拱頂內表面產(chǎn)生拉裂紋區(qū)，且右拱腰外表面的裂紋區(qū)域比左拱腰的范圍大;產(chǎn)生縱向不均勻沉降時，起初沉降值較小，拱頂外表面產(chǎn)生對稱的雙裂紋，隨著沉降值的增大，拱

5、底沉降處產(chǎn)生豎向裂紋，主裂紋以接近45°擴展，擴展速度逐漸加快，達到破壞沉降時，結構沉降處表現(xiàn)出張拉裂紋，另一端表現(xiàn)出剪切破壞。
　　(4)不同側壓力系數(shù)結合拱蓋結構存在空洞產(chǎn)生的裂紋不同:當空洞位于拱頂區(qū)域時，隨著側壓力系數(shù)的增大，拱項空洞區(qū)外表面首先產(chǎn)生受彎張口型裂紋，結構接近破壞時，拱頂空洞區(qū)域、左右兩側拱腰內表面、拱腳外表面會產(chǎn)生拉裂紋區(qū);當空洞位于拱腰時，拱腰外表面混凝土首先會隨著側壓力系數(shù)的增大被擠出變形，出現(xiàn)“V”形

6、受彎張口型裂紋，隨著側壓力系數(shù)的繼續(xù)增大，空洞區(qū)外表面、左拱腰內表面、左拱腳外表面以及右拱腳內表面會產(chǎn)生拉裂紋區(qū)。
　　(5)隨著拱蓋結構厚度的增加，結構的起裂荷載逐漸增加，裂紋的擴展速度逐漸減緩。
　　(6)將數(shù)值模擬的裂紋以形態(tài)、位置等進行歸納分類:①拱蓋結構在受到偏壓及不同側壓力系數(shù)作用下首先產(chǎn)生受彎張口型裂紋，主要表現(xiàn)為縱向裂紋，隨著荷載的增大在環(huán)向迅速擴展;②縱向不均勻沉降主要產(chǎn)生斜向和環(huán)向裂紋，沉降處裂紋表現(xiàn)為受