管片接頭轉(zhuǎn)動剛度的一般變化規(guī)律

管片接頭轉(zhuǎn)動剛度的一般變化規(guī)律

1接頭力學模型的建立在軟土層中，隧道的形狀是由幾個預制管制成的。管道之間可以制作不同形狀的連接，并通過螺釘連接。圖1所示是上海地鐵2#線所用管片的縱向接頭形式。工程經(jīng)驗表明，管片接頭(以下簡稱接頭)的剪切剛度和軸向剛度對于結(jié)構(gòu)受力的影響很小，在計算中通常忽略，而接頭的轉(zhuǎn)動剛度Kè卻對隧道結(jié)構(gòu)的受力性狀的影響極為敏感，因此，Kè一直是工程界備受關(guān)注及爭論的焦點問題?？紤]盾構(gòu)法隧道接頭影響的計算模型中，對于接頭的處理，較早是采用襯砌結(jié)構(gòu)剛度均勻分布的連接襯砌環(huán)梁單元模型，即通常所說的慣用設(shè)計法。目前，普遍采用梁-彈簧模型來模擬其力學性態(tài)。但是梁-彈簧模型不能直接和精確地得到接頭的內(nèi)力和張開位移。鑒于此，近來同濟大學朱合華教授提出了梁-接頭模型。考慮了接頭的非對稱特征以及受力的非線性特征，在實驗的基礎(chǔ)上提出了接頭轉(zhuǎn)動剛度的表達式，但表達式中的一些參數(shù)仍需進行針對性實驗。對此，人們做過模型實驗和足尺實驗以探求Kè的取值問題。文通過實驗認為轉(zhuǎn)角è與接頭彎矩之間不呈線形關(guān)系，建議實際工程中接頭轉(zhuǎn)動剛度的取值范圍為1000～10000kN·m/rad。盡管人們可以采取實驗的方法，但由于不可能模擬各種管片厚度以及接頭的構(gòu)造形式，加之實驗經(jīng)費等原因，因此，從理論上先行對這一問題進行探討是很有必要的。文將接頭簡化為一對稱結(jié)構(gòu)模型，從理論上探討了Kè的變化，但這一模型并不能真實反映圖1所示接頭的非對稱構(gòu)造形式，且不能模擬接頭外緣混凝土接觸而導致擠壓破壞的情形。文基于以上考慮，針對圖1接頭形式建立了圖2所示的接頭力學模型。圖中C0,C1,C2,Bolt分別代表接頭外緣混凝土、彈性密封墊、受力襯墊以及聯(lián)結(jié)螺栓。該模型除了能夠模擬接頭的構(gòu)造形式之外，還能夠反映接頭在任一組合力(接頭彎矩、軸力、聯(lián)結(jié)螺栓預應力)下的受力及變形性狀。2接頭轉(zhuǎn)動剛度根據(jù)圖2力學模型編寫程序進行分析，計算參數(shù)采用目前上海地鐵隧道管片及其接頭的相關(guān)參數(shù)。計算中將聯(lián)結(jié)螺栓預應力以及接頭作用軸力1次施加完畢，而對彎矩則采用增量法施加。根據(jù)接頭作用的軸力以及聯(lián)結(jié)螺栓預應力，采用靜力平衡法求出彈性密封墊以及受力襯墊上的作用力，再根據(jù)襯墊材料的應力-應變關(guān)系求出當前力作用下彈性密封墊以及受力襯墊的彈性模量值，并將其作為在隨后施加增量彎矩計算接頭變形時的初始值，參與迭代計算過程。取聯(lián)結(jié)螺栓預應力為20,60,100kN，接頭作用軸力為500kN，接頭作用彎矩為-100～+100kN·m時的計算結(jié)果如圖3所示。通過圖示可以直觀地看出，在相同作用軸力及聯(lián)結(jié)螺栓預應力的條件下，接頭負彎矩下轉(zhuǎn)動剛度要比同等條件下正彎矩下轉(zhuǎn)動剛度要低。隨接頭彎矩絕對值的增大，接頭轉(zhuǎn)動剛度降低，且趨于穩(wěn)定。接頭作用軸力及聯(lián)結(jié)螺栓預應力對接頭的轉(zhuǎn)角都有一定的抑制作用，二者都會使接頭的正、負彎矩下轉(zhuǎn)動剛度值增加，當彎矩增加到相當大值后，由于聯(lián)結(jié)螺栓本身的應變也已經(jīng)較大，它對接頭轉(zhuǎn)角的抑制作用與彎矩對轉(zhuǎn)角擴展作用相比已微不足道了，但應當關(guān)注接頭軸力對接頭轉(zhuǎn)動剛度的影響。表1中列出了在幾種荷載工況下接頭轉(zhuǎn)動剛度計算值。從表1中可以看出，負彎矩下轉(zhuǎn)動剛度與正彎矩下轉(zhuǎn)動剛度之比為0.3～0.45，正、負彎矩下轉(zhuǎn)動剛度取值分別為2200～5500kN·m/rad及560～2500kN·m/rad，接頭軸力為200kN時取下限值，接頭軸力為900kN時取上限值。另外，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，隨著接頭軸力的變化，正彎矩下轉(zhuǎn)動剛度與負彎矩下轉(zhuǎn)動剛度均呈線性變化。因此，當接頭作用軸力為200～900kN時，可以通過線性插值法來得出正、負彎矩下轉(zhuǎn)動剛度。3由于導管厚度和連接螺釘位置的變化，影響閉合旋轉(zhuǎn)可靠性的因素3.1管片厚度對轉(zhuǎn)動剛度的影響在給定了地鐵隧道埋深后，管片的合理厚度應當考慮地層特性、水土壓力、管片厚度與接頭受力及防水性能的相互關(guān)系等。其中，管片厚度與接頭轉(zhuǎn)動剛度的關(guān)系是一個重要問題，可通過掌握管片厚度變化后在相同接頭作用力下轉(zhuǎn)動剛度的變化規(guī)律來了解接頭的力學及防水性能的變化?，F(xiàn)以上海地鐵現(xiàn)行設(shè)計350mm厚管片的構(gòu)造形式為基礎(chǔ)，按比例將管片厚度減薄，通過本文建立的模型及相應的程序計算分析管片厚度變化會對接頭轉(zhuǎn)動剛度的影響。以350mm厚管片的正彎矩下轉(zhuǎn)動剛度為參照，則管片厚度減薄后的轉(zhuǎn)動剛度降低百分比經(jīng)計算如圖4所示。從圖中可以看出4種工況下管片厚度與接頭正彎矩下轉(zhuǎn)動剛度降低百分比的關(guān)系。在接頭承受負彎矩時，經(jīng)計算可以看出，當管片厚度由350mm降至320mm時，接頭負彎矩下轉(zhuǎn)動剛度由1366.8kN·m/rad下降至1064.3kN·m/rad，降低了22%；對比之下，相應正彎矩下轉(zhuǎn)動剛度由3619kN·m/rad下降至2936.6kN·m/rad，降低了18.9%。由此可見，管片厚度的減小對于負彎矩下轉(zhuǎn)動剛度的影響更大一些。由此可以推斷，管片厚度的降低將使得正、負彎矩下轉(zhuǎn)動剛度之差值更大，這對于接頭的力學及防水性能是不利的。3.2串聯(lián)螺栓位置的影響減小管片厚度帶來的正、負彎矩下轉(zhuǎn)動剛度值差距拉大的主要原因是，在接頭的構(gòu)造上，聯(lián)結(jié)螺栓處在一種偏心位置。這種偏心越大，聯(lián)結(jié)螺栓作用力臂越短，則負彎矩下轉(zhuǎn)動剛度越小，因此，可以考慮適當將聯(lián)結(jié)螺栓位置向管片厚度中心靠近一些，通過增大接頭負彎矩作用時的力臂以增大負彎矩下轉(zhuǎn)動剛度，從而減小正、負彎矩下轉(zhuǎn)動剛度值之差距。在此以原設(shè)計管片厚度350mm、聯(lián)結(jié)螺栓距離接頭厚度中心55mm為基礎(chǔ)，將聯(lián)結(jié)螺栓與管片中心的距離減小為50,45,40,35,30mm等幾種情況來研究聯(lián)結(jié)螺栓位置變化對接頭轉(zhuǎn)動剛度影響的程度。正彎矩下聯(lián)結(jié)螺栓位置變化對接頭轉(zhuǎn)動剛度的影響如圖5(a)所示。隨著聯(lián)結(jié)螺栓與接頭中心的距離越近，正彎矩下轉(zhuǎn)動剛度隨彎矩變化的速率越快，非線性衰減規(guī)律越明顯。由于變化速率的不同，在接頭正彎矩下轉(zhuǎn)動剛度與聯(lián)結(jié)螺栓位置變化的關(guān)系上存在一彎矩下轉(zhuǎn)折點(圖5(a)中為46kN·m)，這就使得正彎矩下轉(zhuǎn)動剛度依接頭承受力的不同而變化復雜。接頭正彎矩下轉(zhuǎn)動剛度隨螺栓位置的變化規(guī)律依賴于接頭所承受的荷載水平。圖5(b)為接頭作用與圖5(a)相同的聯(lián)結(jié)螺栓預應力及軸力時不同的螺栓位置下接頭轉(zhuǎn)動剛度隨負彎矩的變化情形。從圖中可以看出，當聯(lián)結(jié)螺栓的位置距離接頭中心越近，則負彎矩下轉(zhuǎn)動剛度隨著彎矩變化而降低的速率越小，這一點與正彎矩作用時是完全相反的。由于變化速率的不同，負彎矩下轉(zhuǎn)動剛度與聯(lián)結(jié)螺栓位置的關(guān)系上也同樣存在一個彎矩轉(zhuǎn)折點。由于彎矩轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在負彎矩絕對值相對較小的情況下，而實際工程接頭設(shè)計的彎矩值要比該值大，一般情況下總會表現(xiàn)為聯(lián)結(jié)螺栓距離接頭中心越近，負彎矩下轉(zhuǎn)動剛度越大的情況。例如，當管片厚度為350mm，接頭作用軸力為500kN、聯(lián)結(jié)螺栓預應力為60kN時，相關(guān)計算值列于表2。從表2提供的數(shù)值可以看出，隨著聯(lián)結(jié)螺栓位置向接頭中心的推進，負彎矩下轉(zhuǎn)動剛度與正彎矩下轉(zhuǎn)動剛度之比值在逐漸增大。這說明二者之間的差值在縮小，這對于改善接頭在承受負彎矩這一不利工況時的性能是有利的。4串聯(lián)螺栓對接頭振動的影響通過以上計算分析，可以得出以下結(jié)論：(1)對于給定的管片厚度以及接頭構(gòu)造，接頭的轉(zhuǎn)動剛度值是接頭作用力水平的函數(shù)。接頭作用軸力及聯(lián)結(jié)螺栓預應力對接頭的轉(zhuǎn)角都有一定的抑制作用，二者都使得接頭的轉(zhuǎn)動剛度值增大，但聯(lián)結(jié)螺栓的影響程度明顯低于增加接頭作用軸力時的情形。(2)負彎矩下轉(zhuǎn)動剛度與正彎矩下轉(zhuǎn)動剛度之比值為0.3～0.45。正彎矩下轉(zhuǎn)動剛度取值為2200～5500kN·m/rad，負彎矩下轉(zhuǎn)動剛度取值為500～2500kN·m/rad。(3)管片厚度的減小將導致接頭正、負彎矩下轉(zhuǎn)