盾構(gòu)隧道管片襯砌的力學(xué)模式分析

盾構(gòu)隧道管片襯砌的力學(xué)模式分析

1管片襯砌力學(xué)模型國外，基于對每根導(dǎo)線的閉合力學(xué)處理方法，橋梁探測管的力學(xué)分析主要包括直接環(huán)、均勻環(huán)形和梁-彈簧模型，如圖1所示。鉸接圓環(huán),即將管片接頭簡化成理想的鉸,不考慮其承受彎矩的能力;適用于通縫拼裝的管片襯砌和圍巖條件比較良好的的情況,在英國和前蘇聯(lián)用的較多。勻質(zhì)圓環(huán)法,即將管片接頭截面視為與管片截面具有同樣的抗彎剛度,整體圓環(huán)剛度不折減,為EI;或者將整體圓環(huán)剛度折減,為ηEI,剛度折減系數(shù)η<1;此法在世界各國都有使用。梁—彈簧模型法,即直接考慮接頭的抗彎剛度,將管片截面簡化為曲梁或直梁、將管片塊間接頭考慮為旋轉(zhuǎn)彈簧、管片環(huán)間接頭考慮為剪切彈簧(切向和法向),此法能夠真實(shí)地反映管片襯砌的力學(xué)行為,在日本等國用得較多。我國在進(jìn)行盾構(gòu)隧道管片襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算分析時(shí),主要采用的是鉸接圓環(huán)和勻質(zhì)圓環(huán),用這兩種模式分析計(jì)算的結(jié)果直接用于管片的配鋼筋計(jì)算,是否安全可靠,在此以某地鐵工程為工程對象,在不同的拼裝方式下,采用三種不同的力學(xué)模式進(jìn)行了管片襯砌的分析計(jì)算和比較,得出了用于管片襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算的合理力學(xué)模式。2地質(zhì)條件和管架幾何參數(shù)2.1粘土土層的厚度計(jì)算點(diǎn)選擇在某地鐵工程中盾構(gòu)隧道穿過的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土土層,埋深為10m,上覆土體自重采用各土層按層厚加權(quán)的平均值。計(jì)算所需參數(shù)根據(jù)地質(zhì)報(bào)告確定,見表1示。2.2縱向管片拼裝法管片襯砌分成6塊,封頂塊(K)22.5°,其余5塊均為67.5°,縱向接頭為16處,按22.5°等角度布置。管片在縱向可實(shí)現(xiàn)通縫和錯(cuò)縫兩種方式拼裝(偏轉(zhuǎn)角為22.5°的倍數(shù))。主要尺寸為:外半徑R1=3.00m、內(nèi)半徑R3=2.70m、軸線半徑R2=2.85m、每環(huán)幅寬B=1.0m、厚度h=0.3m。3計(jì)算的元算3.1管片襯砌結(jié)構(gòu)重完全作用的數(shù)值計(jì)算采用荷載-結(jié)構(gòu)模式對管片襯砌進(jìn)行力學(xué)計(jì)算分析,見圖2示。根據(jù)地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,故計(jì)算荷載按水土壓合算的方式考慮。其中,豎向荷載W1為隧道上方土體的自重γH(γ為濕容重)和地面超載P0之和,側(cè)向荷載q1和q2為相應(yīng)處豎向荷載乘以側(cè)壓力系數(shù)λ,隧道底部的豎向反力W2為豎向荷載W1與隧道自重Wg之和。偏于安全將上覆土體自重完全作用在管片襯砌結(jié)構(gòu)上進(jìn)行計(jì)算分析。襯砌圓環(huán)與周圍土體的相互作用通過設(shè)置在襯砌全環(huán)的徑向彈簧單元和切向彈簧單元來體現(xiàn)。徑向彈簧單元只能受壓,受拉時(shí)將自動脫離,計(jì)算中用反復(fù)迭代的計(jì)算方法來實(shí)現(xiàn)這一情況,彈簧單元的剛度由襯砌周圍土體的地基抗力系數(shù)(見表1)決定。在一襯砌圓環(huán)內(nèi),用曲梁單元模擬管片的實(shí)際狀況,用接頭抗彎剛度Kθ來體現(xiàn)環(huán)向接頭的實(shí)際抗彎剛度。為錯(cuò)縫式拼裝時(shí),因縱向接頭將引起襯砌圓環(huán)間的相互咬合作用,此時(shí)根據(jù)錯(cuò)縫拼裝方式,除考慮計(jì)算對象的襯砌圓環(huán)外,將對其有影響的前后的襯砌圓環(huán)也作為計(jì)算對象,采用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,并用圓環(huán)徑向抗剪剛度Kr和切向抗剪剛度Kt來體現(xiàn)縱向接頭的環(huán)間傳力效果。輸入?yún)?shù)如下:管片塊間接頭正彎曲轉(zhuǎn)動剛度為3.5×104kN·m/rad,負(fù)彎曲轉(zhuǎn)動剛度為8.5×103kN·m/rad,軸向拉壓剛度為1.1×104kN/m,剪切剛度為2.2×104kN/m;環(huán)間接頭螺栓的法向和徑向剪切剛度為4.0×104kN/m;地層彈簧系數(shù),法向剛度為2.0×104kN/m,切向剛度為1.0×104kN/m;管片襯砌容重為25kN/m3。3.2最大彎矩及變形管片襯砌結(jié)構(gòu)按三種力學(xué)模式進(jìn)行模擬計(jì)算,共分成11組,見表2所示。其最大彎矩及其相應(yīng)軸力、最大剪力和最大變形也見表2;管片襯砌不同力學(xué)計(jì)算模式下的彎矩圖見圖3所示。4梁—計(jì)算結(jié)果分析由表2可知:管片襯砌同是通縫拼裝時(shí),彎矩和剪力值,鉸接圓環(huán)最小、勻質(zhì)圓環(huán)最大、而采用梁—彈簧模型計(jì)算的介于鉸接圓環(huán)和勻質(zhì)圓環(huán)之間;相反相應(yīng)軸力和變形量是鉸接圓環(huán)最大、勻質(zhì)圓環(huán)最小、而采用梁—彈簧模型計(jì)算的介于鉸接圓環(huán)和勻質(zhì)圓環(huán)之間。由圖3可看出:采用鉸接圓環(huán)進(jìn)行計(jì)算的彎矩圖上,環(huán)向接頭處的彎矩為0;而采用勻質(zhì)圓環(huán)計(jì)算的彎矩圖上,環(huán)向接頭處的彎矩卻很大;采用梁—彈簧模型計(jì)算的彎矩圖上,環(huán)向接頭處的彎矩有所減小。說明內(nèi)力和變形的差異主要是由于環(huán)向接頭的抗彎剛度選取的大小決定的。不計(jì)鉸接圓環(huán)環(huán)向接頭的抗彎剛度,因此其變形最大。而勻質(zhì)圓環(huán)環(huán)向接頭的抗彎剛度取值最大,因此變形最小。梁—彈簧模型環(huán)環(huán)向接頭的抗彎剛度適中,因此變形也介于鉸接圓環(huán)和勻質(zhì)圓環(huán)之間。由表2也可知道,同是采用梁—彈簧模型進(jìn)行的計(jì)算,但拼裝方式不同,其內(nèi)力值也有很大差異。通縫拼裝時(shí)的彎矩和剪力值最小,而相應(yīng)軸力和變形量最大。同是三環(huán)一組錯(cuò)縫拼裝,一、三環(huán)的彎矩值就比二環(huán)的要大,相應(yīng)軸力、剪力和變形量要小。這是因?yàn)镵塊的位置偏離了出現(xiàn)最大彎矩的拱頂處,而讓鄰接塊轉(zhuǎn)到了拱頂處,環(huán)向接頭離拱頂處遠(yuǎn)了,對它的彎矩減小的影響就小了。由表2還可看出,同是采用勻質(zhì)圓環(huán)進(jìn)行的通縫計(jì)算,隨著整體剛度折減系數(shù)η的減小,彎矩和剪力值最小,而相應(yīng)軸力和變形量最大。當(dāng)為錯(cuò)縫拼裝時(shí),其設(shè)計(jì)彎矩值要放大,即用計(jì)算值乘以(1+k),k為附加彎矩系數(shù)。從表2可知道:整體剛度折減系數(shù)η為0.5左右;附加彎矩系數(shù)為0.45左右。根據(jù)日本對采用不同力學(xué)模式進(jìn)行管片襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算的件數(shù)和設(shè)計(jì)單位數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析,共統(tǒng)計(jì)了13家設(shè)計(jì)單位所設(shè)計(jì)的管片襯砌177件。其中將管片襯砌視為梁—彈簧模型法有84件,占47.5%,設(shè)計(jì)單位有7家;視為勻質(zhì)圓環(huán)并考慮整體剛度折減系數(shù)η的有51件,占28.8%,設(shè)計(jì)單位5家;視為鉸接圓環(huán)有42件,占23.7%,設(shè)計(jì)單位1家。尤其是隨著盾構(gòu)隧道的不斷修建,新的管片襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算越來越多地采用梁—彈簧模型法。梁—彈簧模型直接考慮接頭的抗彎剛度,能夠真實(shí)地模擬管片襯砌的力學(xué)行為,因此在我國盾構(gòu)隧道管片襯砌設(shè)計(jì)中,值得推廣應(yīng)用。5鉸接小孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和梁—結(jié)論本文通過不同拼裝方式下的管片襯砌結(jié)構(gòu)采用不同力學(xué)模式進(jìn)行的數(shù)值模擬分析計(jì)算,得出如下結(jié)論:①管片襯砌為通縫拼裝時(shí),彎矩和剪力值,鉸接圓環(huán)最小、勻質(zhì)圓環(huán)最大、而采用梁—彈簧模型計(jì)算的介于鉸接圓環(huán)和勻質(zhì)圓環(huán)之間;相反相應(yīng)軸力和變形量是鉸接圓環(huán)最大、勻質(zhì)圓環(huán)最小、而采用梁—彈簧模型計(jì)算的介于鉸接圓環(huán)和勻質(zhì)圓環(huán)之間;②采用梁—彈簧模型進(jìn)行的計(jì)算,但拼裝方式不同,其內(nèi)力值也有很大差異;通縫拼裝時(shí)的彎矩和剪力值最小,而相應(yīng)軸力和變形量最大;③采用勻質(zhì)圓環(huán)進(jìn)行的通縫拼裝下的計(jì)算,隨著整體剛度折減系數(shù)η的減小,彎矩和剪力值最小,而相應(yīng)軸力和變形量最大;整體剛度折減系數(shù)η為0.5左右;附加彎矩系數(shù)為0.4