盾構(gòu)隧道錯縫拼裝管片接頭有限元模擬

盾構(gòu)隧道錯縫拼裝管片接頭有限元模擬

在目前的坍塌開挖工程中，隧道涂層是一種地下結(jié)構(gòu)，由幾個拱形管通過環(huán)連接形成環(huán)，每個環(huán)通過垂直連接形成一個地下結(jié)構(gòu)。目前人們面對的最大難題也就是管片接頭的處理方法。目前,在如何評價接頭部分的剛度降低問題上主要形成了五種理論計算法:慣用計算法;修正慣用計算法;多鉸環(huán)計算法;梁-彈簧模型計算法;殼-彈簧模型計算法。盾構(gòu)工法中,襯砌管片的投資一般占工程投資的30%~40%,安全合理地進行盾構(gòu)管片設(shè)計具有重大的意義,合理的計算襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力是進行盾構(gòu)管片設(shè)計的重要手段。目前對管片接頭連接效果的確定主要以試驗結(jié)果為基礎(chǔ)或憑借工程經(jīng)驗確定,具有較大的隨意性和不確定性。針對以上存在的不足,本文基于殼-彈簧模型下,采用合理簡化管片因素的方法,提出了一種可以有效計算盾構(gòu)管片錯縫拼裝時管片內(nèi)力的有限元模型。1彈簧管的理論和方法1.1錯縫接頭型式盾構(gòu)隧道襯砌是在盾構(gòu)機盾尾拼裝而成的,在襯砌隧道的軸向上,當各環(huán)管片間拼裝縫沒有錯開而形成縱向通縫,即為通縫接頭型式,如圖1(a)所示;如果各環(huán)管片間拼裝縫錯開使得縱向不能形成通縫,這樣環(huán)與環(huán)之間存在一定的添接(縱向)加強作用,此時為錯縫接頭型式,如圖1(b)所示。目前盾構(gòu)管片多采用錯縫拼裝方式。1.2旋轉(zhuǎn)彈簧和剪切彈簧目前工程界提出的殼―彈簧系統(tǒng)模型是如此模擬管片的力學(xué)性態(tài)的:將管片的主截面模擬成殼;將管片間接頭模擬成旋轉(zhuǎn)彈簧;將管片環(huán)間接頭模擬成剪切彈簧;將地基與管片環(huán)之間的相互作用以地基彈簧表示,如圖2。該模型既反映隧道襯砌的橫向結(jié)構(gòu)性能,包括管片斷面邊緣彎曲應(yīng)力集中(局部添接效應(yīng)),又反映隧道襯砌的縱向結(jié)構(gòu)性能。2建設(shè)一門振動管的簡化和有限模型2.1接頭等效處理錯縫拼裝的管片是一個空間的組合結(jié)構(gòu),每個拼裝循環(huán)內(nèi)的襯砌的受力問題是一個三維空間的受力問題,既有宏觀整體上的受力特征,又有接頭的受力特征,其接頭的受力上不可避免地要涉及到接觸問題。接觸是一種分析起來比較困難的單元狀態(tài)非線性問題,要涉及重復(fù)疊代計算。因此本文在研究分析單個拼裝循環(huán)時,將對管片接頭和管片環(huán)接頭進行等效處理。處理方法如下:現(xiàn)代的管片襯砌基本采用鋼筋混凝土材料,于是采用剛度下降的鋼筋混凝土區(qū)域來模擬接頭部分區(qū)域。在驗證了此方法的合理性后,可以認為此種處理方法巧妙的避開了接觸問題,節(jié)省了很多的計算機資源和人力,具有較大的可取之處。2.2旋轉(zhuǎn)彈簧振動分析文章采用了接頭部分區(qū)域鋼筋混凝土剛度下降的方法來模擬接頭,文章綜合考慮了各種情況,在ANSYS建模中,對管片模型尺寸作如下的取值:長×寬×厚=6000mm×1200mm×300mm?；诖四Ｐ统叽?介紹本文中的接頭等效處理方法,并且最終驗證了此等效方法的可行性。(1)管片接頭部分:此部分是一個比較小的區(qū)域,按適當?shù)谋壤?本文中將等效于管片接頭部分的鋼筋混凝土塊沿圓周方向的長度取為8mm。據(jù)相應(yīng)文獻~,取旋轉(zhuǎn)彈簧轉(zhuǎn)動剛度Kθ=3.4×105kN·m/rad。因管片接頭將主要在彎矩的作用下發(fā)生變形,變形等效于懸臂梁,懸臂梁形式見圖3(a),梁的截面形式見圖3(b),懸臂梁L=0.004m,矩形截面B×H=1.2m×0.3m,根據(jù)相應(yīng)力學(xué)公式,可得到E1=5.03×109Pa。(2)管片環(huán)接頭部分:考慮管片環(huán)接頭部分為一個較小區(qū)域,將等效于管片環(huán)接頭部分的鋼筋混凝土塊長度取為40mm,將徑向剪切彈簧剪切剛度Kn和切向剪切彈簧剪切剛度Ks值定為相同,Kn=Ks=5.0×104kN/m。管片環(huán)接頭在剪力的作用下發(fā)生彎曲變形和剪切變形,將發(fā)生變形的部分鋼筋混凝土環(huán)等效為一個懸臂梁,懸臂梁形式見圖3(a),梁的截面形式見圖3(c),懸臂梁L=0.02m,截面為一個圓環(huán),內(nèi)徑r=2.7m,外徑R=3.0m。根據(jù)相應(yīng)材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)靜力公式:可得到E2=2.63×103Pa。(3)地基抗力部分:采用彈簧是來表示地基的徑向和切向抗力。切向抗力比較弱,起主要作用的為徑向抗力,地基抗力系數(shù)K一般取值為5000kN/m[3、5~7]。本文采用了LINK10單元來模擬地基彈簧,并對LINK10單元的實常數(shù)設(shè)置如下:L=0.5m,A=0.01m2。對應(yīng)管片受力分析有限元模型沿圓周方向三十六等分,沿寬度方向十等分,現(xiàn)于圓環(huán)面上的每個節(jié)點上設(shè)立一根L=0.5m長的彈簧。根據(jù)相應(yīng)公式,可得E3=1.58×107Pa。2.3接觸模型的建立在本文的模型的建立過程中,采用SHELL63單元模擬鋼筋混凝土管片的各個部分;采用LINK10桿單元模擬管片受到的約束,桿單元只能受壓不能受拉。本文建立了通縫和錯縫兩種計算模型,通縫情況下只需建立一個管片環(huán)模型;錯縫情況下則建立了以兩個管片環(huán)為拼裝循環(huán)的計算模型。本文建立的有限元計算模型如圖4,通過此模型,設(shè)定相關(guān)的計算參數(shù),則可進行彎矩提高率ξ值的確定。3旋轉(zhuǎn)彈簧轉(zhuǎn)動剛度計算在本文分析管片襯砌內(nèi)力中,考慮到管片襯砌受到水土壓力、自重、地層反力以及地面負載等的作用。本文分析中目的是確定管片彎矩提高率,由于彎矩提高率是一個相對值,故在本文中,對作用在管片上的荷載也做了對應(yīng)的簡化。本文對作用在管片上的均布荷載取值如下:W1=W2=200kPa,q1=120kPa,q2=200kPa。確定了管片的模型和作用在管片上的荷載系統(tǒng),并且設(shè)定相關(guān)參數(shù)之后,則可以通過ANSYS計算得到管片的內(nèi)力。為了保證所建模型的合理性,本文計算了通縫條件下旋轉(zhuǎn)彈簧轉(zhuǎn)動剛度Kθ=3.4×104kN·m/rad條件下管片的彎矩和軸力,該旋轉(zhuǎn)彈簧轉(zhuǎn)動剛度是目前盾構(gòu)管片設(shè)計時常用的數(shù)值,計算結(jié)果如圖5所示。同時根據(jù)文獻中的慣用計算法的計算公式計算管片彎矩和軸力,計算結(jié)果如圖6所示。對比兩種計算結(jié)果,軸力基本一致,彎矩最大相差8.5%,這主要是由于修正慣用計算法只在拱腰部分考慮了隧道圍巖(土層)的彈性抗力,而在襯砌底部沒有考慮。而本文設(shè)計采用全周地基彈簧的荷載系統(tǒng),考慮隧道全周圍巖(土層)彈性抗力。以上結(jié)果可以說明本文中建立的有限元計算模型及其簡化是合理的。進而本文計算了多種管片接頭剛度情況下的管片內(nèi)力,得到了各種符合管片受力規(guī)律的結(jié)果,進一步證明了該模型及其簡化的合理性,由于篇幅有限,不再列舉敘述。管片內(nèi)力數(shù)值分析中,同時發(fā)現(xiàn)在錯縫情況下,作用在管片上的彎矩存在一個傳遞過程,管片的彎矩值從兩管片環(huán)的接頭處依次向相反的兩邊緣方向下降,管片接頭邊緣處管片體受到的由于錯縫引起的添接作用最強,并且該現(xiàn)象在管片接頭剛度比較小的情況下尤為明顯,如圖7。該現(xiàn)象說明了殼―彈簧系統(tǒng)模型管片斷面邊緣存在彎曲應(yīng)力集中(局部添接效應(yīng))。由于梁-彈簧系統(tǒng)模型將管片的主截面模擬成梁,反應(yīng)不了此現(xiàn)象,故在此點上殼―彈簧系統(tǒng)模型較梁―彈簧系統(tǒng)模型更為真實的反映了管片實際受力狀況。4正演算法的合理性(1)由于錯縫拼裝的管片襯砌的受力問題是一個三維空間的受力問題,其接頭的受力不可避免地要涉及到接觸問題。本文基于殼-彈簧模型下,經(jīng)過對管片接頭進行合理的等效簡化處理,即采用剛度下降的鋼筋混凝土區(qū)域來模擬接頭部分,可以合理地避免接觸問題,同時可用于確定盾構(gòu)管片錯縫拼裝時彎矩提高率。(2)通過盾構(gòu)管片有限元簡化模型,由ANSYS計算得到的目前常用接頭參數(shù)(旋轉(zhuǎn)彈簧轉(zhuǎn)動剛度Kθ=3.4×104kN·m/rad)下的管片內(nèi)力,它們與相關(guān)文獻修正慣用法計算公式的結(jié)果相比較,誤差范圍處于9%以內(nèi),這主要時因為兩種計算方法對地層抗力的考慮不同