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地铁盾构隧道管片受力分析
发布日期:2017-07-04 00:06
地铁盾构隧道管片受力分析
 
摘  要: 盾构管片接头刚度系数一直是影响盾构管片设计计算结果正确性的直接影响因素。通过建立盾构管片及弯曲螺栓的三维非连续介质模型,以及设置合理的管片接头接触模型,消除了接头刚度系数对计算结果的影响。对盾构管片在实际荷载作用下的受力与变形情况进行研究。研究表明: 管片拱顶与拱底接头向内侧张开,两侧拱腰接头向外侧张开。非连续介质模型中,盾构管片的分块拼装形式以及管片间连接螺栓单元的设置改变了管片环的整体刚度,管片接头附近出现了不均匀的波浪形云图。相对于惯用法模型,三维非连续介质模型的轴力值在接头处有明显突变,并且其最大正弯矩值小于惯用法模型计算结果。两种计算方法得出的最大负弯矩值相差不大,本次研究取得的成果对盾构管片设计工作有一定的参考价值。
关键词: 盾构隧道; 三维非连续介质模型; 变形分析; 内力分析
 
      目前,盾构管片常用的设计方法是以连续介质力学为基础的计算方法。但是,由于盾构管片采用装配式的安装方式,盾构管片应当视为不连续的变形体1。在盾构管片的弹性铰模型、梁-弹簧模型和壳-弹簧模型中,接头刚度的取值会对设计结果产生直接影响。众多学者2-6通过实验方法或模拟计算方法对盾构管片的接头刚度进行了系统研究。学者们的研究均无法得出较为统一的盾构管片接头刚度系数,因此使得盾构管片的计算结果由于接头刚度系数的不同而略有差别。如果能够合理的建立盾构管片接头之间的相互作用关系,则可以消除接头刚度系数对计算结果产生的影响。
      本文以苏州地铁一号线的某盾构隧道区间为研究背景,建立盾构管片及弯曲螺栓的三维非连续介质模型,并在管片接头设置相应的接触关系,对盾构管片的变形与受力进行分析研究。
 
1 研究背景
      以苏州地铁一号线的某盾构隧道区间的地层条件为工程背景进行相关研究。隧道埋深 10. 815m,隧道断面所在土层为粉砂土层。隧道所在地面左侧为一河道,右侧为 5 层高办公楼,正上方为交通主干道。
      盾构管片采用单层装配式钢筋混凝土预制管片,外径 6. 2m,幅宽 1. 2m,厚 0. 35m。管片由 3 块标准管片( A1、A2、A3 型) ,2 块邻接管片( B1、B2 型) ,1 块封顶管片( K 型) 组成。隧道管片采用 22. 5°错缝拼装。隧道管片共设 12 个环向螺栓与 16 个纵向连接螺栓,螺栓均为弯曲螺栓。管片混凝土强度等级为 C50,主筋采用 HRB335 级钢筋,螺栓强度等级为 5. 8。
 
2 计算模型介绍
      通常盾构隧道有限元模拟中,采用 Mooney-Rivlin一阶本构模型6对三元乙丙橡胶密封垫材料进行模拟。但是,在实际情况中7,密封垫的变形特性与受力特性均较为复杂,管片拼装块接缝之间存在典型的非线性特性。本文模型中管片拼装块接缝间切向设置摩擦系数为0. 83[7的 coulomb 接触摩擦模型。管片拼装块接缝间法向设置硬接触,表示两个表面只有在压紧状态时才能传递法向压力 P ,两个表面之间有间隙时不传递法向应力。
      本文模型中,建立弯曲螺栓单元连接各拼装块。考虑到螺栓与拼装块螺栓孔之间 3 ~5mm[8的差距以及螺栓孔内的塑料套筒层,在本文模型中在拼装块螺栓孔内设置 5mm 厚的软材料,设置其法向接触为线性软接触,线性接触刚度设置为 0. 1,切向设置摩擦系数为 0. 3 的 coulomb 接触摩擦模型。弯曲螺栓端面与管片表面设置 tie 约束模拟螺栓与管片的连接,并在螺栓端头施加初始预紧力。计算模型图见图 1,拼装块与螺栓网格划分情况见图 2。

      本次计算采用地层-结构模型,模型中土层范围长50m,高 28m,纵向长 4. 8m( 4 环管片宽度) 。依据管片所在实际空间位置,在模型的顶面建立长 9m,高 3m的河道。在河道的底面施加水压力 30kN,模型顶面中部施加路面荷载 20kN,在模型办公楼位置施加荷载58. 75kN。在模型的底面,各个侧面施加相应方向的约束。模型的边界条件与地面荷载情况见图 3。
      依据勘察报告,土层容重 ρ =1910 kg·m- 3,黏聚力 c = 20kPa,内 摩 擦 角 Φ = 27°,弹 性 模 型 E =0. 165GPa,泊松比 ν = 0. 3,土层采用摩尔-库伦模型。盾构管片、弯曲螺栓和注浆层均采用弹性模型,管片弹性模量 E = 34. 5GPa,泊松比 ν = 0. 2,容重 ρ =2600kg·m- 3,螺栓弹性模量 E = 200GPa,泊松比 ν =0. 3,容重 ρ = 7850kg · m- 3,注浆层弹性模量 E =30MPa,泊松比 ν = 0. 2,容重 ρ = 2600kg·m- 3
 
3 计算结果分析
3. 1 变形分析
      盾构管片环变形图见图 4。由图 4 中分析得出:盾构管片在实际地层荷载与地面不对称荷载的共同作用下,管片拱顶与拱底向内侧收敛,两侧拱腰向外侧变形。管片拱顶与拱底接头有向内侧张开的趋势,两侧拱腰接头有向外侧张开的趋势,接头处形成了相应的张开角。说明环向螺栓的铰接作用使得拼装块之间有了一定的连续性。向内侧的最大张开角位于管片拱顶中线附近接头处。向外侧的最大张开角位于管片右侧的拱腰附近接头处。拼装块接头处张开角的方向与管片变形形式相一致。

      盾构管片环向应变图见图 5。由图 5 中分析得出: 模型内接头螺栓的设置影响了管片接头处的受力情况,管片接头附近出现了不均匀的波浪形云图。管片内拉应变区主要集中在管片的拱顶内侧,两侧拱腰的外侧,以及拱底管片内侧。

3. 2 内力分析
      通过管片幅宽中央的内、外侧表面环向应力值,推求管片各位置截面的内力值。规定轴力受拉为正值,弯矩使内表面混凝土受拉为正值。将模拟计算内力值与惯用法模型计算内力值进行对比分析。
      管片轴力对比图见图 6,弯矩对比图见图 7。从图中可以看出: 非连续介质计算模型的管片最大轴力1920kN,最大的正弯矩为 125kN·m,最大的负弯矩为165kN· m; 惯 用 法 计 算 模 型 的 管 片 最 大 轴 力 为1335kN,最大的正弯矩为 173kN·m,最大的负弯矩为168kN·m。由于盾构管片采用 22. 5°错缝拼装方式,所以非连续介质计算模型的计算结果是向一侧倾斜的,而惯用法的计算结果基本上左右对称的。在管片的大部分位置,两种计算方法得出的轴力值相差不大,但是在管片接头附近,非连续介质模型的轴力值相对于惯用法模型的轴力值会有明显突变。两种计算方法得出的最大负弯矩均位于管片的两侧,并且其最大负弯矩值相差不大。两种计算方法得出的盾构管片拱顶与拱底弯矩值均为正值。但是,非连续介质模型的最大正弯矩要明显小于惯用法模型的最大正弯矩值。模拟结果说明环向螺栓对管片产生明显的铰接作用。非连续介质模型中,盾构管片的分块拼装形式以及管片间连接螺栓单元的设置,使得其内力计算结果相对于惯用法的内力计算结果发生了明显改变,可以说盾构管片接头的设置改变了管片环的整体刚度。

4 结论
      本文以苏州地铁一号的某盾构隧道区间为研究背景,建立盾构管片及弯曲螺栓的三维非连续介质模型,研究了盾构管片在实际荷载作用下的受力与变形情况。分析得出的结论如下:
      ( 1) 盾构管片在实际地层荷载与地面不对称荷载的共同作用下,管片拱顶与拱底接头向内侧张开,两侧拱腰接头向外侧张开。向内侧的最大张开角位于管片拱顶中线接头处,向外侧的最大张开角位于管片右侧的拱腰附近接头处。
      ( 2) 模型内接头螺栓的设置影响了管片接头处的受力情况,管片接头附近出现了不均匀的波浪形云 图。
      ( 3) 在管片的大部分位置,两种计算方法得出的轴力值相差不大,但是在管片接头附近,非连续介质模型的轴力值相对于惯用法模型的轴力值会有明显突变。两种计算方法得出的最大负弯矩值相差不大。但是,非连续介质模型的最大正弯矩要明显小于惯用法模型的最大正弯矩值。
      ( 4) 非连续介质模型中,盾构管片的分块拼装形式以及管片间连接螺栓单元的设置改变了管片环的整体刚度。
 
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