地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算_曾东洋
盾构隧道衬砌接头刚度有限元分析
盾构隧道衬砌接头刚度有限元分析吴兰婷;兰宇;曾东洋【摘要】接头刚度是装配式衬砌结构设计的一个重要参数,通过有限元分析软件ANSYS建立了管片接头的平面和空间有限元模型,应用所建立的模型对影响接头刚度的主要因素即管片与管片之间垫层材料的性能和厚度、连接螺栓预紧力的大小及管片接头不同的受力状态进行了系统的分析,为盾构隧道管片设计提供了参考.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2013(000)010【总页数】3页(P181-183)【关键词】接头刚度;盾构隧道;有限元分析【作者】吴兰婷;兰宇;曾东洋【作者单位】中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安710054【正文语种】中文【中图分类】U455.431 概述盾构隧道技术是现代地下工程中广为采用的一种技术，由于其衬砌结构的特殊性和结构受力的复杂性，使得管片设计有很大难度。
隧道衬砌是一种预制的管片构件拼装结构，环向与纵向管片仅用螺栓连接，其结构形态具有典型非线性特征。
接头是装配式管片衬砌的薄弱环节，它很大程度上控制着衬砌结构整体的变形和承载力，因此接头的强度计算是整个结构计算中的重点内容。
表示管片接头处变形和受力的特征参数是接头刚度，它定义为接头产生单位转角所需的弯矩。
这一特征参数的特性对于衬砌隧道的受力状态和变形具有非常大的影响，因此管片的接头刚度是设计中一个十分重要的参数。
影响接头刚度的因素很多，主要有:接头的构造、连接螺栓的布置、管片与管片之间垫层材料的性能和厚度、连接螺栓的预紧力的大小与接头不同的受力状态等。
本文作者通过大型有限元计算软件，对影响接头刚度的因素进行了分析研究，并对这些影响因素提出了见解。
2 有限元分析模型的建立2.1 接头力学模型接头刚度主要包括接头轴向刚度系数Kn、接头剪切刚度系数Kv和接头弯曲刚度系数Kθ。
轴向刚度Kn基本上与整体式衬砌没有太大的区别，切向刚度Kv主要是由螺栓的抗剪模量以及接缝处的摩擦来提供，对装配式结构的内力影响不是很大，故在此不予考虑。
地铁管片环向接头弯曲刚度试验研究
地铁管片环向接头弯曲刚度试验研究提纲：1. 环向接头弯曲刚度试验的研究背景和意义2. 环向接头弯曲刚度试验的研究方法和实验配置3. 环向接头弯曲刚度试验的结果分析和结论4. 影响地铁管片环向接头弯曲刚度的因素分析5. 提高地铁管片环向接头弯曲刚度的措施和建议一、环向接头弯曲刚度试验的研究背景和意义地铁管片是近年来建筑领域中应用十分广泛的材料之一，其运用范围不仅仅限于地铁相关工程中，也可以用于建设其他的地下结构，比如地下隧道等等。
在此过程当中，管片的接头是一个非常重要的环节，其影响着整个管片的强度、刚度等基本力学特性，进而影响地铁隧道整个系统的稳定性和安全性。
因此，研究地铁管片的环向接头弯曲刚度特性，对于提高地铁隧道的建设质量，确保地铁隧道的安全运行，具有重要的现实意义。
二、环向接头弯曲刚度试验的研究方法和实验配置在进行环向接头弯曲刚度试验时，需要选定合适的试验样品和试验方法。
试验样品一般根据实际地铁隧道中使用的管片材料进行选择，常见的材料包括混凝土、钢筋混凝土等。
试验方法可以采用传统的钢规法或者德国SRT法等，这些方法在管片评价中已经得到了广泛的应用。
在实验配置方面，需要确保试验仪器的准确性和稳定性。
比如，在使用德国SRT法的时候，需要保证仪器的标准化和规范化，确保实验数据的准确性和可靠性。
三、环向接头弯曲刚度试验结果的分析和结论在进行环向接头弯曲刚度试验时，可以得到一系列关于管片弯曲刚度特性的数据。
根据实验数据进行分析，可以得出以下结论：环向接头弯曲刚度是影响管片整体刚度的关键因素之一，其刚度特性对管片抗弯性能的影响很大；不同材料的管片环向接头弯曲刚度存在较大差异，因此在施工时应根据具体情况选择合适的材料；现有的管片连接方式和设计方案对于管片的环向接头弯曲刚度影响较大，应加强设计和研究，提高管片的接头刚度。
四、影响地铁管片环向接头弯曲刚度的因素分析地铁管片环向接头弯曲刚度的强度和稳定性，受多种因素的影响。
拼装方式对盾构隧道衬砌结构变形和内力的影响分析_曾东洋
文章编号:1009-6582(2005)02-0001-06拼装方式对盾构隧道衬砌结构变形和内力的影响分析曾东洋 何 川(西南交通大学地下工程系,成都610031)摘 要 文章结合广州地铁区间盾构隧道管片衬砌结构设计,采用梁-弹簧模型计算法对不同拼装方式下的盾构隧道衬砌环变形和弯矩、轴力、剪力等内力分布以及衬砌环变形量和内力随隧道埋深的变化规律进行了探讨和分析。
通过对盾构隧道装配式衬砌结构变形和内力分布规律及影响因素的系统研究,深入探讨了拼装方式对盾构隧道管片衬砌结构设计的影响。
关键词 盾构隧道 管片拼装方式 衬砌变形 结构内力 梁-弹簧模型中图分类号:U 451+.4 文献标识码:A盾构隧道装配式衬砌结构存在通缝和错缝两种不同的拼装方式,如图1所示。
目前在国内,上海盾构隧道普遍采用通缝拼装方式,而广州、深圳、北京、南京等地的地铁盾构隧道衬砌结构设计中普遍采用错缝拼装方式。
在国外,无论是欧美还是日本,一般皆采用错缝拼装方式[1,2]。
从拼装方式对管片结构的刚度和受力影响角度出发,错缝式拼装可提高管片环结构的整体刚度,增强结构整体性,有利于结构的正常使用,但错缝拼装将引起结构内力和管片接头数量的增大,对结构的整体防水会造成影响。
通缝式拼装具有拼装迅速、施工效率高、便于结构防水等优点,但衬砌环结构整体刚度较低,变形量大,易对隧道的安全运营造成影响。
本文以广州地铁3号线大-沥区间盾构隧道衬砌结构为研究对象,在对盾构隧道装配式衬砌管片接头进行研究的基础上,采用梁-弹簧模型[3,4]对不同拼装方式下衬砌结构的变形和内力分布进行了研究,以期为管片环拼装方式和结构内力设计提供借鉴和参考。
1 结构内力计算模式根据衬砌结构与地层相互作用方式的不同,隧道结构内力计算方法可主要分为荷载-结构法和地层-结构法两种类型[5]。
目前,国内外盾构隧道衬砌结构设计和内力计算普遍采用荷载-结构法计算图1 管片拼装方式比较F i g .1 Compar i son of d ifferent segment asse m bli ng m ethods模式(图2),地层抗力通过在衬砌环全周设置径向和切向地基弹簧单元来体现。
盾构衬砌管片接头内力变形统一模型及试验分析
盾构衬砌管片接头内力变形统一模型及试验分析一、内容概要随着城市地铁建设的发展，盾构施工技术已经成为地铁隧道工程的主要施工方法。
然而盾构施工过程中的管片接头是影响隧道结构安全和使用寿命的关键因素之一。
为了解决这一问题，本文对盾构衬砌管片接头内力变形进行了统一模型的研究，并通过试验分析验证了模型的有效性。
首先本文从管片接头的结构特点出发，分析了管片接头在盾构施工过程中所受到的外力作用，包括盾构机推进力、土压力、地下水压力等。
在此基础上，建立了考虑这些外力的管片接头内力变形统一模型，该模型能够全面描述管片接头在不同工况下的内力变形规律。
其次为了验证模型的有效性，本文采用实验室试验的方法，对不同类型的管片接头进行了静载荷试验。
通过对试验数据的分析，得出了管片接头在不同工况下的内力变形分布规律，以及关键参数对内力变形的影响程度。
同时根据试验结果对模型进行了修正和完善。
本文结合实际工程案例，对所建立的模型进行了验证。
通过对实际施工中的管片接头内力变形的监测数据进行分析，证实了模型的有效性和实用性。
此外本文还提出了针对不同类型管片接头的内力变形控制措施，为盾构施工提供了有针对性的技术指导。
1. 研究背景和意义随着城市化进程的加快，盾构施工技术在地下工程中的应用越来越广泛。
盾构施工过程中，管片接头是连接盾构机与隧道壁的关键部件，其性能直接影响到隧道的结构安全和使用寿命。
然而目前关于盾构衬砌管片接头内力变形的研究尚不完善，主要集中在理论分析方面，而实际应用中的效果评价和改进措施仍需进一步探讨。
因此建立一套统一的盾构衬砌管片接头内力变形模型，以指导实际工程应用，具有重要的理论和实践意义。
首先研究盾构衬砌管片接头内力变形统一模型有助于提高工程质量。
通过对管片接头内力变形规律的深入研究，可以为工程设计提供更为精确的理论依据，从而降低工程风险，确保工程质量。
此外该模型还可以为施工过程中的质量控制提供技术支持，有助于提高施工效率和降低成本。
地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算
第６期曾东洋等：地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算７４５片接头及抗弯刚度．｜｝进行了数值模拟计算，以期得到可供实际工程应用的研究成果．１工程概况南京地铁南北线一期工程盾构第３标段由玄武门—许府巷和许府巷一南京站２个区间组成．其中玄武门一许府巷区间隧道为Ｖ形坡，最大纵向坡度为３０‰，最小曲线半径尺＝６００ｍ，埋深在９．５一１５．５ｍ之间，主要通过淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粘土和粉土等．许府巷一南京站区间隧道为Ｖ形坡，最大纵向坡度为２０％。
，最小曲线半径Ｒ＝４００ｍ，埋深在９．Ｏ～１５．０ｍ之间（局部埋深达２５．Ｏｍ），主要通过粘性土层、砂性土层和砂粘性土层．地铁区间隧道采用单层装配式钢筋混凝土管片衬砌，管片环内径为５．５０ｍ，幅宽１．２０ｍ，厚０．３５ｍ．衬砌分为６块，封顶块圆心角为２１．５。
，２个邻接块圆心角为６８．Ｏ。
，３个标准块圆心角为６７．５。
；错缝拼装，纵向接头１６处，按２２．５。
等角度布置．２计算模型２．１计算假定及单元划分计算采用ＡＮＳＹＳ５．６程序．在弹性范围内，采用以下假定：（１）小变形假定：与构件几何尺寸相比，管片接头端面在外荷载作用下产生的转角和变形非常微小，属小变形范畴．（２）平截面假定：除接触端面由于受螺栓拉力和混凝土挤压而形成曲面外，管片其余断面变形前后均为平截面．（３）材料均匀性假定：忽略材料几何制造等形成的差异，假定计算管片为均质的各向同性材料．（４）单弹簧假定：忽略弹簧剪切刚度变化对管片的影响，只研究转动刚度的变化，即在假设管片剪切刚度为无穷大的基础上研究旋转刚度的变化．基于上述假定，采用了以下单元：（１）为了防止接缝端面漏水及端头混凝土压碎，工程中一般在管片接头端面设置了橡胶止水带和软木衬垫，计算中接缝端面采用接触面单元、橡胶止水和软木衬垫采用单自由度零长度弹簧模拟．（２）工程中管片间通过螺栓连接紧固，螺栓中心距离管片内侧７０ｍｍ，计算中不考虑螺栓孔的影响，采用弹簧单元模拟螺栓．（３）钢筋混凝土中钢筋不模型化，计算管片用三维实体单元；计算参数为：Ｃ５０钢筋混凝土弹性模量为３５ＧＰａ，泊松比为０．２７．２．２网格划分与荷载工况计算采用整体笛卡儿坐标系对平板直接头模型（管片尺寸：长×宽×高＝３４４６ｎｕｎ×ｌ２００ｍｍ×３５０ｍｍ）进行三维建模分析．单块管片建模共生成节点１１×ｌｌ×１１个，单元１０×１０×１０个．对管片内侧远离接触面底边施加竖向约束，而在水平面内允许其自由变形．网格划分及约束如图ｌ所示．在管片左右非接触面施加均布面荷载ｐ形成轴力ｊｖ，在管片中央施加均布线荷载Ｆ形成弯矩Ｍ（如图１和２所示）．由文献［６］中的试验结果，分别取Ⅳ＝Ｏ，２１０，４２０，６３０和８４０ｋＮ时（正负）弯矩为９．４８一ｌ９００ｋＮ·ｍ进行了计算．图１管片三维模型Ｆｉｇ．１３一ＤｍｏｄｅｌｏｆｓｅｇＩｎｅｎｔＦＦ１７２３一虽ｌｌ７２３一ｌ一●”’ｔ●一叫ｆ卜一ＩＩＩ■３４４６ｆ３“６一下图２加载示意Ｆｉｇ．２ＳｋｅｔｃｈｏｆａｐｐＨｅｄｌｏａ凼ｐ７４６西南交通大学学报第３９卷３计算结果与分析３．１结构变形在弯矩Ｍ和轴力Ⅳ共同作用下，混凝土管片产生类似于简支梁的变形和挠曲，接头端面产生分离：上部形成受压区，下部形成脱离区．受螺栓拉力作用，接触端面螺栓附近局部突起，位移减小，位移图中显示为局部凹下，如图３所示．取螺栓处断面代表接头端面管片变形，将变形曲线简化为２段直线，如图４所示，其中受压区高度菇根据计算结果确定．管片接头在外荷载作用下产生变形后，主要由受压区混凝土和脱离区受拉螺栓抵抗外荷载及形成变形．图３接触面节点位移Ｆｉｇ．３Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｍ０ｆｎｏｄｅｓ∞ｃｏｎｔａｃｔｆ如ｅｐ图４管片接头变形Ｆｉｇ．４Ｄ幽咖ａｔｉｏｎｏｆｓｅｇＩｎｅｎｔｊｏｉｎｔ３．２力学行为分析由图４可建立如图５所示的小变形情况下管片接头端面力学模型．管片在轴力Ⅳ和弯矩Ｍ共同作用下，中性轴以下端面受拉张开，螺栓承受拉力ｒ；中性轴以上端面承受三角形分布的压应力，合力Ｆ距上边缘石／３．图中ｄ为管片厚度，‘为螺栓中心距管片外侧距离，菇为受压区高度，ｐ为接头端面转角，６为单侧螺栓受拉图５管片接头端面力学模型伸长量．Ｆｉｇ·５Ｍ８。
隧道盾构施工钢衬套施工工艺
中铁隧道股份有限公司
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隧道钢衬套修复加固原理
近年来，钢板衬加固混凝土结构技术已逐渐成为工程界关 注的热点问题，越来越多的工程技术人员和科研人员把注意力 转向该领域，目前，国内外工程界关于粘钢加固法在钢筋混凝 土结构加固领域的研究已取得不少成果。
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隧道钢衬套具体施工方法
（9）钢板定位安装 待植筋胶完全固化后进行钢板定位安装，将加工好的钢板放 入已切好嵌槽，与锚筋对孔，螺母满丝拧紧，并切除高出钢板 锚栓。 （10）埋管封边、注胶粘钢
在钢板一侧用电钻开小槽埋设灌浆管，钢板顶部埋设排气 管。埋管完成以后，采用环氧胶泥将钢板四周 封边，采用压注机进行注胶粘钢。
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隧道钢衬套具体施工方法
（5）基面及孔内清洗 基面打磨完成后采用高压风吹去混凝土表面及孔内粉尘、 杂物，然后用工业酒精清洗混凝土表面，再用试管毛刷蘸工业 酒精清洗锚栓孔。完成后用棉布封堵螺栓孔直至开始注胶植筋 。 （6）钢板加工及表面打磨 钢板加工及表面打磨在工厂进行，钢板按照规格下料，弯 曲弧度与衬砌内轮廓弧度一致。钢板粘结面需进行打磨除锈处 理，打磨采用砂轮机抛光打磨，去除钢板表面铁锈露出金属光 泽且粗糙，打磨完成后用清洗剂清洗钢板表面。
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大断面越江盾构隧道管片接头选型研究
第４２卷第６期２００５年１２月现代隧道技术ＭｏｄｅｍＴｕｎｎｅｌｌｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏ盯Ｖ０１．４２Ｎｏ．６Ｄｅｃ．２００５文章编号：１∞９∞８２（２（ｘ）５）【）６—０叭４一【】６大断面越江盾构隧道管片接头选型研究何川１曾东洋１唐志诚１’２吴兰婷’（１西南交通大学地下工程系，成都６１００３ｌ；２中铁二局集团有限公司，成都６１００３１）摘要文章针对越江水下盾构隧道管片接头设计，采用二维有限』二对典型接头方案中不同螺栓位置和土水压力计算控制点下的接头抗弯刚度、接缝张开度和张开高度、螺栓应力等进行了数值汁算和对比分析，研究分析了手孔和螺栓数量及布设位置、Ｒ寸等对大断面越江盾构隧道管片接头选型及设计参数的影响。
研究结果表明，工程设ｔ１中此类接头应在满足接头抗弯刚度和接缝张开度的前提下采取减少手孔数量、均布手扎位置、调整螺栓中心位置和尺寸、施加螺柃顶紧力等措施，以达到提高结构防水性和整体承载能力的目的。
关键词盾构隧道管片接头有限元分析选型中图分类号：Ｕ４５１文献标识码：Ａ１引言２工程概况由于盾构法隧道具有目标工期及工程造价可控性好、风险相对其它方法较小、施工期不影响江河通航及不易受河床变迁影响等优点而在国内外越江（河）工程中被广为采用，如已建成的日本东京湾横断公路隧道…、国内上海延安东路公路隧道、翔殷黄浦江隧道、重庆长江排水隧道等以及拟建中的武汉长江公路隧道、南京长江公路隧道、崇明岛越江公路隧道等工程均为盾构法隧道工程。
越江（河）盾构隧道承载和防水设计的重点在于对其管片接头型式的选扦，选取具有可靠防水性的管片接头型式对越江（河）盾构法隧道具有至关苇要的意义。
目前，国内外对Ｊ‘盾构法隧道管片接头性能的研究”“１还主要局限于管片接头抗弯刚度和变形规律，而对管片接头抗弯刚度、防水和衬砌环整体刚度的影响因素及其相互影响性研究甚少。
鉴于此，本文以拟建中的武汉长江公路隧道盾构区间为例，在对管片接头抗弯刚度研究的基础”１上，运用能对管片接头进行局部三维有限元模拟计算的梁－弹簧模型法，对影响工程结构设计中管片接头型式选择的重要参数，如管片接头抗弯刚度、接缝张开度和张开高度、螺栓应力、衬砌环变形和内力等进行深入研究，以期为类似条件下的越江（河）盾构隧道衬砌结构设计提供借鉴和参考。
盾构隧道管片接头抗弯刚度的三维数值计算_陈俊生
第31卷第4期铁 道 学 报V ol.31 N o.4 2009年8月JOU R NA L OF T H E CH IN A RA ILW A Y SO CI ET Y Aug ust2009文章编号:1001-8360(2009)04-0087-05盾构隧道管片接头抗弯刚度的三维数值计算陈俊生1,2, 莫海鸿1,2( 1.华南理工大学土木与交通学院,广东广州 510640; 2.亚热带建筑科学国家重点实验室,广东广州 510640)摘 要:管片接头是装配式盾构隧道的关键部分,其抗弯刚度对管片环的内力及整体性能均有重要的影响,使得接头抗弯刚度的取值显得尤为重要。
本文以广州地铁盾构隧道使用的管片为研究对象,采用三维有限元法,利用通用有限元软件A DIN A,在建立精细有限元模型的基础上,计算得到正负两方向及不同偏心距荷载下接头变形的特点和接头的抗弯刚度。
从而可知,正弯曲刚度具有一定的非线性性质,线性回归得到的刚度量值为1236.7kN m/rad;负弯曲刚度曲线为线性,线性回归得到的刚度量值为2295.1kN m/rad。
接头刚度受接头内力组合的偏心距影响,偏心距越大,接头刚度越大。
在接头的模拟计算中,有必要建立和实际相同的数值模型,从而避免各种误差。
关键词:盾构隧道;管片接头;抗弯刚度;三维有限元分析中图分类号:U231.1;U451 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1001-8360.2009.04.015Three-dimensional FEM Analysis on Flexural Rigidity ofSegment Joints in Shield TunnelCH EN Jun-sheng1,2, M O H a-i hong1,2(1.Dept.of Civil Engin eering,S outh C hina U niversity of T echnology,Guangzh ou510640,China;2.State Key Laboratory of S ubtropical Bu ilding Science,S ou th Ch ina Un iversity of T ech nology,Guangzh ou510640,China)Abstract:Segment joints are the key co mponents of the fabricated shield tunnel.T he flex ural rigidity o f the joints has im por tant effect on the inter nal fo rce and integ rated per for mance o f the seg ment ring.T hr ough the general finite element pro gram ADINA,3D FEM(Finite Element Method)w as adopted to analyze and elabo-r ate o n the3D numerical m odel of joints o f the Guangzho u Metro shield tunnel.The results cov er the flex ural rigidity of positive and negativ e bending under different eccentricities.T he positive bending behav es no nlinear, and the flexural rig idity is1236.7kN m/rad;the negative bending behaves linear,and the flex ural rigidity is 2295.1kN m/rad.The flexural rigidity is affected by the eccentr icity of the internal forces assembly.The larger the eccentricity,the stiffer the flex ural rigidity.When simulating the mechanical behavior of segm ent joints,it is necessary to build a mo del that is the same w ith actual joints so as to avo id m ultiple tolerances. Key words:shield tunnel;seg ment jo int;flex ural rigidity;3D finite elem ent analy sis盾构法以其开挖速度快、施工质量好、对周围地层扰动小、对地表沉降和环境影响小等优点,逐渐成为城市地下铁道首选的施工方法。
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收稿日期:2003-09-01作者简介:曾东洋(1977-),男,博士研究生.文章编号:0258-2724(2004)06-0744-05地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算曾东洋,何 川(西南交通大学土木工程学院,四川成都610031)摘 要:采用三维有限元法对南京地铁区间盾构隧道管片接头的受力情况进行了数值模拟计算,研究了不同荷载作用下管片接头的变形、转角和抗弯刚度,探讨了接头转角和抗弯刚度的变化规律;通过转角、弯矩和轴力关系的拟合为接头抗弯刚度的确定提供了新的途径.数值计算结果表明,管片接头抗弯刚度随轴力增大而增大,随弯矩增大迅速减小并逐渐趋于稳定;轴力对抗弯刚度的影响随弯矩的增大而减小.关键词:盾构隧道;管片接头;接头转角;接头抗弯刚度;数值模拟中图分类号:U 451 文献标识码:ANumerical Simulation of Segment Joint BendingStiffness of Metro Shield Tunnel ZEN G Dong -yang,H E Chuan(School of Civil Eng.,Southw est Jiaotong U niversity ,Cheng du 610031,China)Abstract :The numerical simulation of segment joints of Nanjing metro shield tunnel w as carried out w ith 3D FEM (finite element m ethod).T he deformation,rotational ang le and bending stiffness of a segment joint under different w orking conditions w ere investigated,and the varying law of rotational angle and bending stiffness w ere discussed.In addition,the fitting relation betw een rotational angle of a segment joint and bending moment and axial force w as obtained to provide a new w ay of determining joint bending stiffness.T he numerical result show s that the bending stiffness of segment joints increases w ith the increasing of ax ial force,and the bending stiffness decreases rapidly and trends unchang ed w ith bending moment increasing.Influence of axial force on joint bending stiffness w eakens w ith the increasing of bending moment.Key words :shield tunnel;segm ent joint;rotational angle of joint;joint bending stiffness;numerical simulation装配式衬砌与整体式衬砌的最大不同点在于前者存在各类管片接头,对衬砌环受力和变形产生很大影响.管片接头造成的衬砌环整环刚度降低是盾构隧道衬砌设计中必须考虑的控制性因素之一.管片接头抗弯刚度k 综合反映了盾构隧道接头性能及其在外荷载作用下的变形大小和趋势,目前主要通过现场试验确定,尚无现成公式或图表可以遵循.管片接头抗弯刚度k 的确定得到了许多研究者的重视,并取得了一定成果:文献[1]给出了接头受压区应力为抛物线分布时k 的计算公式;文献[2]的作者通过在接头受压区布置受压弹簧来推求接头的抗弯能力(弹簧刚度由受压区混凝土高度确定);文献[3]的作者对k 进行了反演分析;文献[4]和[5]分别报道了对南水北调中线穿黄盾构隧道管片和整环衬砌结构进行的1B 1和1B 5模型试验,为用试验方法确定k 奠定了基础.但盾构隧道管片接头性能的研究尚处于起步阶段.本文作者以南京地铁南北线一期工程为背景,对管第39卷 第6期2004年12月 西 南 交 通 大 学 学 报JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSIT YV ol.39 N o.6Dec.2004片接头及抗弯刚度k 进行了数值模拟计算,以期得到可供实际工程应用的研究成果.1 工程概况南京地铁南北线一期工程盾构第3标段由玄武门)许府巷和许府巷)南京站2个区间组成.其中玄武门)许府巷区间隧道为V 形坡,最大纵向坡度为30j ,最小曲线半径R =600m ,埋深在9.5~15.5m 之间,主要通过淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粘土和粉土等.许府巷)南京站区间隧道为V 形坡,最大纵向坡度为20j ,最小曲线半径R =400m,埋深在9.0~15.0m 之间(局部埋深达25.0m),主要通过粘性土层、砂性土层和砂粘性土层.地铁区间隧道采用单层装配式钢筋混凝土管片衬砌,管片环内径为5.50m,幅宽1.20m,厚0.35m.衬砌分为6块,封顶块圆心角为21.5b ,2个邻接块圆心角为68.0b ,3个标准块圆心角为67.5b ;错缝拼装,纵向接头16处,按22.5b 等角度布置.2 计算模型2.1 计算假定及单元划分计算采用ANSYS5.6程序.在弹性范围内,采用以下假定:(1)小变形假定:与构件几何尺寸相比,管片接头端面在外荷载作用下产生的转角和变形非常微小,属小变形范畴.(2)平截面假定:除接触端面由于受螺栓拉力和混凝土挤压而形成曲面外,管片其余断面变形前后均为平截面.(3)材料均匀性假定:忽略材料几何制造等形成的差异,假定计算管片为均质的各向同性材料.(4)单弹簧假定:忽略弹簧剪切刚度变化对管片的影响,只研究转动刚度的变化,即在假设管片剪切刚度为无穷大的基础上研究旋转刚度的变化.基于上述假定,采用了以下单元:(1)为了防止接缝端面漏水及端头混凝土压碎,工程中一般在管片接头端面设置了橡胶止水带和软木衬垫,计算中接缝端面采用接触面单元、橡胶止水和软木衬垫采用单自由度零长度弹簧模拟.(2)工程中管片间通过螺栓连接紧固,螺栓中心距离管片内侧70mm,计算中不考虑螺栓孔的影响,采用弹簧单元模拟螺栓.(3)钢筋混凝土中钢筋不模型化,计算管片用三维实体单元;计算参数为:C50钢筋混凝土弹性模量为35GPa,泊松比为0.27.2.2 网格划分与荷载工况计算采用整体笛卡儿坐标系对平板直接头模型(管片尺寸:长@宽@高=3446mm @1200mm @350mm)进行三维建模分析.单块管片建模共生成节点11@11@11个,单元10@10@10个.对管片内侧远离接触面底边施加竖向约束,而在水平面内允许其自由变形.网格划分及约束如图1所示.在管片左右非接触面施加均布面荷载p 形成轴力N ,在管片中央施加均布线荷载F 形成弯矩M (如图1和2所示).由文献[6]中的试验结果,分别取N =0,210,420,630和840kN 时(正负)弯矩为9.48~1900kN #m 进行了计算.图1 管片三维模型Fig.1 3-D model of segment 图2 加载示意Fig.2 Sketch o f applied loads 745第6期曾东洋等:地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算3 计算结果与分析3.1 结构变形在弯矩M 和轴力N 共同作用下,混凝土管片产生类似于简支梁的变形和挠曲,接头端面产生分离:上部形成受压区,下部形成脱离区.受螺栓拉力作用,接触端面螺栓附近局部突起,位移减小,位移图中显示为局部凹下,如图3所示.取螺栓处断面代表接头端面管片变形,将变形曲线简化为2段直线,如图4所示,其中受压区高度x 根据计算结果确定.管片接头在外荷载作用下产生变形后,主要由受压区混凝土和脱离区受拉螺栓抵抗外荷载及形成变形.图3 接触面节点位移F ig.3 Displacement of nodes on contact face 图4 管片接头变形F ig.4 Defo rmat ion of segment joint图5 管片接头端面力学模型Fig.5 M echanical mo del of segment joint 3.2 力学行为分析由图4可建立如图5所示的小变形情况下管片接头端面力学模型.管片在轴力N 和弯矩M 共同作用下,中性轴以下端面受拉张开,螺栓承受拉力T ;中性轴以上端面承受三角形分布的压应力,合力F距上边缘x /3.图中d 为管片厚度,t 为螺栓中心距管片外侧距离,x为受压区高度,H 为接头端面转角,D 为单侧螺栓受拉伸长量.当H 和D 较小时,忽略附加偏心矩的影响,可得小变形条件下管片接头的抗弯刚度k =t-x 2k s t -x 3+N D d 2-x 3,(1)式中,k s 为弹簧抗拉系数,取k s =200MN/m .当H 很小时,有近似关系2D /(t -x )=tan H =H ,则可得k =k s 2(t -x )t -x3+N H d 2-x 3.(2)3.3 计算结果分析(1)管片接头抗弯刚度k图6 H -M 关系曲线Fig.6 H -M curves 图6所示为管片接头端面转角H 和弯矩M 的关系.可以看出:曲线上各点的斜率(管片接头抗弯刚度)随M 的增大而减小,并最终趋于稳定.究其原因,荷载施加初期,接头端面主要通过接头混凝土受压抵抗外荷载;随着外荷载的逐渐增大,中性轴上移,受压区和受拉区开始形成,接头端面部分混凝土受压变形增大,螺栓出露并开始承受拉力,管片接头张开程度主要由螺栓变形确定.从理论上讲,接头抗弯刚度反映的是管片接头抵抗弯矩作用的能力,只与接缝构造本身有关.计算结果客观上反映了螺栓承受荷载后,H 与M 近似呈线性关系,k 几乎保持不变.由图6还可见,受螺栓和受压区混凝土影响,正弯矩情况下k 远比负弯矩情况下大.(2)k -M 和k -N 关系管片接头抗弯刚度k 与弯矩M ,轴力N 的关系分别如图7和8所示.由图7可见:随弯矩M 增大,lg k 急剧减小,但减小趋势逐渐变缓并最终趋于稳定.N =0时,lg k 保746西 南 交 通 大 学 学 报第39卷持为一定值;N 增大,lg k 也增大.原因在于,施加荷载初期弯矩很小,k 主要受轴力N 的影响.随轴力N 增大,其阻止接头张开的能力增强,接头转角减小,k 相应增大;随着所施加的弯矩增大、接头端面混凝土压碎和螺栓出露,螺栓拉力和受压区混凝土高度对管片抗弯刚度的影响逐渐增大,轴力的压紧效应相对减小,当受压区和螺栓伸长逐渐趋于稳定后lg k 不再变化.图7 lg k -M 关系曲线F ig.7 lg k -M curves 图8 lg k -N 关系曲线Fig.8 lg k -N cur ves从图8可见:lg k 随轴力N 的增大而增大,并最终趋于稳定.在相同轴力作用下,弯矩增大,lg k 减小;弯矩越大,lg k 变化越小,并很快趋于稳定.这是因为,在较小的弯矩作用下,接头变形主要由端面混凝土承担,当端面混凝土受压区和局部分离区形成后,接头变形由受压混凝土和受拉螺栓承担.可见,盾构管片承受一定轴力作用对其整体抗变形和抗弯具有积极意义.(3)H -M-N 和k -M-N 关系计算所得H -M-N 和k -M -N 的三维关系分别如图9和10所示.可见,在轴力一定的条件下,随弯矩增大,接头端面转角增大,抗弯刚度减小;在弯矩一定的条件下,轴力增大,接头端面转角减小,抗弯刚度增大.管片接头端面转角和抗弯刚度的变化与其所受弯矩和轴力密切相关,主要原因在于,弯矩和轴力的变化直接导致了接头端面受压区混凝土高度和螺栓受力的变化.图9 H 与M 和N 的三维关系Fig .9 T he change of H wit h M andN图10 k 与M 和N 的三维关系F ig .10 k as a function of M and N(4)H 与M ,N 的拟合关系由图6,按2段拟合H -M 关系:正弯曲:747第6期曾东洋等:地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算H=7.031e-10.793N(lg M)10.505N+5.313(M[379kN#m),2.17M-512.52N+8.08(M>379kN#m);(3)负弯曲:H=8.785e-10.715N(lg M)10.841N+5.029(M[379kN#m),5.21M+896.12N-474.15(M>379kN#m).(4)式(3)和(4)中,弯矩M的单位为kN#m,轴力N的单位为MN,转角H的单位为10-5rad.4结论根据对南京地铁南北线一期工程盾构隧道装配式衬砌管片接头抗弯刚度的数值模拟计算,可得以下结论:(1)南京地铁南北线一期工程区间盾构隧道管片正抗弯刚度为46.0~57.4M N#m/rad,负抗弯刚度为23.0~28.3M N#m/rad.受螺栓和受压区混凝土高度的影响,正弯矩情况下接头的抗弯刚度远比负弯矩情况下大,但随弯矩和轴力增大,二者的差距略有减小.(2)纯弯矩作用下,转角H与弯矩M呈线性关系;受轴力影响,H-M曲线开始向上凸.随弯矩增大,转角增大,但增幅逐渐减小,最终H-M趋于直线;轴力增大,接头端面转角减小.(3)随弯矩增大,管片接头抗弯刚度迅速减小并逐渐趋于稳定;轴力增大,抗弯刚度增大.轴力对抗弯刚度的影响随所施加的弯矩的增大而减小.(4)管片接头端面转角与管片所受的弯矩和轴力密切相关,实践中可通过现场量测管片接缝张开度D,按本文中提出方法求接头抗弯刚度.参考文献:[1]T eo dor I.Design consider atio ns and testing in shield-dr iven 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