盾构隧道管片环向接头力学行为的研究.pdfVIP

垫型皇些塑竺 —————————————————————；一 盾构隧道管片环向接头力学行为研究 曾东洋 何， 西南交通大学地下工程系成都610031 【摘要1在台狸计算假定基础上，建立了某地铁盾构隧道臂片接头粱．弹簧模型，通过采用有限元程序ANSYS5 6进行数值模 拟计算．对盾构雕道管片在正弯曲不同荷载工况下的接头端面力学行为、接头变形、接头转角、接头抗弯刚度进行 了研究。通过对盾构雒道管片接头在不同弯矩和轴力共同作用下的力学特性及变形和转动分析．探讨了接头转角和 抗弯刚度在不同外荷载作用下的变化规律。对弯矩、轴力和转角关系的公式拟合计算表明研究结果具有一定的工程 实用价值。 【关■词】 盾构隧道管片接头粱-弹簧横型接头转角接头刚度 1 引 言 装配式衬砌与整体式衬砌的最大不同点在于装配式衬砌存在管片接头，影响了衬砌的受力和变形。 管片接头的存在所造成的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～。接头产生 单位转角所需弯矩定义为接头抗弯刚度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，K。主要是通过现场接头受力试验确定，尚无现成公式或图表可以遵循。由于K。 在隧道整个施工、运营阶段容易受弯矩、轴力、偏心矩等的变化而变化，使得K。的确定工作量大且难 以在工程界得到推广应用。 管片接头刚度量。的确定得到了许多研究者的重视，并在理论和试验上取得了一定成果：文献[1】 推导了接头受压区应力为抛物线形分布的置。计算公式；文献【2】通过在接头受压区布设受压弹簧来推 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】推导出了大偏心受压情况受压区混 凝土应力矩形分布时置。的计算公式；文献[4】针对上海延安东路越江隧道、文献【5】对南水北调中线穿 黄盾构隧洞进行了l：1模型试验，为试验方法确定K。奠定了基础。现有研究成果表明，盾构隧道管 片接头性能研究尚处于起步阶段，缺乏系统性和全面性。鉴于此，本文以某地铁工程为背景，从计算 角度出发，在对管片接头进行合理假定基础上采用梁——弹簧模型对K。进行研究，得到可运用于实际 工程的研究成果。 2计算模型 2．1计算假定及单元选用 算结果更加合理化，建模及计算过程中主要引入了如下假定： ①小变形假设：管片在外荷载作用下接头端面所形成的变形和转动与构件几何尺寸相比较而言非 常微小，属小变形范畴。 ②平截面假设：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。 50地下铁道新技术文集2003 ③材料均匀性假设：忽略材料几何制造等形成的差异，假定计算管片为均质各向同性材料。 ④单弹簧假定：计算过程中，忽略弹簧剪切刚度变化对管片的影响而只研究转动刚度在计算过程 中的变化，即在假设管片剪切刚度为无穷大的基础上研究旋转弹簧的变化规律。 基于上述假定，计算过程中选用如下单元： ①为了防止接缝端面漏水及混凝土的压碎，工程中在管片接头端面一般设置了橡胶止水带和 软木衬垫，计算中将接缝端面简化用接触面单元、橡胶止水和软木衬垫采用单自由度零长度弹簧 进行模拟； rflrfl。计算中螺栓孔不模型化， ②工程中管片间通过螺栓进行连接紧固，螺栓中心距离管片内侧70 螺栓采用弹簧单元模拟，不考虑螺栓初期紧固力； ③钢筋混凝土中钢筋不模型化，计算管片选用三维实体单元； kN／m。 计算参数选用：C50钢筋混凝土弹性模量3．5×104MPa，泊松比0．27，弹簧系数2．0×105 2．2模型建立及网格划分 计算选用直线梁——弹簧模型，采用整体笛卡儿坐标系对平板直接头管片(管片尺寸：长×宽× 高：3446胁×1 单元10×10×1