地鐵盾構(gòu)隧道管片接頭抗彎剛度的數(shù)值計算

1、 第6期曾東洋等:地鐵盾構(gòu)隧道管片接頭抗彎剛度的數(shù)值計算745片接頭及抗彎剛度.|進行了數(shù)值模擬計算,以期得到可供實際工程應(yīng)用的研究成果.1工程概況南京地鐵南北線一期工程盾構(gòu)第3標段由玄武門許府巷和許府巷一南京站2個區(qū)間組成.其中玄武門一許府巷區(qū)間隧道為V形坡,最大縱向坡度為30,最小曲線半徑尺=600m,埋深在9.5一15.5m 之間,主要通過淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粘土和粉土等.許府巷一南京站區(qū)間隧道為V形坡,最大縱向坡度為20%。,最小曲線半徑R=400m,埋深在9.O15.0m之間(局部埋深達25.O m,主要通過粘性土層、砂性土層和砂粘性土層.地鐵區(qū)間隧道采用單層裝配式鋼筋混凝土管

2、片襯砌,管片環(huán)內(nèi)徑為5.50m,幅寬1.20m,厚0.35m.襯砌分為6塊,封頂塊圓心角為21.5。,2個鄰接塊圓心角為68.O。,3個標準塊圓心角為67.5。;錯縫拼裝,縱向接頭16處,按22.5。等角度布置.2計算模型2.1計算假定及單元劃分計算采用ANSYS5.6程序.在彈性范圍內(nèi),采用以下假定:(1小變形假定:與構(gòu)件幾何尺寸相比,管片接頭端面在外荷載作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角和變形非常微小,屬小變形范疇.(2平截面假定:除接觸端面由于受螺栓拉力和混凝土擠壓而形成曲面外,管片其余斷面變形前后均為平截面.(3材料均勻性假定:忽略材料幾何制造等形成的差異,假定計算管片為均質(zhì)的各向同性材料.(4單彈簧假

3、定:忽略彈簧剪切剛度變化對管片的影響,只研究轉(zhuǎn)動剛度的變化,即在假設(shè)管片剪切剛度為無窮大的基礎(chǔ)上研究旋轉(zhuǎn)剛度的變化.基于上述假定,采用了以下單元:(1為了防止接縫端面漏水及端頭混凝土壓碎,工程中一般在管片接頭端面設(shè)置了橡膠止水帶和軟木襯墊,計算中接縫端面采用接觸面單元、橡膠止水和軟木襯墊采用單自由度零長度彈簧模擬.(2工程中管片間通過螺栓連接緊固,螺栓中心距離管片內(nèi)側(cè)70mm,計算中不考慮螺栓孔的影響,采用彈簧單元模擬螺栓.(3鋼筋混凝土中鋼筋不模型化,計算管片用三維實體單元;計算參數(shù)為:C50鋼筋混凝土彈性模量為35GPa,泊松比為0.27.2.2網(wǎng)格劃分與荷載工況計算采用整體笛卡兒坐標系對

4、平板直接頭模型(管片尺寸:長×寬×高=3446nun×l200mm×350mm進行三維建模分析.單塊管片建模共生成節(jié)點11×ll×11個,單元10×10×10個.對管片內(nèi)側(cè)遠離接觸面底邊施加豎向約束,而在水平面內(nèi)允許其自由變形.網(wǎng)格劃分及約束如圖l所示.在管片左右非接觸面施加均布面荷載p形成軸力jv,在管片中央施加均布線荷載F形成彎矩M(如圖1和2所示.由文獻6中的試驗結(jié)果,分別取=O,210,420,630和840kN時(正負彎矩為9.48一l900kNm進行了計算.圖1管片三維模型Fig.13一D model

5、of segInentF F1723一雖l l723一l一”t一叫f卜一I I I3446一f3“6一下圖2加載示意Fig.2Sketch of appHed loa凼 p746西南交通大學學報第39卷3計算結(jié)果與分析3.1結(jié)構(gòu)變形在彎矩M和軸力共同作用下,混凝土管片產(chǎn)生類似于簡支梁的變形和撓曲,接頭端面產(chǎn)生分離:上部形成受壓區(qū),下部形成脫離區(qū).受螺栓拉力作用,接觸端面螺栓附近局部突起,位移減小,位移圖中顯示為局部凹下,如圖3所示.取螺栓處斷面代表接頭端面管片變形,將變形曲線簡化為2段直線,如圖4所示,其中受壓區(qū)高度菇根據(jù)計算結(jié)果確定.管片接頭在外荷載作用下產(chǎn)生變形后,主要由受壓區(qū)混凝土和脫離

6、區(qū)受拉螺栓抵抗外荷載及形成變形.圖3接觸面節(jié)點位移Fig.3Displacemem0f nodescontact f如e p圖4管片接頭變形Fig.4D幽咖ation of segInent joint3.2力學行為分析由圖4可建立如圖5所示的小變形情況下管片接頭端面力學模型.管片在軸力和彎矩M共同作用下,中性軸以下端面受拉張開,螺栓承受拉力r;中性軸以上端面承受三角形分布的壓應(yīng)力,合力F距上邊緣石/3.圖中d為管片厚度,為螺栓中心距管片外側(cè)距離,菇為受壓區(qū)高度,p為接頭端面轉(zhuǎn)角,6為單側(cè)螺栓受拉圖5管片接頭端面力學模型伸長量.Fig5M8。h鋤i。81model of segInem joi

7、m 當日和6較小時,忽略附加偏心矩的影響,可得小變形條件下管片接頭的抗彎剛度后=字忌。(t一手+警(導一詈】,(式中,后。為彈簧抗拉系數(shù),取|j。=200MN/m.當p很小時,有近似關(guān)系2(t一菇=脅p=9,則可得蠡=(t一戈(c一手+苦(導一號.(2 3.3計算結(jié)果分析(1管片接頭抗彎剛度.|圖6所示為管片接頭端面轉(zhuǎn)角p和彎矩肘的關(guān)系.可以看出:曲線上各點的斜率(管片接頭抗彎剛度隨M的增大而減小,并最終趨于穩(wěn)定.究其原因,荷載施加初期,接頭端面主要通過接頭混凝土受壓抵抗外荷載;隨著外荷載的逐漸增大,中性軸上移,受壓區(qū)和受拉區(qū)開始形成,接頭端面部分混凝土受壓變形增大,螺栓出露并開始承受拉力,管

8、片接頭張開程度主要由螺栓變形確定.從理論上講,接頭抗彎剛度反映的是管片接頭抵抗彎矩作用的能力,只與接縫構(gòu)造本身有關(guān).計算結(jié)果客觀上反映了螺N繕霉n描-4-3-2.1O l23e,crad圖6爭肼關(guān)系曲線Fig.6伊肘cunres栓承受荷載后,口與M近似呈線性關(guān)系,后幾乎保持不變.由圖6還可見,受螺栓和受壓區(qū)混凝土影響,正彎矩情況下|遠比負彎矩情況下大.(2后一M和而一關(guān)系 管片接頭抗彎剛度后與彎矩肘,軸力的關(guān)系分別如圖7和8所示.第6期曾東洋等:地鐵盾構(gòu)隧道管片接頭抗彎剛度的數(shù)值計算747由圖7可見:隨彎矩肘增大,lg|j急劇減小,但減小趨勢逐漸變緩并最終趨于穩(wěn)定.=o時,lg后保持為一定值;

9、增大,k_j也增大.原因在于,施加荷載初期彎矩很小,后主要受軸力的影響.隨軸力增大,其阻止接頭張開的能力增強,接頭轉(zhuǎn)角減小,|相應(yīng)增大;隨著所施加的彎矩增大、接頭端面混凝土壓碎和螺栓出露,螺栓拉力和受壓區(qū)混凝土高度對管片抗彎剛度的影響逐漸增大,軸力的壓緊效應(yīng)相對減小,當受壓區(qū)和螺栓伸長逐漸趨于穩(wěn)定后lg詹不再變化.蔓墾.1.0一O.8-O.6一O.4-O.20.0O.20.4O.60.81.0M心悄m圖7lg后一肘關(guān)系曲線Fig.7lg七一肘curves過衫e=e=專皓溆么乏g1.00.80.6-O.4-0.20.O0.20.40.6O.81.0N槲圖819_|關(guān)系曲線Fig.8lgJ一cur

10、ves從圖8可見:lg矗隨軸力v的增大而增大,并最終趨于穩(wěn)定.在相同軸力作用下,彎矩增大,lg_|減小;彎矩越大,lg忌變化越小,并很快趨于穩(wěn)定.這是因為,在較小的彎矩作用下,接頭變形主要由端面混凝土承擔,當端面混凝土受壓區(qū)和局部分離區(qū)形成后,接頭變形由受壓混凝土和受拉螺栓承擔.可見,盾構(gòu)管片承受一定軸力作用對其整體抗變形和抗彎具有積極意義.(3p一肛和座一肛關(guān)系計算所得護.膽和居一肛的三維關(guān)系分別如圖9和10所示.可見,在軸力一定的條件下,隨彎矩增大,接頭端面轉(zhuǎn)角增大,抗彎剛度減小;在彎矩一定的條件下,軸力增大,接頭端面轉(zhuǎn)角減小,抗彎剛度增大.管片接頭端面轉(zhuǎn)角和抗彎剛度的變化與其所受彎矩和軸

11、力密切相關(guān),主要原因在于,彎矩和軸力的變化直接導致了接頭端面受壓區(qū)混凝土高度和螺栓受力的變化.盤自400童200￥正彎矩圖9日與肘和的三維關(guān)系Fig.9rhe change of口witll M蚰d(4p與M,J7,的擬合關(guān)系由圖6,按2段擬合p一肘關(guān)系:正彎曲:e200g擴圖10|與肘和的三維關(guān)系Fi昏10艮夠a flmction of肘蚰d 地鐵盾構(gòu)隧道管片接頭抗彎剛度的數(shù)值計算 作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 被引用次數(shù)： 曾東洋， 何川 西南交通大學土木工程學院,四川,成都,610031 西南交通大學學報 JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG

12、 UNIVERSITY 2004,39(6 11次 參考文獻(5條 1.張少輝;林剛;何川 地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)受力特征模型試驗研究 2003 2.何英杰;張述琴;呂國梁 穿黃隧道內(nèi)外襯聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)模型試驗研究期刊論文-長江科學院院報 2002(ZK 3.張厚美 裝配整體式雙層襯砌接頭荷載試驗與結(jié)構(gòu)計算理論南北北調(diào)中線穿黃隧洞結(jié)構(gòu)計算模型研究學位論 文 2000 4.朱合華;崔茂玉;楊金松 盾構(gòu)襯砌管片的設(shè)計模型與荷載分布的研究期刊論文-巖土工程學報 2000(02 5.Atsushi K On the design method of the shield tunnel lining 199

13、2 引證文獻(11條 1.何川.封坤.蘇宗賢 大斷面水下盾構(gòu)隧道原型結(jié)構(gòu)加載試驗系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用期刊論文-巖石力學與工程學報 2011(2 2.孫金 盾構(gòu)隧道裝配式管片接頭有限元分析方法期刊論文-巖土工程界 2009(8 3.王建.鐘小春 基于殼-彈簧模型的盾構(gòu)管片環(huán)添接效應(yīng)分析期刊論文-路基工程 2009(2 4.劉波.高霞.陶龍光 考慮接頭影響的地鐵盾構(gòu)隧道管環(huán)力學模型研究期刊論文-中國礦業(yè)大學學報 2009(4 5.陳俊生.莫海鴻 盾構(gòu)隧道管片接頭抗彎剛度的三維數(shù)值計算期刊論文-鐵道學報 2009(4 6.何川.蘇宗賢.曾東洋 地鐵盾構(gòu)隧道重疊下穿施工對上方已建隧道的影響期刊論文-土木工程學報 2008(3 7.鐘小春