模型盾构隧道管片纵缝接头设计方法
发布时间：2021-06-07 06:07
考虑到拼装的缩尺模型管片环与原型管片环的纵缝接头刚度相似性难以满足要求,建议缩尺模型隧道采用开槽模型接头,并分别得到了采用两侧同时开槽、内侧开槽及外侧开槽的模型接头设计计算方法。通过开槽模型接头的管片环模型与梁—弹簧模型的计算结果比较,表明开槽模型接头的设计方法可行,开槽模型接头能很好地模拟拼装管片接头。在综合考虑开槽模型接头的开槽宽度对管片环结构内力与变形的影响与开槽模型接头的加工可行性的基础上,建议开槽模型接头对应的管片环中心角取值为3°5°。提出的开槽模型接头设计计算理论可用于缩尺模型管片环的纵缝接头设计及在惯用法均质圆环的基础上进行局部抗弯刚度折减的数值模型隧道的建模。
【文章来源】：岩土工程学报. 2015,37(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
螺栓连接管片接头与开槽模型接头Fig.1Segmentjointconnectedbyboltsandgroovedmodeljoints
1EIkLEIEIkL。(8)设开槽模型接头的开槽段厚度h，因3'12bhI，因此可得到311212()IkILhbbEIkL，(9)解得33112121212()()2()LkIIkDDhbEIkLbEIbkDD，(10)式中，b为管片环的纵向宽度，h为管片的厚度，h为开槽模型接头的开槽段厚度。1.2单侧开槽的纵缝模型接头分析以上分析开槽法进行开槽模型接头设计时为采用两侧等深度开槽。然而，在模型试验时，有时为了方便布设测试元件或其他考虑，也可以选择在管片环的内侧或外侧开槽进行开槽模型接头设计，如图2所示。因在开槽段曲梁长度应以开槽后的开槽段曲梁的弯曲中性轴弧长进行计算，管片环的内侧或外侧进行开槽时开槽后的曲梁长度分别为122DhL，(11)232DhL。(12)图2单侧开槽的模型接头Fig.2Groovedmodeljointsslottedinternallyandexternally将式（11）、（12）分别代入式（7），得到采用内侧或外侧进行开槽时开槽段曲梁厚度的一元三次方程：31(EIkL)bh6kIh6DkI0，(13)32(EIkL)bh6kIh6DkI0，(14)式中，2L为采用内侧开槽时开槽曲梁的长度，3L为采用外侧开槽时开槽曲梁的长度。从方程（13）、（14）中可以看出，方程中二次项系数为0，开槽段曲梁厚度h'的有理解是唯一的。1.3数值模型的纵缝接头设计以上分析时是考虑实体模型管片环设计，接头位置采用开槽法进行抗弯刚度折减，在减小EI时通过减
折减区宽度有关。此处，在模拟过程中，所模拟的接头刚度是一个恒定的接头刚度，若需要考虑管片接头的非线性变化时，通过相关迭代计算进行即可。2设计理论的验证分析2.1验证实例的选取在上文分析中得到了根据管片接头刚度设计开槽模型接头的方法，为了验证方法的可行性，以上海地铁通缝拼装盾构隧道管片环为例进行验证分析，其外径6.2m，管片厚度0.35m，管片宽度1.2m。管片采用高强混凝土模筑，其强度等级为C55，对应的弹性模量为35.5GPa，泊松比为0.18。管片环由6块管片拼接而成，其分块方式及角度位置确定规则如图3所示。管片环的环向与纵向均采用M30直螺栓连接，其机械性能等级为5.8级。为了得到管片的接头刚度，通过某结构荷载足尺试验进行反演分析。足尺试验通过24个均匀分布的加载点施加集中荷载来模拟盾构隧道周围土体的分布荷载，所有集中荷载分成3组，分别为1P（6个加载点）、2P（10个加载点）与3P（8个加载点），如图1所示[15-16]。反演分析时选取了试验的4个不同加载工况下的位移实测结果作为参考依据，如表1所示[15]（文中所有的位移值以该点向外侧移动为正，反之亦然）。图3集中荷载分布与管片环分块方式[15-16]Fig.3Forcedistributionanddivisionofsegmentring[15-16]反演分析时在ANSYS有限元模拟软件中建立梁–弹簧模型（建立了结点366个，曲梁单元360个，弹簧单元6个，弹簧单元的只考虑转动刚度）。考虑到隧道结构与荷载的对称性，设8°与352°位置的管片纵缝接头刚度为k1，73°与287°位置的管片纵缝接头刚度为k2，138°与222°位置的管片纵缝接头刚度为k3；在0°与180°位置（即顶部与底部）加水平向约束，在90°与270°位置加竖向约束（如图4所示）。反演分析所得的
【参考文献】：
期刊论文
[1]超载工况下盾构隧道结构承载能力的试验研究[J]. 柳献,张浩立,鲁亮,王秀志. 地下工程与隧道. 2013(04)
[2]修正惯用法中弯曲刚度有效率的影响因素分析及计算方法[J]. 彭益成,丁文其,闫治国,黄星程,肖冰峰. 岩土工程学报. 2013(S1)
[3]盾构管片接头简化数值模拟方法[J]. 葛世平,谢东武,丁文其,欧阳文彪. 岩土工程学报. 2013(09)
[4]地铁盾构隧道足尺整环结构极限承载能力试验研究[J]. 鲁亮,孙越峰,柳献,王秀志,王维朋. 结构工程师. 2012(06)
[5]盾构管片接头模型的改进及管片内力的数值计算[J]. 侯公羽,杨悦,刘波. 岩石力学与工程学报. 2007(S2)
[6]盾构隧道横向刚度有效率研究[J]. 黄宏伟,徐凌,严佳梁,余占奎. 岩土工程学报. 2006(01)
[7]地铁盾构隧道管片接头刚度影响因素研究[J]. 曾东洋,何川. 铁道学报. 2005(04)
[8]地铁盾构隧道管片结构力学行为模型试验研究[J]. 唐志成,何川,林刚. 岩土工程学报. 2005(01)
[9]盾构法隧道管片接头转动刚度的理论研究[J]. 蒋洪胜,侯学渊. 岩石力学与工程学报. 2004(09)
[10]圆形隧道装配式衬砌接头刚度模型研究[J]. 张厚美,过迟,付德明. 岩土工程学报. 2000(03)
本文编号：3216029
【文章来源】：岩土工程学报. 2015,37(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
螺栓连接管片接头与开槽模型接头Fig.1Segmentjointconnectedbyboltsandgroovedmodeljoints
1EIkLEIEIkL。(8)设开槽模型接头的开槽段厚度h，因3'12bhI，因此可得到311212()IkILhbbEIkL，(9)解得33112121212()()2()LkIIkDDhbEIkLbEIbkDD，(10)式中，b为管片环的纵向宽度，h为管片的厚度，h为开槽模型接头的开槽段厚度。1.2单侧开槽的纵缝模型接头分析以上分析开槽法进行开槽模型接头设计时为采用两侧等深度开槽。然而，在模型试验时，有时为了方便布设测试元件或其他考虑，也可以选择在管片环的内侧或外侧开槽进行开槽模型接头设计，如图2所示。因在开槽段曲梁长度应以开槽后的开槽段曲梁的弯曲中性轴弧长进行计算，管片环的内侧或外侧进行开槽时开槽后的曲梁长度分别为122DhL，(11)232DhL。(12)图2单侧开槽的模型接头Fig.2Groovedmodeljointsslottedinternallyandexternally将式（11）、（12）分别代入式（7），得到采用内侧或外侧进行开槽时开槽段曲梁厚度的一元三次方程：31(EIkL)bh6kIh6DkI0，(13)32(EIkL)bh6kIh6DkI0，(14)式中，2L为采用内侧开槽时开槽曲梁的长度，3L为采用外侧开槽时开槽曲梁的长度。从方程（13）、（14）中可以看出，方程中二次项系数为0，开槽段曲梁厚度h'的有理解是唯一的。1.3数值模型的纵缝接头设计以上分析时是考虑实体模型管片环设计，接头位置采用开槽法进行抗弯刚度折减，在减小EI时通过减
折减区宽度有关。此处，在模拟过程中，所模拟的接头刚度是一个恒定的接头刚度，若需要考虑管片接头的非线性变化时，通过相关迭代计算进行即可。2设计理论的验证分析2.1验证实例的选取在上文分析中得到了根据管片接头刚度设计开槽模型接头的方法，为了验证方法的可行性，以上海地铁通缝拼装盾构隧道管片环为例进行验证分析，其外径6.2m，管片厚度0.35m，管片宽度1.2m。管片采用高强混凝土模筑，其强度等级为C55，对应的弹性模量为35.5GPa，泊松比为0.18。管片环由6块管片拼接而成，其分块方式及角度位置确定规则如图3所示。管片环的环向与纵向均采用M30直螺栓连接，其机械性能等级为5.8级。为了得到管片的接头刚度，通过某结构荷载足尺试验进行反演分析。足尺试验通过24个均匀分布的加载点施加集中荷载来模拟盾构隧道周围土体的分布荷载，所有集中荷载分成3组，分别为1P（6个加载点）、2P（10个加载点）与3P（8个加载点），如图1所示[15-16]。反演分析时选取了试验的4个不同加载工况下的位移实测结果作为参考依据，如表1所示[15]（文中所有的位移值以该点向外侧移动为正，反之亦然）。图3集中荷载分布与管片环分块方式[15-16]Fig.3Forcedistributionanddivisionofsegmentring[15-16]反演分析时在ANSYS有限元模拟软件中建立梁–弹簧模型（建立了结点366个，曲梁单元360个，弹簧单元6个，弹簧单元的只考虑转动刚度）。考虑到隧道结构与荷载的对称性，设8°与352°位置的管片纵缝接头刚度为k1，73°与287°位置的管片纵缝接头刚度为k2，138°与222°位置的管片纵缝接头刚度为k3；在0°与180°位置（即顶部与底部）加水平向约束，在90°与270°位置加竖向约束（如图4所示）。反演分析所得的
【参考文献】：
期刊论文
[1]超载工况下盾构隧道结构承载能力的试验研究[J]. 柳献,张浩立,鲁亮,王秀志. 地下工程与隧道. 2013(04)
[2]修正惯用法中弯曲刚度有效率的影响因素分析及计算方法[J]. 彭益成,丁文其,闫治国,黄星程,肖冰峰. 岩土工程学报. 2013(S1)
[3]盾构管片接头简化数值模拟方法[J]. 葛世平,谢东武,丁文其,欧阳文彪. 岩土工程学报. 2013(09)
[4]地铁盾构隧道足尺整环结构极限承载能力试验研究[J]. 鲁亮,孙越峰,柳献,王秀志,王维朋. 结构工程师. 2012(06)
[5]盾构管片接头模型的改进及管片内力的数值计算[J]. 侯公羽,杨悦,刘波. 岩石力学与工程学报. 2007(S2)
[6]盾构隧道横向刚度有效率研究[J]. 黄宏伟,徐凌,严佳梁,余占奎. 岩土工程学报. 2006(01)
[7]地铁盾构隧道管片接头刚度影响因素研究[J]. 曾东洋,何川. 铁道学报. 2005(04)
[8]地铁盾构隧道管片结构力学行为模型试验研究[J]. 唐志成,何川,林刚. 岩土工程学报. 2005(01)
[9]盾构法隧道管片接头转动刚度的理论研究[J]. 蒋洪胜,侯学渊. 岩石力学与工程学报. 2004(09)
[10]圆形隧道装配式衬砌接头刚度模型研究[J]. 张厚美,过迟,付德明. 岩土工程学报. 2000(03)
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