盾構隧道接頭構造的模擬方法
2023-10-06 17:25:49 2
專利名稱：盾構隧道接頭構造的模擬方法
技術領域：
本發明涉及一種屬隧道結構模型計算領域，具體涉及一種盾構隧道接頭構造的模擬方法。
技術背景盾構隧道由管片拼裝而成，在隧道的長期運營過程中，由於外界各種因素的影響，隧道 沿著縱向會發生不均勻沉降，隧道不均勻沉降引起襯砌結構接頭變形，進而引起隧道的滲水 漏泥，目前隧道的滲漏水是運營隧道的主要病害之一。因此，如何合理模擬隧道縱向不均勻 沉降引起的接頭變形對研究運營隧道的性能十分重要，其中接頭的模擬合理與否決定了接頭 變形計算的合理性和準確性。目前關於隧道縱向變形的模擬主要有以下幾種方法(1) 縱向梁-彈簧模型釆用梁單元模擬襯砌環，以彈簧的軸向、剪切和轉動效應模擬環間接頭和螺栓。縱向梁 一彈簧模型將隧道作為一根梁來考慮。因此，不能從空間上描述接頭的變形特徵以及對隧道 防水的影響。(2) 縱向等效連續化模型 縱向等效連續化模型將隧道在橫向上視為一均質圓環，在縱向以剛度等效的方法把結構轉化為由接頭和管片組成的梁-接頭不連續模型與管片環間剪切模型，即釆用梁單元來模擬管 片，而藉助一維接頭單元來模擬管片間的接頭效應。研究隧道的縱向沉降有一定的適用性， 但是不能描述隧道接頭的變形。(3) 梁-接頭不連續模型 梁一接頭不連續模型考慮到接頭變形的不連續性，將管片離散為梁單元，管片間的接頭考慮成接頭單元，藉助一維接頭單元來模擬管片間的接頭效應。(4) 實體模型隨著計算機技術的發展，利用數值計算方法將隧道襯砌按照實體單元進行計算，接頭部 位採用接觸單元來進行，接頭螺栓採用梁單元或者杆單元進行模擬，目前的大型有限元分析 軟體均可以進行混合單元的計算和分析。現有的計算方法主要存在以下兩個方面的問題1、上述計算方法主要針對隧道的縱向受 力和縱向沉降展開，因此不能合理地描述接頭的變形特徵。2、接頭模擬參數不容易確定。目前接頭的計算模型一般需要輸入接頭的轉動剛度和剪切剛度參數，由於襯砌整環試驗或管片3接頭試驗成本較大，參數的確定一般憑經驗或工程類比確定，存在較大的任意性。為了確定 這些參數， 一些學者根據接頭構造建立了管片接頭的力學模型，計算得到接頭在荷載作用下 的轉動剛度，這些力學模型對於理解接頭在己知荷載作用下的受力特徵和變形模式具有重要 意義。在實際襯砌結構中，不同位置的接頭受到的荷載是未知並且不斷變化的。不同的荷載 組合條件下，各接頭雖然構造相同，接頭的剛度參數卻存在較大的差別。因此，直接應用接 頭分析得到的參數計算襯砌結構的內力和接頭變形會產生較大的誤差。發明內容本發明要解決的技術問題是提供一種盾構隧道接頭構造的模擬方法，能更準確地反映管 片變形和受力狀況。本發明採用以下技術方案一種盾構隧道接頭構造的模擬方法，其特徵是按如下步驟實施(1) 設置接頭單元將接頭接觸面離散為多個節點，節點之間通過模擬彈簧的接頭單元連 接，環向上接頭單位有多層，分別模擬實際接頭中的傳力襯墊、螺栓和密封墊，同層 接頭單元類型相同；(2) 設置初始彈簧剛度、邊界條件、接頭初始變位61;(3) 施加荷載；(4) 査看第一個接頭單元；(5) 根據該接頭單元類型設置彈簧法向剛度；(6) 判斷是否設置所有接頭單元，如果是，繼續下個步驟(7);如果不是，査看下一個接 頭單元，回到步驟(5);(7) 計算接頭實際變位82;(8) 比較5,和62，如果兩者之差在允許範圍tol內，完成計算，算出隧道的接頭變形； 如果兩者相差超過允許範圍，根據52計算隧道的附加荷載，並回到步驟(3)重新施加荷載。進一步地，環向上接頭單位有四層，從內向外第一層彈簧模擬內側傳力襯墊，第二層彈 簧模擬螺栓，第三層彈簧模擬外側傳力襯墊，第四層彈簧模擬彈性密封墊。進一步地，步驟(5)中根據接頭單元類型設置彈簧法向剛度的步驟如下(1)查看接頭單元的法向^]量，根據法向向量的縱向分量判斷接頭單元屬於環縫還是縱縫；(2) 根據坐標判斷接頭單元屬於哪層彈簧類型；(3) 査看彈簧應力，根據彈簧應力設置彈簧法向剛度。進一步地，設置彈簧法向剛度的方法如下對於傳力襯墊層彈簧，若法向彈簧受壓，則 取實際壓縮剛度，否則取零對於螺栓層彈簧，若法向彈簧受壓，則取實際壓縮剛度，否則 取實際拉伸剛度；對於密封墊層彈簧，若法向彈簧受壓，則取實際壓縮剛度，否則取零。本發明為了建立更真實反映接頭的力學模型，按照接頭構造排列順序由多組彈簧來模擬， 每組彈簧代表一類接頭構造材料，根據得到的節點彈簧應力或法向位移在計算過程中動態調 整彈簧參數，將接頭模型應用到整環襯砌結構計算中。本發明採用考慮隧道接頭構造特點的 模型來模擬接頭在隧道縱向沉降過程中的變形特點，和其他接頭模型相比較，具有如下特點(1) 和縱向梁一彈簧模型和梁一接頭不連續模型相比，採用考慮接頭構造的隧道接頭模 擬方法，接頭的剛度參數比較容易確定，可以根據彈簧的受力狀態調整彈簧的剛度，使計算 結果更加合理；(2) 和實體模型相比較，採用考慮接頭構造的隧道接頭模擬方法，能夠有效提高計算效 率，而且可以避免接觸單元參數確定的隨意性；(3) 採用考慮接頭構造的隧道接頭模擬方法，不僅能合理的計算隧道接頭的張開量，並 且能夠合理反映隧道接頭的錯臺量，以及管片之間的相互位移和約束；(4) 採用考慮接頭構造的隧道接頭模擬方法，能夠考慮接頭剛度變化對隧道管片受力的 影響，能夠比較合理反映隧道的受力；(5) 採用考慮接頭構造的隧道接頭模擬方法，解決了縱向梁一彈簧模型和縱向等效連續 化模型中的縱橫向剛度不匹配的問題。
圖l為本發明的流程圖。圖2為單個組合彈簧的示意圖。圖3為接頭力學模型。圖4、圖5為管片接頭受力前後的構造示意圖。圖6為節點對應的接觸面面積。圖7為彈簧法向剛度參數的設置和調整原則。圖8為內側傳力襯墊受拉後的狀態示意。圖9為實例環向接頭的模擬。
具體實施例方式
參見圖l,實施步驟如下
(1) 開始；
(2) 設置接頭單元，採用四組彈簧模擬管片四層構造，由內向外第一層彈簧模擬內側 傳力襯墊D，第二層彈簧模擬螺栓C,第三層彈簧模擬外側傳力襯墊B，第四層彈 簧模擬彈性密封墊A，每組彈簧包括多個子彈簧，環向上子彈簧的數量可根據管 片的尺寸和計算精度確定，軸向上的數量同樣由計算精度確定；
(3) 設置初始彈簧剛度，包括法向剛度和剪切剛度，根據實際條件設置邊界條件，擬 定接頭初始變位5 ,;
(4) 施加荷載，計算固定時步；
(5) 査看第一個接頭單元法向向量；
(6) 根據法向向量的縱向分量判斷接頭單元屬於環縫還是縱縫；
(7) 根據坐標判斷接頭單元屬於哪層彈簧類型
(8) 查看彈簧應力，根據彈簧應力設置彈簧法向剛度；
(9) 判斷是否設置完所有接頭單元參數，如果是，繼續下個步驟(10);如果不是，査 看下一個接頭單元法向向量，回到步驟(6);
(10) 計算固定時步；
(11) 計算接頭初始變位62;
(12) 比較S!和S2，如果兩者之差在允許範圍tol內，完成計算，算出隧道的接頭變形； 如果兩者相差超過允許範圍，根據62計算隧道的附加荷載，並回到步驟(4)重 新施加荷載。
本發明的接頭單元模擬彈簧，按照實際接頭構造分為四組彈簧，見圖2~5。每組彈簧代 表一類接頭構造材料，每組彈簧再由一系列子彈簧構成，子彈簧的數量根據管片的尺寸和計 算精度確定，每個子(組合)彈簧由剪切彈簧ks和法向彈簧kn組成。將接頭接觸面離散為一 系列對應的節點p，節點p之間通過組合彈簧產生相互作用，每個節點對應的接觸面的面積稱 為特徵面積，見6圖中陰影部分。每個節點對應一個組合彈簧，沿環向共有四層彈簧。
接頭單元的類型由接頭單元法向向量的縱向分量來確定。無論是環縫接頭單元還是縱縫
6接頭單元，在判斷彈簧法向剛度時，都需要確定該單元所處四層彈簧中的哪一層以及查看法 向應力。具體判斷原則如下，參見圖7:對於傳力襯墊層彈簧，若法向彈簧受壓，則取實際壓 縮剛度，不然取零(見圖8);對於螺栓層彈簧，若法向彈簧受壓，則取實際壓縮剛度，不然
取實際拉伸剛度；對於密封墊層彈簧，若法向彈簧受壓，則取實際壓縮剛度，不然取零。
調整彈簧參數的方法和設置一樣，對於傳力襯墊和彈性密封墊，如果出現彈簧拉伸現象， 彈簧退出工作狀態。
本發明基於襯砌結構接頭的構造特徵，建立了襯砌結構接頭的力學模型，根據得到的節 點彈簧應力或法向位移在計算過程中動態調整彈簧參數，將接頭模型應用到整環襯砌結構計 算中。可以同時考慮襯砌的環向、縱向結構性能，計算襯砌管片和接頭的內力和變形，更加 準確地反映管片的變形和受力狀況。
下面通過實例進一步描述本發明。
隧道襯砌圓環內徑5.5m,管片厚度0.35m，環寬lm。 一環內襯砌分6塊，其中1塊封頂 塊，2塊鄰接塊，2塊標準塊，l塊封底塊，襯砌環間以16根M30的縱向螺栓相連。管片混 凝土強度等級C50，彈性模量3.45E10pa，泊松比0.2。傳力襯墊材料的壓縮剛度2.4犯llPa/m; 彈性密封墊材料的壓縮剛度為9E7Pa/m。
以環向接頭為例介紹接頭的模擬方法
管片單元將襯砌結構在環向96等分，每個單元對應的圓心角9為3.75°，沿徑向分為3個 單元，對應4層彈簧，因此環向接觸面採用了 384個組合彈簧(每個組合彈簧包括壓縮彈簧 和剪切彈簧)進行模擬，如圖9所示。由內向外第1層彈簧模擬內側傳力襯墊，第2層彈簧 模擬螺栓，第3層模擬外側傳力襯墊，第4層彈簧模擬彈性密封墊。
1、彈簧壓縮剛度的確定
以環縫內側傳力襯墊為例，襯墊的實際面積為1.59m2，對應襯墊彈簧的節點特徵面積為 1.02m2，節點的特徵面積對彈簧對應的單元面積，則計算模型中襯墊的壓縮剛度參數為 2.48EllPa/mxi.59m2+1.02m2=3.87EllPa/m。 2、彈簧剪切剛度的確定
考慮到接頭發生錯臺時的變形特點，接頭的剪切剛度可以取為同一數值，針對實例中的 隧道剪切剛度可取為9.78E7Pa/m。
權利要求
1.一種盾構隧道接頭構造的模擬方法，其特徵是按如下步驟實施(1)設置接頭單元將接頭接觸面離散為多個節點，節點之間通過模擬彈簧的接頭單元連接，環向上接頭單位有多層，分別模擬實際接頭中的傳力襯墊、螺栓和密封墊，同層接頭單元類型相同；(2)設置初始彈簧剛度、邊界條件、接頭初始變位δ1；(3)施加荷載；(4)查看第一個接頭單元；(5)根據該接頭單元類型設置彈簧法向剛度；(6)判斷是否設置所有接頭單元，如果是，繼續下個步驟(7)；如果不是，查看下一個接頭單元，回到步驟(5)；(7)計算接頭實際變位δ2；(8)比較δ1和δ2，如果兩者之差在允許範圍to1內，完成計算，算出隧道的接頭變形；如果兩者相差超過允許範圍，根據δ2計算隧道的附加荷載，並回到步驟(3)重新施加荷載。
2. 根據權利要求1所述的盾構隧道接頭構造的模擬方法，其特徵是環向上接頭單位有四層， 從內向外第一層彈簧模擬內側傳力襯墊，第二層彈簧模擬螺栓，第三層彈簧模擬外側傳力 襯墊，第四層彈簧模擬彈性密封墊。
3. 根據權利要求2所述的盾構隧道接頭構造的模擬方法，其特徵是步驟(5)中根據接頭單 元類型設置彈簧法向剛度的步驟如下(1) 査看接頭單元的法向向量，根據法向向量的縱向分量判斷接頭單元屬於環縫還是縱 縫；(2) 、根據坐標判斷接頭單元屬於哪層彈簧類型；(3) 査看彈簧應力，根據彈簧應力設置彈簧法向剛度。
4. 根據權利要求3所述的盾構隧道接頭構造的模擬方法，其特徵是設置彈簧法向剛度的方法如下對於傳力襯墊層彈簧，若法向彈簧受壓，則取實際壓縮剛度，否則取零；對於螺栓 層彈簧，若法向彈簧受壓，則取實際壓縮剛度，否則取實際拉伸剛度；對於密封墊層彈簧， 若法向彈簧受壓，則取實際壓縮剛度，否則取零。
全文摘要
本發明公開了一種盾構隧道接頭構造的模擬方法，其特徵是按如下步驟實施(1)設置接頭單元將接頭接觸面離散為多個節點，節點之間通過模擬彈簧的接頭單元連接，環向上接頭單位有多層，分別模擬實際接頭中的傳力襯墊、螺栓和密封墊，同層接頭單元類型相同；(2)設置初始彈簧剛度、邊界條件、接頭初始變位δ1；(3)施加荷載；(4)查看第一個接頭單元；(5)根據該接頭單元類型設置彈簧法向剛度；(6)判斷是否設置所有接頭單元，如果是，繼續下個步驟(7)；如果不是，查看下一個接頭單元，回到步驟(5)；(7)計算接頭實際變位δ2；(8)比較δ1和δ2，如果兩者之差在允許範圍tol內，完成計算，算出隧道的接頭變形；如果兩者相差超過允許範圍，根據δ2計算隧道的附加荷載，並回到步驟(3)重新施加荷載。本發明基於襯砌結構接頭的構造特徵，建立了襯砌結構接頭的力學模型，根據得到的節點彈簧應力或法向位移在計算過程中動態調整彈簧參數，將接頭模型應用到整環襯砌結構計算中。可以同時考慮襯砌的環向、縱向接頭性能，計算襯砌管片和接頭的內力和變形，更加準確地反映管片的變形和受力狀況。
文檔編號G06F17/50GK101667220SQ200910196100
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月22日 優先權日2009年9月22日
發明者張冬梅, 樊振宇, 黃宏偉 申請人:同濟大學