大型沉管隧道柔性接头受力分析

大型沉管隧道柔性接头受力分析

大型沉管隧道柔性接头受力分析大型沉管隧道柔性接头受力分析□文/袁有为王艳宁摘要：橡胶止水带是沉管法隧道接头联接中的关键技术，GINA 止水带的问世，使得水力压接法广泛应用于管节的联接并使水下沉管隧道的建设有了巨大发展。天津海河隧道采用沉管法施工工艺，隧址位于8 度区的软土地基上，管段接头在各种不利工况下的稳定性是整个工程安全的关键问题之一。依托天津滨海新区中央大道海河隧道工程，采用大型有限元软件Hypermesh ，分

析了沉管柔性接头在各种工况下的受力情况，对于GINA 止水带的选型具有较强的指导意义。关键词：沉管；隧道；柔性；接头；GINA 止水带；有限元；Hypermesh;受力沉管法是指在干坞内或大型驳船上先预制管段，再浮运到指定位置下沉、对接、固定，进而建成水下隧道或水下构筑物的施工方法。采用沉管法施工的隧道叫沉管隧道。

1 工程概况天津海河隧道路线全长4 13

2 m ，隧道部分全长

3 323 m ，暗埋段全长2 988 m。穿越海河段采用沉管法施工工艺，沉管段全长255 m，由3节预制管段组成，单节管段长85 m，

见图1和图2。图1 海河隧道沉管段横断面图2 海河隧道沉管段分节海河沉管隧道管段与管段之间以及沉管段与两岸暗埋段之间采用柔性接头形式相联接。柔性接头包括钢

剪切键、混凝土剪切键、剪切键橡胶支座、GINA 止水带以及预应力

拉索等多种构件，见图3。图3 沉管隧道段横断

面及管段接头布置海河隧道位于8 度区IV 类场地条件，属于抗震不利地段。从沉管隧道自身的结构特点和埋设位置来看，其受地震作用比较明显。沉管隧道是由多节位于水下的管段拼接而成，这对管段接头的密封防漏性能有着非常苛刻的要求。地震期间，由于埋设于土层中沉管隧道不太可能像桥梁那样发生垮塌式的结构破坏，其最容易出现问题并可能导致整个沉管丧失功能的薄弱环节就在于其接头联接的可靠性。因此保证其接头在地震期间能够抵抗住地震力的破坏作用对沉管隧道整体的抗震性能具有决定性的意义。本文依托中央大道海河隧道工程，采用美国Altair 公司的有限元分析软件Hypermesh，针对管段接头在各种工况下的受力进行全面的分析并指导关键构件的选型。2 沉管柔性接头数值分析模型根据沉管的实际尺寸和土层分布建立，为减小人工边界的影响，模型底部取至地面以下80 m 的粉砂层，其中沉管结构和土体采用8 节点六面体单元，沉管之间的联接简化为弹簧单元计算，整体模型见图4。需说明的是，覆

盖层-85 m处剪切波速达到500 m/s，以此为地震波输入面。图4 结构整体分析模型2.1 计算参数2.1.1 管段接头参数本次计算中将接头简化为弹簧进行处理，根据工程实际，分别对钢拉索、水平剪切键、竖向剪切键以及GINA 在相应

自由度方向上提供的刚度进行折算，然后将上述等效刚度在各自由度方向叠加在一起，利用Dyna 中的非线性弹簧单元来定义简化弹簧的力学参数，简化所得计算模型见图5。图5 模型中的接头1 )接头

钢拉索的抗拉刚度。单根钢拉索的抗拉刚度为4.7 X 107N/m，顶底

板各设有26根钢拉索，折算后顶板和底板36.6 m范围内抗拉刚度为

26X 4.7X 107- 36.6=3.34X 107(N/m)。2)水平剪切键。根据设计

资料，单组水平剪切键的水平抗剪刚度为 2 750 000 + 0.02=1.375 X

108(N/m)。其含义为产生0.02 m 水平错动需要施加2 750 000 N 的力，考虑2 组水平剪切键同时作用，底板36.6 m 范围内剪切刚度为2 750 000 + 0.02 X 2+ 36.6=3.64 X 107 (N/m)。3)垂直剪切

键。考虑4 组垂直剪切键同时受力，类似水平剪切键的折算方法，竖向范围(高 6.9 m)剪切刚

度为4X( 1 000 000/0.02) - 6.9=1.375 X 107 ( N/m )。4) 纵向限

位装置。顶板36.6 m 范围内共有13 个纵向限位装置，抗压刚度为

2000000/0.02X 13/36.6=3.55X 107(N/m)。5)

GINA 橡胶止水带压缩曲线。相邻两管节之间的管节接头是影响沉管隧道安全使用的关键部位之一，也是沉管隧道的关键技术所在。中央大道海河隧道水中的4 处柔性接头是沉管隧道的重要环节，需要满足

以下要求： (1)水密性，即在施工阶段和日后运营阶段不渗漏；(2)

具有抵抗各种作用

的能力，这些作用包括各种荷载和强迫变形，诸如地震、温度和地基变形等；（3）受力明确，方便施工和保证施工质

量。在橡胶制品的有限元分析中，一般用应变能函数描述橡胶的力学性能。采用具有广泛工程应用面的且最常见的Mooney-Rivlin 橡胶材

料模型，具体应变能函数形式式中：I1、I2、I3 为格林应变不变量；

A 、

B 为材料常数为柏松比。GINA 止水带的基本材质为橡胶，主要材料性能参数见表1。橡胶是高度非线性的弹性体，应力应变关系较为复杂，见图6。根据图6 定义非线性弹簧单元并考虑初始压缩量为40 mm。表1 GINA 止水带性能参数止水带型号

GINA220-205f-c材质丁苯橡胶密度/ （g • cm-3）1.14泊松比

0.499 图6 GINA 压缩曲线2.1.2 沉管混凝土参数沉管隧道的管段除要满足结构强度的要求，还要满足管段起浮、浮运、沉放时的要求。因此，对管段制作的尺寸精度、预埋件安装精度、混凝土的重度和结构的防水要求相当高，以满足管段在强度、防渗、抗裂、干舷高度等方面的要求。本工程中管段混凝土为C40，抗渗等级为S10。具体参数见表

2。表2 混凝土C40 主要性能参数混凝土型号C40 密度/

（g • cm-3）2.50 泊松比0.16 弹性模量/GPa 32.5 2.1.3 地基土模型及参数沉管隧道的地震响应很大程度上受附近地基土影响，因此在计算中地基土模型的选取非常重要。地基土在地震载荷作用下的变形，一般包括弹性变形（可恢复）和塑性变形（不可恢复）两部分。工程中通常采用摩尔-库仑(Mohr-Coulomb )屈服准则和德鲁克-普拉格