地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算_曾东洋

收稿日期:2003-09-01

作者简介:曾东洋(1977-),男,博士研究生.

文章编号:0258-2724(2004)06-0744-05

地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算

曾东洋,何 川

(西南交通大学土木工程学院,四川成都610031)

摘 要:采用三维有限元法对南京地铁区间盾构隧道管片接头的受力情况进行了数值模拟计算,研究了不同荷载作用下管片接头的变形、转角和抗弯刚度,探讨了接头转角和抗弯刚度的变化规律;通过转角、弯矩和轴力关系的拟合为接头抗弯刚度的确定提供了新的途径.数值计算结果表明,管片接头抗弯刚度随轴力增大而增大,随弯矩增大迅速减小并逐渐趋于稳定;轴力对抗弯刚度的影响随弯矩的增大而减小.

关键词:盾构隧道;管片接头;接头转角;接头抗弯刚度;数值模拟

中图分类号:U 451 文献标识码:A

Numerical Simulation of Segment Joint Bending

Stiffness of Metro Shield Tunnel ZEN G Dong -yang,H E Chuan

(School of Civil Eng.,Southw est Jiaotong U niversity ,Cheng du 610031,China)

Abstract :The numerical simulation of segment joints of Nanjing metro shield tunnel w as carried out w ith 3D FEM (finite element m ethod).T he deformation,rotational ang le and bending stiffness of a segment joint under different w orking conditions w ere investigated,and the varying law of rotational angle and bending stiffness w ere discussed.In addition,the fitting relation betw een rotational angle of a segment joint and bending moment and axial force w as obtained to provide a new w ay of determining joint bending stiffness.T he numerical result show s that the bending stiffness of segment joints increases w ith the increasing of ax ial force,and the bending stiffness decreases rapidly and trends unchang ed w ith bending moment increasing.Influence of axial force on joint bending stiffness w eakens w ith the increasing of bending moment.

Key words :shield tunnel;segm ent joint;rotational angle of joint;joint bending stiffness;

numerical simulation

装配式衬砌与整体式衬砌的最大不同点在于前者存在各类管片接头,对衬砌环受力和变形产生很大影响.管片接头造成的衬砌环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一.管片接头抗弯刚度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,目前主要通过现场试验确定,尚无现成公式或图表可以遵循.

管片接头抗弯刚度k 的确定得到了许多研究者的重视,并取得了一定成果:文献[1]给出了接头受压区应力为抛物线分布时k 的计算公式;文献[2]的作者通过在接头受压区布置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]的作者对k 进行了反演分析;文献[4]和[5]分别报道了对南水北调中线穿黄盾构隧道管片和整环衬砌结构进行的1B 1和1B 5模型试验,为用试验方法确定k 奠定了基础.

但盾构隧道管片接头性能的研究尚处于起步阶段.本文作者以南京地铁南北线一期工程为背景,对管第39卷 第6期2004年12月 西 南 交 通 大 学 学 报JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSIT Y

V ol.39 N o.6Dec.2004

片接头及抗弯刚度k 进行了数值模拟计算,以期得到可供实际工程应用的研究成果.

1 工程概况

南京地铁南北线一期工程盾构第3标段由玄武门)许府巷和许府巷)南京站2个区间组成.其中玄武门)许府巷区间隧道为V 形坡,最大纵向坡度为30j ,最小曲线半径R =600m ,埋深在9.5~15.5m 之间,主要通过淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粘土和粉土等.许府巷)南京站区间隧道为V 形坡,最大纵向坡度为20j ,最小曲线半径R =400m,埋深在9.0~15.0m 之间(局部埋深达25.0m),主要通过粘性土层、砂性土层和砂粘性土层.

地铁区间隧道采用单层装配式钢筋混凝土管片衬砌,管片环内径为5.50m,幅宽1.20m,厚0.35m.衬砌分为6块,封顶块圆心角为21.5b ,2个邻接块圆心角为68.0b ,3个标准块圆心角为67.5b ;错缝拼装,纵向接头16处,按22.5b 等角度布置.

2 计算模型

2.1 计算假定及单元划分

计算采用ANSYS5.6程序.在弹性范围内,采用以下假定:

(1)小变形假定:与构件几何尺寸相比,管片接头端面在外荷载作用下产生的转角和变形非常微小,属小变形范畴.

(2)平截面假定: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.

(3)材料均匀性假定:忽略材料几何制造等形成的差异,假定计算管片为均质的各向同性材料.

(4)单弹簧假定:忽略弹簧剪切刚度变化对管片的影响,只研究转动刚度的变化,即在假设管片剪切刚度为无穷大的基础上研究旋转刚度的变化.

基于上述假定,采用了以下单元:

(1)为了防止接缝端面漏水及端头混凝土压碎,工程中一般在管片接头端面设置了橡胶止水带和软木衬垫,计算中接缝端面采用接触面单元、橡胶止水和软木衬垫采用单自由度零长度弹簧模拟.

(2)工程中管片间通过螺栓连接紧固,螺栓中心距离管片内侧70mm,计算中不考虑螺栓孔的影响,采用弹簧单元模拟螺栓.

(3)钢筋混凝土中钢筋不模型化,计算管片用三维实体单元;计算参数为:C50钢筋混凝土弹性模量为35GPa,泊松比为0.27.

2.2 网格划分与荷载工况

计算采用整体笛卡儿坐标系对平板直接头模型(管片尺寸:长@宽@高=3446mm @1200mm @350mm)进行三维建模分析.单块管片建模共生成节点11@11@11个,单元10@10@10个.对管片内侧远离接触面底边施加竖向约束,而在水平面内允许其自由变形.网格划分及约束如图1所示.

在管片左右非接触面施加均布面荷载p 形成轴力N ,在管片中央施加均布线荷载F 形成弯矩M (如图1和2所示).由文献[6]中的试验结果,分别取N =0,210,420,630和840kN 时(正负)弯矩为9.48~1900kN #m 进行了计算

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图1 管片三维模型

Fig.1 3-D model of segment 图2 加载示意Fig.2 Sketch o f applied loads 745第6期曾东洋等:地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算