盾构管片接头力学行为的有限元分析

以标 准 块 管 片 为 基 本 研 究 对 象 , 研究接头荷载
848.230（R2 700） 848.230（R2 700） 885.929（R2 820） 885.929（R2 820） 1 696.460（R2 700） 1 884.956（R3 000） 1 696.460（R2 700） 1 884.956（R3 000）
为了 分 析 管 片 手 孔 端 面 与 螺 栓 之 间 、 弯螺栓杆
췍c 为最大单轴压应力 ; 췍u 为单轴极限压应力 ; 췍 췍c 的 单 轴 σ σ e c 为相应于σ 췍tp 为断裂瞬时拉应力 。 σ
췍 췍t 为 单 轴 开 裂 应 力 ; 췍 应变 ; e u 为单轴极限应变 ; σ e t 为 单 轴 开 裂 应 变;
荷载/（kN·m )
-1
40
弯矩/（kN·m）
30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
150 100 50
e=0.225 m e=0.175 m e=0.125 m e=-0.125 m
接缝宽度/mm
图7 接头宽度与轴力关系曲线
0 -0.06 -0.04 -0.02 0 -50 -100 -150
749
1
有限元模型的建立
（b ）
底面展开图
图1
管片标准块构造 ( 单位 : mm )
பைடு நூலகம்
350
推进方向
手孔
A1P1
注浆孔
800 1 500
手孔
350 A2P
25
29 885.9 0） 2 8 2 （R ) 18° 700 2 R ( 0 6 96.4 16
18° 16 96. 460 (R2
R2 820 R2 R3 700 000
图2
ADINA 中砼的单轴应力 - 应变关系
极限抗拉强度为 6 0 7 2 kPa , 极限抗压强度为 6 0 7 2 0 , 极限抗压强度对应的应变为 残余 kPa -0 . 00 2 0 2 8 , 抗压强度 为 - 3 0 3 6 0 kPa , 残余抗压强度对应的应 变为 -0 . 00 5 0 7 5 。 1. 1. 2 其他部分材料模型 ( 弹性模量为 2. 泊松比 1 )螺 栓 : 0 6 × 1 0 8 kPa , 为 0. 167。 5 6 1 kPa , C 2 =2 2 5 kPa ( C 1 和 C 2 为砼应力应变曲线 。 参数 ) ( 弹性模量为 2. 泊 3 )加 载 台 座 : 0 6 × 1 0 8 kPa , 松比为 0 . 167。 1. 2 有限元模型考虑的因素及网格划分
885.929
19 3 00 3
6 2 0 00 2 5 3
700
A2P
186 1. 1 有限元分析模型参数的选取 管片砼本构模型及参数 1. 1. 1
公
路
与
汽
运
2014 年 9 月
ADINA 软件中通常采 用 砼 的 单 轴 应 力 - 应 变 关系曲线图 ( 见图 2) 作 为 砼 受 力 的 本 构 模 型, 其基 本特征是能较好地 模 拟 开 裂 、 压碎行为及砼非线性 软化行为 。
ADINA 程序需输入的 管 片 本 构 参 数 及 其 量 值 如下 : 泊松比为 0 . 弹性模量为 3. 20, 4 5 × 1 0 7 kPa ,
λ≥0 ; g ≥0 ; gλ=0 式中 : λ 为法向接触力 。 g 为间隙 ;
螺栓三维实体单元的初始应变通过在模型中对
螺栓施加初始应变 来 体 现 , 以模拟实际工程中对管 片螺栓所施加的 3 00 N · m 预紧扭矩 。 模型有限元网格划分见图 4 、 图 5。
为 了 比 较 接 头 的 存 在 对 管 片 结 构 的 变 形 影 响,
分别为模型 1 、 模型 2 、 模型 3 、 模型 4 。 m, 2. 1 接头变形特征
设置 4 种不同偏心 距 模 型 来 进 行 接 头 的 受 力 分 析 。 4 种偏心距 e 分 别 为 - 0 . 125、 0. 125、 0. 175、 0. 225 ADINA 模 型 中 对 橡 胶 止 水 条 进 行 了 简 化 处 理, 故首先讨论橡胶 止 水 条 简 化 处 理 对 接 头 变 形 的 影响 。 利用平面应 变 法 建 立 止 水 条 模 型 , 在管片接 头向内张开 1 的情 况 下 , 对止水条进行压缩数值模 ° 拟 。 其中考虑了橡 胶 止 水 条 体 积 不 被 压 缩 、 网格自 动重划分 、 大变形 、 自接触 4 个条件 。 图 6 为加荷前 后止水条变形图 , 图 7 为接头宽度与轴力关系曲线 。
总第 1 6 4 期
H i g hwa y s & Automotive A p p lications
公
路
与
汽
运
185
盾构管片接头力学行为的有限元分析
李周沛 ,欧阳娜
( 江西省公路科研设计院 ,江西 南昌 3 3 0000 )
片的精细三维有限元数值模型 , 分析 了 接 头 变 形 、 管片应力变化及不同偏心荷载下接头的刚度和 强度演变规律 。 有限元分析结果 表 明 , 接 头 的 存 在 增 大 了 管 片 结 构 的 变 形, 接头刚度受接头内力 组合的 偏 心 距 影 响 , 偏心距越大, 接头刚度越大; 接头的存在不仅降低了管片环的刚度, 也降低了 管片环的承载力 。 关键词 :隧道 ;管片接头 ;有限元 ;刚度 ;承载力 中图分类号 : U4 5 5 . 43 文献标志码 : A 文章编号 : 1 6 7 1 -2 6 6 8 ( 20 1 4) 0 5 -0 1 8 5 -0 5
3 526.712
摘要 :考虑到盾构管片接头受力复杂 , 采用三维有限元法 , 利用 大 型 通 用 软 件 ADINA 建 立 管
盾构隧道管片接头的抗弯刚度取值是管片设计 中的一个重要问题 。 目前考虑接头影响的计算方法 普遍是将接头简化 为 某 种 弹 簧 , 用弹簧的刚度来评 价接头的变形特征 。 工程中大多根据经验将接头刚 度确定为某一常数 。 管片接头刚度的增大导致接头 弯矩增大 , 进而 导 致 管 片 内 配 筋 提 高 。 关 于 配 筋 量 对盾构隧道整体造 价 影 响 的 研 究 表 明 , 确定管片的 环向接头刚度可有 效 控 制 管 片 的 配 筋 量 , 从而有效 控制盾构隧道的 整 体 投 资 。 因 此 , 确定盾构隧道管 片环向接头刚度很有必要性 。 接头受力的复杂性使试验成为研究接头力学性 能的最直接方法 , 但因各种原因试验不易进行 , 在这 考虑到以往接头刚 度 数 值 试 验 所 存 在 的 问 题 , 该文 结合有限元建立管 片 三 维 有 限 元 数 值 模 型 , 考虑管
σ
~ ~ ~
eu
ec
σt ~ σtp 0
~
et
~
e
~
图3
Glue Mesh 功能对不连续网格的连接
果中特别加入对橡胶止水条的论述 。
~ σu ~
σc
与管片螺栓孔之间 、 橡胶止水条之间及软木补衬之 间的接触面间的挤压 、 摩擦及滑动等影响 , 在接触部 位设置 接 触 面 , 通 过 ADINA 中 设 定 的 接 触 容 差 来 体现 , 同时在接触面单元节点之间施加方向约束 , 防 止接触体之间的 相 互 穿 透 。 ADINA 程 序 中 使 用 拉 格朗日 乘 子 法 ( 来定 La g ran g e Multi p lier Method ) 义摩擦行为的接触问题 , 使计算结果更准确 、 计算更 收敛 。 拉格朗日乘子法中的法向接触条件为 :
( 三 元 乙 丙 橡 胶, 硬度为( 邵尔 2 )橡胶止 水 条 [ : 采用 Moone y A) 6 8 度] Rivlin 一阶本构模型 , C1=
图4
整体模型有限元网格
采用八节点三 维 实 体 单 元 。 在 有 限 元 网 格 划 分 中 , 有限元分 析 的 重 点 部 位 接 头 附 近 单 元 网 格 划 分 较 密, 其 他 部 位 网 格 划 分 较 疏 。 在 ADINA 中 , 采用 通过在设定的两个面之间自动加 Glue Mesh 功 能 , 。图 3 中 入约束方程实现单元网格的连续 ( 见图 3) 加粗的虚线就是不连续网格之间的连接面 。 简 化可能会对接头的变形性状产生影响 , 在计算结 数值 模 型 中 对 橡 胶 止 水 条 进 行 适 当 简 化 , 由于
当止 水 条 完 全 压 紧 , 即止水条内部孔洞完全自
总之 , 接头变形分为两个阶段 : 一是橡胶止水条
加 荷前
（b ）
加 荷并压紧后
图6
50
) 橡胶止水条的变形 ( 接头张开角 1 °
2. 2
增大了结构的变形 。 接头刚度
图 9 为 不 同 偏 心 荷 载 下 接 头 转 角θ 与 弯 矩 M 关系曲线 , 表 1 为接头转角与弯矩的拟合结果 。
200
由接头的不连续性 及 接 头 本 身 构 造 特 殊 性 决 定 的 。
接头区 无接头的变形
带接头的变形
图8 正弯矩荷载下管片变形对比
压紧前 , 接头变形以橡胶止水条空洞压缩为主 ; 二是 橡胶止水条空洞压 紧 后 , 接头变形以橡胶止水条的 继续压缩和弯曲螺栓拉直及伸长为主 。 接头的存在
（a ）
BP B 36°
1
(R3 .956 884
) 000
1 771.858（R2 820）
18 84.9
56 （ R
30 00
）
螺栓孔
30 30
（R2 8 20 ）
螺栓孔
36°
A
)
36° B
1 742.856 A 3 174.040
36°
（a ）
正立面图
848.230
（R2 700）
种情况下 , 数值试验成为室内足尺试验的最佳补充 。 片的手 孔 、 螺 栓 孔、 弯 曲 螺 栓 等 部 分, 采用相关接头 荷载的加载方法及加载制度 , 研究盾构隧道管片接头 变形 、 接头刚度和强度 、 接头及手孔附近区域的应力 分布规律 , 分析管片接头应力分布及薄弱部位 , 研究 螺栓轴力在不同偏心荷载下的变化规律 。
建立有接头区和无接头区的管片拱结构模型 。 其正 弯矩荷载下的管片变形对比见图 8 。 从 图 8 可 知 有 接头区的管片变形 与 拱 结 构 受 力 变 形 不 一 致 , 这是 在相同加载情况下 , 无接头的变形是由于结构压缩 和弯曲产生 , 而有接 头 区 的 管 片 结 构 的 变 形 主 要 受 橡胶止水条的影 响 , 管 片 基 本 不 变 形。 但 接 头 区 刚 度较小的止水条会使其结构变形大于无接头结构 。
BP
3 392.920（R2 700） 3 769.911（R3 000） 848.230
（R2 700）
1 696.460（R2 700） 1 771.858（R2 820） 848.230（R2 700） 848.230（R2 700） 885.929（R2 820） 885.929（R2 820）
0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14
转角/rad
接触并相互挤压时 , 橡胶止水条的压缩刚度达到很 大的量值 。 由图 6 可知 : 加荷前止水条空洞较多 , 加 荷后空洞被压缩 。 当 压 缩 荷 载 达 到 一 定 数 值 时 , 止 水条空洞完全被 压 紧 , 变 为 矩 形 形 状。 从 图 7 可 知 止水条空洞压紧受力 临 界 值 为 5 0 kN/m , 换算管片 可知利用无空洞的止水条模拟实际有空洞的止水条 具有足够的精度 , 接头变形计算无大的误差 。
图5
砼管片 、 螺栓 、 橡胶止水条及加载支座等实体均
橡胶止水条
管片 软木衬垫
网格不连续面
管片与橡胶止水条的连接
2014 年 第 5 期
李周沛 , 等: 盾构管片接头力学行为的有限元分析
187
2
有限元分析结果及分析
以 接 头 相 关 荷 载 的 不 同 偏 心 加 载 位 置 为 模 型,
基准线 （Z=0）
751
90 °
的受力行为 。 标准管片的尺寸见图 1 。 标准管片采 用 C5 0 砼 预 制 , 抗 渗 等 级 S1 2 。 接 头防水采用三元乙 丙 橡 胶 弹 性 密 封 垫 , 通过密封垫 被压缩挤密来防水 ; 管片纵向和环向均采用 M2 4 弯 , 曲螺栓连接 螺栓初次预 紧 力 矩 为 3 00 N · m , 实际 运营使用过程中螺栓二次预紧力矩为 3 00 N · m 。