盾构隧道管片接头三维有限元分析_陈俊生
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[ 关键词] 盾构隧道 管片接头 三维有限元分析
3D FEM Analysis on Segment Joints of Shield TunnelPChen Junsheng1, Mo Haihong1, Li Zhendong2 ( 1 Dept. of Civil Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2 Guangzhou on Track Construction Precast Products Co. , Ltd. , Guangzhou 511430, China) Abstract: RC segments are the basic structure units in shield tunnel, and their bearing capacity influences the segment rings integral performance. The weakening effect of segment joints on the segment rings makes the joints mechanical behavior analysis important. Through the elaborate 3D FEM analysis, the ultimate loading of segment joints, the relevant stress and cracks distribution are obtained. The results indicate that the segment joints local bearing capacity determines the integral positive bending bearing capacity of segment joints, and the segment joints obviously reduce the integral bearing performance. Keywords: reinforcement concrete; shield tunnel; segment joints; finite element analysis
与 正 弯矩计算不 同的是, 负 弯矩荷载下的 加载并
正、负偏心距接头荷载加载等级( kN)
表1
偏心 加载
距 等级 1
2
3
4
5
6
7
8
N 正
P
N 负
P
100 1181 0 100 671 3
200 2361 0 200 1591 7
300 3541 0 300 2521 1
400 47210 400 34416
凝土强度以及接头张开量共同决 定。根据文[ 14] 的规 定, 纵缝张开量应控制 在 1~ 2mm[ 14] 。总体上 看, 接头 张开量与压缩量通常在 015~ 3mm 之间, 显然不满足文 [ 14] 的要求。 但对于 设有防 水弹 性密 封垫 的接 头, 实 际工程中接头的允许张开量可放宽到 5~ 6mm[ 13] 。
图 1 管片布置及编号
图 2 地铁管片纵缝接头
曲螺栓连接, 为 避免接 头漏水 以及 防止管 片接 头端面 接触面压碎, 在接头中设有橡胶止水条和 软木衬垫, 如 图 2 所示。 112 材料参数
管片的 混 凝 土 为 C50, 泊 松 比 0120, 弹 性 模 量 为 3145 @ 107kPa, 极限抗拉强度6 072kPa, 极限抗压强度为 60 720kPa, 极限 抗压 强度 对应 的应 变为 - 01002, 残余 抗压强度为- 30 360kPa, 残 余抗压 强度 对应 的应 变为 - 01005[ 10, 11] 。弯曲螺栓的 弹性模量 为 21 0 @ 108kPa, 泊 松 比取 0125。 支座的 弹性 模量 为 3145 @ 107kPa, 泊松 比 0120。橡胶止水条采用三元乙丙橡胶, 硬度为( 邵尔 A) 68 度, 采 用 Mooney-Rivlin 一 阶 本 构 模 型, C1 = 561kPa, C2= 225kPa[ 12] 。软 木衬 垫和 管片 螺 栓孔 套筒 的弹性模量取7 800kPa, 泊松比为 0147。
图 3 管片整体、接头部分三维有限元网格及加载形式
11 4 加载等级设计及边界条件 管片环的 最不 利受 力截 面位 于管 片接 头处[ 6, 13] ,
考虑一定安全 度并参 考管 片的设 计经验 后, 取 其内力 组合 为轴力 400kN, 接头 弯矩 70kN#m。通过 调整水平 力 N 和竖向力 P( 图 3 ( a) ) , 可使接头 的内力 达到设计 受力组合。有限 元分 析中, 特 意加大 了荷 载的加 载等 级, 取 N = 800kN, M= 140kN#m, 以求得接头极限荷载。
由于加载形 式的 影 响( 图 3) , 管 片纵 向 螺栓 的手 孔附近出现了应力集中, 但从图 4 可见, 该 应力集中并 不引起很明显的 裂缝, 可见管 片的 主体部 分整 体强度 高于环向接 头部分。在 正弯 矩作用 下, 弯曲 螺栓 起着 类似于受拉 钢筋的 作用。在 荷载作 用下, 弯 曲螺 栓的 螺母对管片环 向螺栓 的手 孔产生 了强大 的挤 压作用, 使得手孔端面不 但产 生了应 力集 中, 还产 生了 大量的 张开裂缝( 见图 4) 。同时, 随 着接头向 内张开, 弯曲螺 栓被拉直, 最终 与管片 螺栓孔 之间 的相互 挤压 造成了 螺栓孔开裂, 如图 5 所示。 212 负弯矩计算结果
( 2) 接头的存在大大降低了管片环 的整体承载力。 分析所得的 正弯 矩下接 头极限 轴力 为 621188kN, 弯矩 为 1391 92kN#m。 广州 安德 建筑 构件有 限公 司对 单块 管片 进 行 了 荷 载 试 验, 管 片 承 受 的 极 限 弯 矩 为 388102kN#m。由此 再次 证 明, 接头 部分 是 盾构 管 片环
85
11 3 采用的单元及考虑的因素 混凝土管片、弯曲螺 栓、支 座、橡 胶止 水条及 软木
衬垫均采用 三维 实体单 元。两块 管片的 橡胶 止水条、 软木衬垫之间, 管片螺 栓孔 与弯曲 螺栓 之间以 及管片 手孔端面与弯曲螺栓的螺帽之间均设置了接触面[ 6-9] 。
由于垂直于接头中线两侧的管片结构和所受荷载 均对称, 故取 1P2 结构 进 行 分析, 整 个 模 型 共 划 分为 46 475个单元, 24 521个节点。有限元模型见图 3。
按偏心距加 荷, 偏心 距定 义为轴 力与 接头弯 矩之 比, 引入偏心距 后就可 用轴 力与偏 心距 的乘积 表示弯 矩。习惯上约 定: 使内 弧面 ( 管片 手孔所 在面) 受拉的 弯矩为正弯矩, 对应的偏心距为正偏心 距, 反之为负偏 心距。已知 N , M , 通过计算可以得到 P 值。为避免试 件未加载到设 计值就 破坏, N , P 必须 分级 逐步 增大。 分析的荷载组合计算结果见表 1。
0 前言 盾构技 术在 地 下空 间 开发 中 逐步 得 到应 用[ 1, 2] 。
盾构隧道装配式管片接头在很大程度上控制着衬砌结 构整体的变形 和承载 能力, 其强度 计算 是整个 结构计 算中的重点内容。
接头强 度计 算 一般 近 似地 按 钢筋 混 凝土 截 面计 算[ 3] , 即采用以管片边 缘为 回转中 心的 模型计 算螺栓 的应力; 而混凝 土管片 则按 螺栓被 视为 受拉钢 筋的钢 筋混凝土截 面来 设计[ 4] 。这 种方 法虽然 简单, 但 计算 误差较大。足尺 管片 试验由 于各 种原因 不易 进行, 故 采用有限 元方 法 分析 隧道 衬砌 受 力已 越 来越 受 到重 视[ 5- 9] 。下面以盾构隧道管片接头部分为研究对象, 用 有限元软件 ADINA 对其进行 三维有 限元分析, 重点研 究接头及手孔 附近危 险应 力区的 应力分 布规 律, 为校 核接头强度和合理配筋提供依据。 1 有限元分析模型的建立 11 1 管片尺寸
管片环外径 6m, 内 径 514m; 管 片宽 度 115m, 厚度 01 3m。衬 砌 环 由 1 块 封 顶 块 ( KP) , 2 块 邻 接 块 ( BP, CP) , 3 块标准块组成( A1P~ A3P) 。封顶 块的位置偏离 正上 方 ? 18b。 封 顶 块 圆 心 角 1014b, 邻 接 块 圆 心 角 6618b, 标准 块圆心 角 72b, 如图 1 所示。管片之 间由弯
按工程惯例对弯曲螺栓施加 300N#m 的预紧力。 2 计算结果分析 211 正弯矩计算结果
正弯矩计算中, 在 N = 621188kN, P= 733182kN 时, 接头不能继续承受荷载, 接头轴力达到 621188kN, 弯矩 达到 139192kN #m。 接 头 部 分 第 一 主 应 力 最 大 值 为 12112MPa, 出现在 弯曲 螺栓的 螺母 与管 片手 孔端 面的 接触 面上。 接头 的 裂 缝 分 布 见图 4。 由 于 是 对称 接 头, 故只显示半个接头的计算结果。
第 36 卷 第 10 期
建筑结构
2006 年 10Baidu Nhomakorabea月
盾构隧道管片接头三维有限元分析
陈俊生 莫海鸿
黎振东
( 华南理工大学 广州 510640) ( 广州安德建筑构件有限公司 511430)
[ 提要] 钢筋混凝土管片作为盾构隧道最基本的结构单元, 其承载力影响管片环的整体性能。接头对管片环 有削弱作用, 使得对接头力学行为的分析显得尤为重要。通过对盾构隧道管片接头进行精细的三维有限元分 析, 得到接头的极限荷载及极限荷载下的应力、裂缝分布。研究发现, 正弯矩作用下的接头强度取决于接头的 局部强度; 接头极大降低了管片环的整体承载能力; 螺栓等连接件与管片混凝土之间的强度匹配也影响了管 片接头强度。
500 5901 0 500 4371 0
600 70810 600 52915
700 8 261 0
700 6 201 0
800 94410 800 71414
图 4 正弯矩接头部分裂缝分布
由正、负 弯矩的 变形可知, 在正弯 矩作用 下, 接头 向内张开, 管片 接头的 极限 荷载由 混凝 土在荷 载作用 下出现裂缝, 并且不能继续承受荷载的 条件决定; 在负 弯矩作用下, 接头向外张开, 此时接头的 极限荷载由混
负弯 矩 计算 中, 计 算荷 载 达到 N = 22010kN, P = 15310kN 时, 接 头 张 开 量 达 到 610mm, 接 头 轴 力 为 22010kN, 弯矩 为 4915kN#m。按 照 11 4 节 中的论 述, 这 就是负弯矩的极限荷载。该荷载条件下的 第一主应力 最大值为 7171MPa, 位 置 仍在 弯曲 螺 栓的 螺母 与 管片 手孔端面的接触面上, 相应的裂缝分布见图 6。
86
图 5 正弯矩螺栓孔及手孔裂缝分布
没有使管片产生明显的应力集中。弯曲 螺栓在一定程 度上也起着类 似于受 拉钢 筋的作 用, 在 环向螺 栓的手 孔端面产生应 力集中, 也产 生了一 定数 量的闭 合裂缝 ( 见图 6) 。
图 6 负弯矩接头部分裂缝分布
以上 仅 讨论 了 N = 22010kN, P = 15310kN 时 的计 算结果。实际上, 在负 弯矩分 析中, 荷载 能达到 如表 1 所示的最大荷载。由于有限元模拟中没 有计及弯曲螺 栓在施工过程 中的二 次预 紧, 故螺 母与 混凝土 手孔端 面的挤压力 随着 荷载的 增加逐 渐下 降为零, 与文 [ 13] 在小偏心距试验时, 螺栓变松, 拉力减小的结果相符。 3 结论
( 1) 在有限元分析中没有考虑钢筋 的影响, 但正弯 矩作用下该素混凝土管片最终失效的原因是由于管片 局部开裂造成的, 故不妨推断, 对于管片 环这种圆形结 构, 环向钢筋的 存在并 不能 很好地 提高 管片的 最终承 载能力。提高管片环最终承载能力的关 键是通过改善 管片局部 钢筋 构 造, 提 高 管片 薄 弱部 位 的局 部 强度。 负弯矩作用下 的极限 荷载 由接头 的张开 量控 制, 几乎 可以忽略钢筋的作用。
3D FEM Analysis on Segment Joints of Shield TunnelPChen Junsheng1, Mo Haihong1, Li Zhendong2 ( 1 Dept. of Civil Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2 Guangzhou on Track Construction Precast Products Co. , Ltd. , Guangzhou 511430, China) Abstract: RC segments are the basic structure units in shield tunnel, and their bearing capacity influences the segment rings integral performance. The weakening effect of segment joints on the segment rings makes the joints mechanical behavior analysis important. Through the elaborate 3D FEM analysis, the ultimate loading of segment joints, the relevant stress and cracks distribution are obtained. The results indicate that the segment joints local bearing capacity determines the integral positive bending bearing capacity of segment joints, and the segment joints obviously reduce the integral bearing performance. Keywords: reinforcement concrete; shield tunnel; segment joints; finite element analysis
与 正 弯矩计算不 同的是, 负 弯矩荷载下的 加载并
正、负偏心距接头荷载加载等级( kN)
表1
偏心 加载
距 等级 1
2
3
4
5
6
7
8
N 正
P
N 负
P
100 1181 0 100 671 3
200 2361 0 200 1591 7
300 3541 0 300 2521 1
400 47210 400 34416
凝土强度以及接头张开量共同决 定。根据文[ 14] 的规 定, 纵缝张开量应控制 在 1~ 2mm[ 14] 。总体上 看, 接头 张开量与压缩量通常在 015~ 3mm 之间, 显然不满足文 [ 14] 的要求。 但对于 设有防 水弹 性密 封垫 的接 头, 实 际工程中接头的允许张开量可放宽到 5~ 6mm[ 13] 。
图 1 管片布置及编号
图 2 地铁管片纵缝接头
曲螺栓连接, 为 避免接 头漏水 以及 防止管 片接 头端面 接触面压碎, 在接头中设有橡胶止水条和 软木衬垫, 如 图 2 所示。 112 材料参数
管片的 混 凝 土 为 C50, 泊 松 比 0120, 弹 性 模 量 为 3145 @ 107kPa, 极限抗拉强度6 072kPa, 极限抗压强度为 60 720kPa, 极限 抗压 强度 对应 的应 变为 - 01002, 残余 抗压强度为- 30 360kPa, 残 余抗压 强度 对应 的应 变为 - 01005[ 10, 11] 。弯曲螺栓的 弹性模量 为 21 0 @ 108kPa, 泊 松 比取 0125。 支座的 弹性 模量 为 3145 @ 107kPa, 泊松 比 0120。橡胶止水条采用三元乙丙橡胶, 硬度为( 邵尔 A) 68 度, 采 用 Mooney-Rivlin 一 阶 本 构 模 型, C1 = 561kPa, C2= 225kPa[ 12] 。软 木衬 垫和 管片 螺 栓孔 套筒 的弹性模量取7 800kPa, 泊松比为 0147。
图 3 管片整体、接头部分三维有限元网格及加载形式
11 4 加载等级设计及边界条件 管片环的 最不 利受 力截 面位 于管 片接 头处[ 6, 13] ,
考虑一定安全 度并参 考管 片的设 计经验 后, 取 其内力 组合 为轴力 400kN, 接头 弯矩 70kN#m。通过 调整水平 力 N 和竖向力 P( 图 3 ( a) ) , 可使接头 的内力 达到设计 受力组合。有限 元分 析中, 特 意加大 了荷 载的加 载等 级, 取 N = 800kN, M= 140kN#m, 以求得接头极限荷载。
由于加载形 式的 影 响( 图 3) , 管 片纵 向 螺栓 的手 孔附近出现了应力集中, 但从图 4 可见, 该 应力集中并 不引起很明显的 裂缝, 可见管 片的 主体部 分整 体强度 高于环向接 头部分。在 正弯 矩作用 下, 弯曲 螺栓 起着 类似于受拉 钢筋的 作用。在 荷载作 用下, 弯 曲螺 栓的 螺母对管片环 向螺栓 的手 孔产生 了强大 的挤 压作用, 使得手孔端面不 但产 生了应 力集 中, 还产 生了 大量的 张开裂缝( 见图 4) 。同时, 随 着接头向 内张开, 弯曲螺 栓被拉直, 最终 与管片 螺栓孔 之间 的相互 挤压 造成了 螺栓孔开裂, 如图 5 所示。 212 负弯矩计算结果
( 2) 接头的存在大大降低了管片环 的整体承载力。 分析所得的 正弯 矩下接 头极限 轴力 为 621188kN, 弯矩 为 1391 92kN#m。 广州 安德 建筑 构件有 限公 司对 单块 管片 进 行 了 荷 载 试 验, 管 片 承 受 的 极 限 弯 矩 为 388102kN#m。由此 再次 证 明, 接头 部分 是 盾构 管 片环
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11 3 采用的单元及考虑的因素 混凝土管片、弯曲螺 栓、支 座、橡 胶止 水条及 软木
衬垫均采用 三维 实体单 元。两块 管片的 橡胶 止水条、 软木衬垫之间, 管片螺 栓孔 与弯曲 螺栓 之间以 及管片 手孔端面与弯曲螺栓的螺帽之间均设置了接触面[ 6-9] 。
由于垂直于接头中线两侧的管片结构和所受荷载 均对称, 故取 1P2 结构 进 行 分析, 整 个 模 型 共 划 分为 46 475个单元, 24 521个节点。有限元模型见图 3。
按偏心距加 荷, 偏心 距定 义为轴 力与 接头弯 矩之 比, 引入偏心距 后就可 用轴 力与偏 心距 的乘积 表示弯 矩。习惯上约 定: 使内 弧面 ( 管片 手孔所 在面) 受拉的 弯矩为正弯矩, 对应的偏心距为正偏心 距, 反之为负偏 心距。已知 N , M , 通过计算可以得到 P 值。为避免试 件未加载到设 计值就 破坏, N , P 必须 分级 逐步 增大。 分析的荷载组合计算结果见表 1。
0 前言 盾构技 术在 地 下空 间 开发 中 逐步 得 到应 用[ 1, 2] 。
盾构隧道装配式管片接头在很大程度上控制着衬砌结 构整体的变形 和承载 能力, 其强度 计算 是整个 结构计 算中的重点内容。
接头强 度计 算 一般 近 似地 按 钢筋 混 凝土 截 面计 算[ 3] , 即采用以管片边 缘为 回转中 心的 模型计 算螺栓 的应力; 而混凝 土管片 则按 螺栓被 视为 受拉钢 筋的钢 筋混凝土截 面来 设计[ 4] 。这 种方 法虽然 简单, 但 计算 误差较大。足尺 管片 试验由 于各 种原因 不易 进行, 故 采用有限 元方 法 分析 隧道 衬砌 受 力已 越 来越 受 到重 视[ 5- 9] 。下面以盾构隧道管片接头部分为研究对象, 用 有限元软件 ADINA 对其进行 三维有 限元分析, 重点研 究接头及手孔 附近危 险应 力区的 应力分 布规 律, 为校 核接头强度和合理配筋提供依据。 1 有限元分析模型的建立 11 1 管片尺寸
管片环外径 6m, 内 径 514m; 管 片宽 度 115m, 厚度 01 3m。衬 砌 环 由 1 块 封 顶 块 ( KP) , 2 块 邻 接 块 ( BP, CP) , 3 块标准块组成( A1P~ A3P) 。封顶 块的位置偏离 正上 方 ? 18b。 封 顶 块 圆 心 角 1014b, 邻 接 块 圆 心 角 6618b, 标准 块圆心 角 72b, 如图 1 所示。管片之 间由弯
按工程惯例对弯曲螺栓施加 300N#m 的预紧力。 2 计算结果分析 211 正弯矩计算结果
正弯矩计算中, 在 N = 621188kN, P= 733182kN 时, 接头不能继续承受荷载, 接头轴力达到 621188kN, 弯矩 达到 139192kN #m。 接 头 部 分 第 一 主 应 力 最 大 值 为 12112MPa, 出现在 弯曲 螺栓的 螺母 与管 片手 孔端 面的 接触 面上。 接头 的 裂 缝 分 布 见图 4。 由 于 是 对称 接 头, 故只显示半个接头的计算结果。
第 36 卷 第 10 期
建筑结构
2006 年 10Baidu Nhomakorabea月
盾构隧道管片接头三维有限元分析
陈俊生 莫海鸿
黎振东
( 华南理工大学 广州 510640) ( 广州安德建筑构件有限公司 511430)
[ 提要] 钢筋混凝土管片作为盾构隧道最基本的结构单元, 其承载力影响管片环的整体性能。接头对管片环 有削弱作用, 使得对接头力学行为的分析显得尤为重要。通过对盾构隧道管片接头进行精细的三维有限元分 析, 得到接头的极限荷载及极限荷载下的应力、裂缝分布。研究发现, 正弯矩作用下的接头强度取决于接头的 局部强度; 接头极大降低了管片环的整体承载能力; 螺栓等连接件与管片混凝土之间的强度匹配也影响了管 片接头强度。
500 5901 0 500 4371 0
600 70810 600 52915
700 8 261 0
700 6 201 0
800 94410 800 71414
图 4 正弯矩接头部分裂缝分布
由正、负 弯矩的 变形可知, 在正弯 矩作用 下, 接头 向内张开, 管片 接头的 极限 荷载由 混凝 土在荷 载作用 下出现裂缝, 并且不能继续承受荷载的 条件决定; 在负 弯矩作用下, 接头向外张开, 此时接头的 极限荷载由混
负弯 矩 计算 中, 计 算荷 载 达到 N = 22010kN, P = 15310kN 时, 接 头 张 开 量 达 到 610mm, 接 头 轴 力 为 22010kN, 弯矩 为 4915kN#m。按 照 11 4 节 中的论 述, 这 就是负弯矩的极限荷载。该荷载条件下的 第一主应力 最大值为 7171MPa, 位 置 仍在 弯曲 螺 栓的 螺母 与 管片 手孔端面的接触面上, 相应的裂缝分布见图 6。
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图 5 正弯矩螺栓孔及手孔裂缝分布
没有使管片产生明显的应力集中。弯曲 螺栓在一定程 度上也起着类 似于受 拉钢 筋的作 用, 在 环向螺 栓的手 孔端面产生应 力集中, 也产 生了一 定数 量的闭 合裂缝 ( 见图 6) 。
图 6 负弯矩接头部分裂缝分布
以上 仅 讨论 了 N = 22010kN, P = 15310kN 时 的计 算结果。实际上, 在负 弯矩分 析中, 荷载 能达到 如表 1 所示的最大荷载。由于有限元模拟中没 有计及弯曲螺 栓在施工过程 中的二 次预 紧, 故螺 母与 混凝土 手孔端 面的挤压力 随着 荷载的 增加逐 渐下 降为零, 与文 [ 13] 在小偏心距试验时, 螺栓变松, 拉力减小的结果相符。 3 结论
( 1) 在有限元分析中没有考虑钢筋 的影响, 但正弯 矩作用下该素混凝土管片最终失效的原因是由于管片 局部开裂造成的, 故不妨推断, 对于管片 环这种圆形结 构, 环向钢筋的 存在并 不能 很好地 提高 管片的 最终承 载能力。提高管片环最终承载能力的关 键是通过改善 管片局部 钢筋 构 造, 提 高 管片 薄 弱部 位 的局 部 强度。 负弯矩作用下 的极限 荷载 由接头 的张开 量控 制, 几乎 可以忽略钢筋的作用。