盾构隧道衬砌接头刚度有限元分析

2013-07-16吴兰婷曾东洋

山西建筑 2013年10期

吴兰婷兰宇曾东洋

(1.北京城建设计研究总院有限责任公司，北京 100037; 2.重庆高速公路集团有限公司，重庆 400000;3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710054)

1 概述

盾构隧道技术是现代地下工程中广为采用的一种技术，由于其衬砌结构的特殊性和结构受力的复杂性，使得管片设计有很大难度。隧道衬砌是一种预制的管片构件拼装结构，环向与纵向管片仅用螺栓连接，其结构形态具有典型非线性特征。接头是装配式管片衬砌的薄弱环节，它很大程度上控制着衬砌结构整体的变形和承载力，因此接头的强度计算是整个结构计算中的重点内容。表示管片接头处变形和受力的特征参数是接头刚度，它定义为接头产生单位转角所需的弯矩。这一特征参数的特性对于衬砌隧道的受力状态和变形具有非常大的影响，因此管片的接头刚度是设计中一个十分重要的参数。影响接头刚度的因素很多，主要有:接头的构造、连接螺栓的布置、管片与管片之间垫层材料的性能和厚度、连接螺栓的预紧力的大小与接头不同的受力状态等。

本文作者通过大型有限元计算软件，对影响接头刚度的因素进行了分析研究，并对这些影响因素提出了见解。

2 有限元分析模型的建立

2.1 接头力学模型

接头刚度主要包括接头轴向刚度系数Kn、接头剪切刚度系数Kv和接头弯曲刚度系数Kθ。轴向刚度Kn基本上与整体式衬砌没有太大的区别，切向刚度Kv主要是由螺栓的抗剪模量以及接缝处的摩擦来提供，对装配式结构的内力影响不是很大，故在此不予考虑。接头力学模型如图1所示，混凝土管片在弯矩M、面均布力P共同作用下，接头抗弯刚度Kθ的定义如下:

图1 管片接头力学简图

2.2 本构计算模型及力学参数

管片体的构成材料为钢筋混凝土，钢筋混凝土是一种复合材料，其受力行为是非线性的。鉴于分析的目的，本问题可做线弹性问题分析，具体的线弹性本构关系材料参数见表1。

2.3 网格划分

接缝是管片的薄弱环节，故在接缝附近的单元网格应加密。为提高计算精度，混凝土及螺栓采用20节点的实体单元，用接触单元模拟混凝土管片之间以及螺栓与螺栓孔之间的接触，管片和螺栓有限元模型见图2，单元类型及几何尺寸见表2。

3 三维有限元模型计算及结果分析

表1 线弹性有限元分析材料线弹性参数取值

图2 管片和螺栓有限元模型

表2 管片接头的单元类型及几何尺寸

3.1 不同的螺栓预紧力对接头刚度的影响

混凝土管片之间不考虑垫层作用，采用接触单元模拟，在相同偏心距和弯矩的作用下，由于加载前螺栓的预紧力不同，因此产生了接缝的相对转角数值有明显变化，如图3所示。

图3 不同螺栓预紧力的接缝面相对位移曲线

计算所得管片接头抗弯刚度见表3。

表3 管片接头抗弯刚度计算表(一)

可见，螺栓的预紧力越大，接缝的相对转角就越小。在相同偏心距和弯矩的作用下，加载前螺栓的预紧力越大，接头抗弯刚度Kθ越大;预紧力越小，抗弯刚度越小。

3.2 垫层对接头刚度的影响

为了改善隧道管片接缝处接触面的应力状态，通常在接缝处加一层软垫层，垫层多采用丁晴橡胶掺软木浆等材料制作，是一种非线性高弹材料，其应力应变关系非常复杂，与加载历史有关，在此模型对它进行了简化处理，按照线弹性材料来处理(材料参数见表1)，在外力较小的情况下是可行的。在两管片接缝中心设置三块截面尺寸为1.2 m×0.5 m，厚2 mm的压缩衬垫，采用单自由度弹簧单元模拟。

如图4所示，考虑了衬垫作用的管片接头，较没有考虑衬垫作用时的接缝转角有所增加，计算所得的接头抗弯刚度减小，其结果更为合理。

计算所得管片接头抗弯刚度见表4。

可见接缝处垫层对接头刚度影响很大。在接头断面混凝土处于弹性变形阶段，衬垫变形远比混凝土变形大，接头变形主要受衬垫变形控制，且当预紧力、偏心距、弯矩相同时，接头刚度随垫层厚度的加大而有所下降。

图4 考虑垫层作用时的接缝面相对位移曲线

表4 管片接头抗弯刚度计算表(二)

4 运用二维平面有限元模型进行分析比较

本文对上述算例分别用两种平面模型进行了有限元分析(考虑2 mm衬垫)，其材料属性和几何尺寸见表1，表2。两种平面分析结果比较见图5。

图5 两种平面分析结果比较

4.1 退化梁单元模型

文献［4］中介绍了一种能运用于混凝土结构空间有限元分析的退化梁单元模型。此单元在分析过程中将截面分块处理，能够对每个分块赋予不同的材料属性，所以该单元适用于分析各种截面形式梁、各向异性梁和组合梁等结构。文献［4］也指出利用退化梁单元能很方便地模拟混凝土开裂等混凝土非线性行为。所以应用此单元能够分析带螺栓截面的梁，同时将接缝处单元的材料属性设为只受拉不受压的衬垫橡胶的材料属性来分析隧道衬砌接头刚度。