关于隧道接头截面压区应变影响深度的研究

2018-12-19常岐

山西建筑 2018年33期

常岐

(中国铁路设计院集团有限公司，天津 300251)

1 概述

盾构隧道衬砌结构是由若干管片利用螺栓连接而成，接头是衬砌结构的薄弱环节，对于常用的混凝土平板式管片的平面式接头模型可以分为考虑传力衬垫和不考虑传力衬垫两种类型：1)对于考虑弹性衬垫作用的模型，将接头板假定为不产生挠曲变形的刚性板，将螺栓以及衬垫假定为弹簧，认为接头变形主要反映在螺栓和衬垫的变形上[1,2]；2)对于不考虑弹性衬垫作用的模型，认为接头截面的变形主要体现在接头混凝土压区变形以及螺栓的变形上。两种模型都是通过力的平衡关系和几何关系进行求解[5,6]，见图1，图2。

其中，针对上述第二种模型，村上博智、小泉淳等假定受压区压力分布为矩形，并且认为受压区合力作用点到受压区边缘的距离为截面中性轴到受压区边缘的1/3，推出了刚度计算式[4]；T.Iftimie假定受压区混凝土应力分布为抛物线分布，假定接头压区边缘混凝土变形量由下式计算：

其中，EC为混凝土弹性模量；l为压区应变的影响深度；σC为压区边缘应力；并假定接头压区高度hC=1，在此基础上给出了接头刚度计算式[3]；黄钟晖、孙文昊等人也在接头压区高度等于压区应变影响深度的基础上，给出了计算模型[5,6]；曾东洋，何川等人借助实验以及数值模拟的手段得出不同轴力、弯矩、偏心距以及螺栓预紧力等因素对管片接头抗弯刚度的影响，并给出抗弯刚度计算式[7,8]。

压区高度等于压区应变影响深度这一假设条件，实质上是三者δC，εC，l之间的关系，作者围绕这三者之间的关系，做了大量的数值模拟，并通过实验验证，三者之间的关系随着接头截面以及受力状态的不同而变化。

2 δC，εC，l三者关系研究

2.1 模型的建立

计算采用三位有限元计算软件MSC.Marc进行。在整体笛卡儿坐标系中对平板直接头管片进行二维建模分析，计算模型及约束施加示意图如图3所示。管片采用Planar11单元模拟，螺栓采用Line5单元模拟,两侧管片之间采用接触单元分析。在本次模拟中，长度L=1 000 mm；管片环宽取B=1 200 mm；螺栓为2根，直径为32 mm；管片厚度分别取30 mm,35 mm,40 mm,45 mm,50 mm,55 mm,60 mm七个数值，对应每一个厚度，螺栓位置分别取t/h=0.3,0.4,0.5三组数值，共21个模型。针对每一模型，轴力分别为300 kN,600 kN,900 kN，弯矩分别为60 kN·m,90 kN·m,120 kN·m，即每一个模型在不同的荷载组合下共有9组计算，计算中管片弹性模量3.45e10Pa泊松比0.2；连接螺栓弹性模量2.1e11Pa泊松比0.3。

2.2 计算结果及分析

通过模拟得到接头截面的变形如图4所示。

2.3 关系的确定

通过模型计算可以直接求得截面最高点的应变εC，通过截面压应力的存在与否可以确定接头截面的压区高度hC。

通过拟合可以得到如下关系：

(1)

其中，A1=4.40；t1=0.25；y0=0.09。

3 实验对比

依托于青草沙水源地原水工程输水隧道1∶1的管片接头试验。将实测结果与模拟结果对比。

试验中，轴向力N加载517.5 kN,垂向力P3=1 132.5 kN。加载图如图6，图7所示。试验工况按照横向力N按工况最大值的40%,70%,100%分3级加载，每级N加载完后，同时相应地增加垂向力P3(也按工况最大值的40%,70%,100%分3级加载)。图中N为轴力，P3为产生弯矩的垂直力。尺寸标注单位为mm。本次实验管片外径6.8 m，内径5.84 m，厚度0.48 m，环宽1.5 m，螺栓型心到衬砌上表面的距离为280 mm管片混凝土强度等级C55，块与块之间以4个M36环向螺栓连接。