盾构隧道接头构造的模拟方法

专利名称：盾构隧道接头构造的模拟方法
技术领域：
本发明涉及一种属隧道结构模型计算领域，具体涉及一种盾构隧道接头构造的模拟方法。
技术背景盾构隧道由管片拼装而成，在隧道的长期运营过程中，由于外界各种因素的影响，隧道 沿着纵向会发生不均匀沉降，隧道不均匀沉降引起衬砌结构接头变形，进而引起隧道的渗水 漏泥，目前隧道的渗漏水是运营隧道的主要病害之一。因此，如何合理模拟隧道纵向不均匀 沉降引起的接头变形对研究运营隧道的性能十分重要，其中接头的模拟合理与否决定了接头 变形计算的合理性和准确性。目前关于隧道纵向变形的模拟主要有以下几种方法(1) 纵向梁-弹簧模型釆用梁单元模拟衬砌环，以弹簧的轴向、剪切和转动效应模拟环间接头和螺栓。纵向梁 一弹簧模型将隧道作为一根梁来考虑。因此，不能从空间上描述接头的变形特征以及对隧道 防水的影响。(2) 纵向等效连续化模型 纵向等效连续化模型将隧道在横向上视为一均质圆环，在纵向以刚度等效的方法把结构转化为由接头和管片组成的梁-接头不连续模型与管片环间剪切模型，即釆用梁单元来模拟管 片，而借助一维接头单元来模拟管片间的接头效应。研究隧道的纵向沉降有一定的适用性， 但是不能描述隧道接头的变形。(3) 梁-接头不连续模型 梁一接头不连续模型考虑到接头变形的不连续性，将管片离散为梁单元，管片间的接头考虑成接头单元，借助一维接头单元来模拟管片间的接头效应。(4) 实体模型随着计算机技术的发展，利用数值计算方法将隧道衬砌按照实体单元进行计算，接头部 位采用接触单元来进行，接头螺栓采用梁单元或者杆单元进行模拟，目前的大型有限元分析 软件均可以进行混合单元的计算和分析。现有的计算方法主要存在以下两个方面的问题1、上述计算方法主要针对隧道的纵向受 力和纵向沉降展开，因此不能合理地描述接头的变形特征。2、接头模拟参数不容易确定。目前接头的计算模型一般需要输入接头的转动刚度和剪切刚度参数，由于衬砌整环试验或管片3接头试验成本较大，参数的确定一般凭经验或工程类比确定，存在较大的任意性。为了确定 这些参数， 一些学者根据接头构造建立了管片接头的力学模型，计算得到接头在荷载作用下 的转动刚度，这些力学模型对于理解接头在己知荷载作用下的受力特征和变形模式具有重要 意义。在实际衬砌结构中，不同位置的接头受到的荷载是未知并且不断变化的。不同的荷载 组合条件下，各接头虽然构造相同，接头的刚度参数却存在较大的差别。因此，直接应用接 头分析得到的参数计算衬砌结构的内力和接头变形会产生较大的误差。发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种盾构隧道接头构造的模拟方法，能更准确地反映管 片变形和受力状况。本发明采用以下技术方案一种盾构隧道接头构造的模拟方法，其特征是按如下步骤实施(1) 设置接头单元将接头接触面离散为多个节点，节点之间通过模拟弹簧的接头单元连 接，环向上接头单位有多层，分别模拟实际接头中的传力衬垫、螺栓和密封垫，同层 接头单元类型相同；(2) 设置初始弹簧刚度、边界条件、接头初始变位61;(3) 施加荷载；(4) 査看第一个接头单元；(5) 根据该接头单元类型设置弹簧法向刚度；(6) 判断是否设置所有接头单元，如果是，继续下个步骤(7);如果不是，査看下一个接 头单元，回到步骤(5);(7) 计算接头实际变位82;(8) 比较5,和62，如果两者之差在允许范围tol内，完成计算，算出隧道的接头变形； 如果两者相差超过允许范围，根据52计算隧道的附加荷载，并回到步骤(3)重新施加荷载。进一步地，环向上接头单位有四层，从内向外第一层弹簧模拟内侧传力衬垫，第二层弹 簧模拟螺栓，第三层弹簧模拟外侧传力衬垫，第四层弹簧模拟弹性密封垫。进一步地，步骤(5)中根据接头单元类型设置弹簧法向刚度的步骤如下(1)查看接头单元的法向^]量，根据法向向量的纵向分量判断接头单元属于环缝还是纵缝；(2) 根据坐标判断接头单元属于哪层弹簧类型；(3) 査看弹簧应力，根据弹簧应力设置弹簧法向刚度。进一步地，设置弹簧法向刚度的方法如下对于传力衬垫层弹簧，若法向弹簧受压，则 取实际压缩刚度，否则取零对于螺栓层弹簧，若法向弹簧受压，则取实际压縮刚度，否则 取实际拉伸刚度；对于密封垫层弹簧，若法向弹簧受压，则取实际压縮刚度，否则取零。本发明为了建立更真实反映接头的力学模型，按照接头构造排列顺序由多组弹簧来模拟， 每组弹簧代表一类接头构造材料，根据得到的节点弹簧应力或法向位移在计算过程中动态调 整弹簧参数，将接头模型应用到整环衬砌结构计算中。本发明采用考虑隧道接头构造特点的 模型来模拟接头在隧道纵向沉降过程中的变形特点，和其他接头模型相比较，具有如下特点(1) 和纵向梁一弹簧模型和梁一接头不连续模型相比，采用考虑接头构造的隧道接头模 拟方法，接头的刚度参数比较容易确定，可以根据弹簧的受力状态调整弹簧的刚度，使计算 结果更加合理；(2) 和实体模型相比较，采用考虑接头构造的隧道接头模拟方法，能够有效提高计算效 率，而且可以避免接触单元参数确定的随意性；(3) 采用考虑接头构造的隧道接头模拟方法，不仅能合理的计算隧道接头的张开量，并 且能够合理反映隧道接头的错台量，以及管片之间的相互位移和约束；(4) 采用考虑接头构造的隧道接头模拟方法，能够考虑接头刚度变化对隧道管片受力的 影响，能够比较合理反映隧道的受力；(5) 采用考虑接头构造的隧道接头模拟方法，解决了纵向梁一弹簧模型和纵向等效连续 化模型中的纵横向刚度不匹配的问题。


图l为本发明的流程图。图2为单个组合弹簧的示意图。图3为接头力学模型。图4、图5为管片接头受力前后的构造示意图。图6为节点对应的接触面面积。图7为弹簧法向刚度参数的设置和调整原则。图8为内侧传力衬垫受拉后的状态示意。图9为实例环向接头的模拟。
具体实施例方式
参见图l,实施步骤如下
(1) 开始；
(2) 设置接头单元，采用四组弹簧模拟管片四层构造，由内向外第一层弹簧模拟内侧 传力衬垫D，第二层弹簧模拟螺栓C,第三层弹簧模拟外侧传力衬垫B，第四层弹 簧模拟弹性密封垫A，每组弹簧包括多个子弹簧，环向上子弹簧的数量可根据管 片的尺寸和计算精度确定，轴向上的数量同样由计算精度确定；
(3) 设置初始弹簧刚度，包括法向刚度和剪切刚度，根据实际条件设置边界条件，拟 定接头初始变位5 ,;
(4) 施加荷载，计算固定时步；
(5) 査看第一个接头单元法向向量；
(6) 根据法向向量的纵向分量判断接头单元属于环缝还是纵缝；
(7) 根据坐标判断接头单元属于哪层弹簧类型
(8) 查看弹簧应力，根据弹簧应力设置弹簧法向刚度；
(9) 判断是否设置完所有接头单元参数，如果是，继续下个步骤(10);如果不是，査 看下一个接头单元法向向量，回到步骤(6);
(10) 计算固定时步；
(11) 计算接头初始变位62;
(12) 比较S!和S2，如果两者之差在允许范围tol内，完成计算，算出隧道的接头变形； 如果两者相差超过允许范围，根据62计算隧道的附加荷载，并回到步骤(4)重 新施加荷载。
本发明的接头单元模拟弹簧，按照实际接头构造分为四组弹簧，见图2~5。每组弹簧代 表一类接头构造材料，每组弹簧再由一系列子弹簧构成，子弹簧的数量根据管片的尺寸和计 算精度确定，每个子(组合)弹簧由剪切弹簧ks和法向弹簧kn组成。将接头接触面离散为一 系列对应的节点p，节点p之间通过组合弹簧产生相互作用，每个节点对应的接触面的面积称 为特征面积，见6图中阴影部分。每个节点对应一个组合弹簧，沿环向共有四层弹簧。
接头单元的类型由接头单元法向向量的纵向分量来确定。无论是环缝接头单元还是纵缝
6接头单元，在判断弹簧法向刚度时，都需要确定该单元所处四层弹簧中的哪一层以及查看法 向应力。具体判断原则如下，参见图7:对于传力衬垫层弹簧，若法向弹簧受压，则取实际压 縮刚度，不然取零(见图8);对于螺栓层弹簧，若法向弹簧受压，则取实际压縮刚度，不然
取实际拉伸刚度；对于密封垫层弹簧，若法向弹簧受压，则取实际压缩刚度，不然取零。
调整弹簧参数的方法和设置一样，对于传力衬垫和弹性密封垫，如果出现弹簧拉伸现象， 弹簧退出工作状态。
本发明基于衬砌结构接头的构造特征，建立了衬砌结构接头的力学模型，根据得到的节 点弹簧应力或法向位移在计算过程中动态调整弹簧参数，将接头模型应用到整环衬砌结构计 算中。可以同时考虑衬砌的环向、纵向结构性能，计算衬砌管片和接头的内力和变形，更加 准确地反映管片的变形和受力状况。
下面通过实例进一步描述本发明。
隧道衬砌圆环内径5.5m,管片厚度0.35m，环宽lm。 一环内衬砌分6块，其中1块封顶 块，2块邻接块，2块标准块，l块封底块，衬砌环间以16根M30的纵向螺栓相连。管片混 凝土强度等级C50，弹性模量3.45E10pa，泊松比0.2。传力衬垫材料的压縮刚度2.4犯llPa/m; 弹性密封垫材料的压縮刚度为9E7Pa/m。
以环向接头为例介绍接头的模拟方法
管片单元将衬砌结构在环向96等分，每个单元对应的圆心角9为3.75°，沿径向分为3个 单元，对应4层弹簧，因此环向接触面采用了 384个组合弹簧(每个组合弹簧包括压縮弹簧 和剪切弹簧)进行模拟，如图9所示。由内向外第1层弹簧模拟内侧传力衬垫，第2层弹簧 模拟螺栓，第3层模拟外侧传力衬垫，第4层弹簧模拟弹性密封垫。
1、弹簧压縮刚度的确定
以环缝内侧传力衬垫为例，衬垫的实际面积为1.59m2，对应衬垫弹簧的节点特征面积为 1.02m2，节点的特征面积对弹簧对应的单元面积，则计算模型中衬垫的压縮刚度参数为 2.48EllPa/mxi.59m2+1.02m2=3.87EllPa/m。 2、弹簧剪切刚度的确定
考虑到接头发生错台时的变形特点，接头的剪切刚度可以取为同一数值，针对实例中的 隧道剪切刚度可取为9.78E7Pa/m。
权利要求
1.一种盾构隧道接头构造的模拟方法，其特征是按如下步骤实施(1)设置接头单元将接头接触面离散为多个节点，节点之间通过模拟弹簧的接头单元连接，环向上接头单位有多层，分别模拟实际接头中的传力衬垫、螺栓和密封垫，同层接头单元类型相同；(2)设置初始弹簧刚度、边界条件、接头初始变位δ1；(3)施加荷载；(4)查看第一个接头单元；(5)根据该接头单元类型设置弹簧法向刚度；(6)判断是否设置所有接头单元，如果是，继续下个步骤(7)；如果不是，查看下一个接头单元，回到步骤(5)；(7)计算接头实际变位δ2；(8)比较δ1和δ2，如果两者之差在允许范围to1内，完成计算，算出隧道的接头变形；如果两者相差超过允许范围，根据δ2计算隧道的附加荷载，并回到步骤(3)重新施加荷载。
2. 根据权利要求1所述的盾构隧道接头构造的模拟方法，其特征是环向上接头单位有四层， 从内向外第一层弹簧模拟内侧传力衬垫，第二层弹簧模拟螺栓，第三层弹簧模拟外侧传力 衬垫，第四层弹簧模拟弹性密封垫。
3. 根据权利要求2所述的盾构隧道接头构造的模拟方法，其特征是步骤(5)中根据接头单 元类型设置弹簧法向刚度的步骤如下(1) 査看接头单元的法向向量，根据法向向量的纵向分量判断接头单元属于环缝还是纵 缝；(2) 、根据坐标判断接头单元属于哪层弹簧类型；(3) 査看弹簧应力，根据弹簧应力设置弹簧法向刚度。
4. 根据权利要求3所述的盾构隧道接头构造的模拟方法，其特征是设置弹簧法向刚度的方法如下对于传力衬垫层弹簧，若法向弹簧受压，则取实际压縮刚度，否则取零；对于螺栓 层弹簧，若法向弹簧受压，则取实际压缩刚度，否则取实际拉伸刚度；对于密封垫层弹簧， 若法向弹簧受压，则取实际压縮刚度，否则取零。
全文摘要
本发明公开了一种盾构隧道接头构造的模拟方法，其特征是按如下步骤实施(1)设置接头单元将接头接触面离散为多个节点，节点之间通过模拟弹簧的接头单元连接，环向上接头单位有多层，分别模拟实际接头中的传力衬垫、螺栓和密封垫，同层接头单元类型相同；(2)设置初始弹簧刚度、边界条件、接头初始变位δ₁；(3)施加荷载；(4)查看第一个接头单元；(5)根据该接头单元类型设置弹簧法向刚度；(6)判断是否设置所有接头单元，如果是，继续下个步骤(7)；如果不是，查看下一个接头单元，回到步骤(5)；(7)计算接头实际变位δ₂；(8)比较δ₁和δ₂，如果两者之差在允许范围tol内，完成计算，算出隧道的接头变形；如果两者相差超过允许范围，根据δ₂计算隧道的附加荷载，并回到步骤(3)重新施加荷载。本发明基于衬砌结构接头的构造特征，建立了衬砌结构接头的力学模型，根据得到的节点弹簧应力或法向位移在计算过程中动态调整弹簧参数，将接头模型应用到整环衬砌结构计算中。可以同时考虑衬砌的环向、纵向接头性能，计算衬砌管片和接头的内力和变形，更加准确地反映管片的变形和受力状况。
文档编号G06F17/50GK101667220SQ200910196100
公开日2010年3月10日 申请日期2009年9月22日 优先权日2009年9月22日
发明者张冬梅, 樊振宇, 黄宏伟 申请人:同济大学