矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计

1.本发明涉及建筑施工设计领域，具体为矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计。


背景技术：

2.顶管法是一种非开挖技术，主要用于地下管道的铺设，顶进管道时借助主顶油缸的顶推力,在长度较大时也可借助中继间来传递顶推力，把顶管掘机从始发工作井顶到接收井内并吊起，在此过程中顶管掘进后的管道直接铺设在始发井与接受井之间的土层中。1896年美国北太平洋铁路铺设工程中第一次使用顶管施工技术，并取得满意的效果。顶管施工技术在我国最早开始使用是在1953年的北京，经过多年的发展，顶管技术在我国已得到大量地实际工程应用，且保持着高速的增长势头，无论在技术上、顶管设备还是施工工艺上取得了很大的进步，在某些方面甚至已达到了世界领先水平。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计，通过该研究与优化设计探讨顶管顶进时管节之间的力学行为，提出了基于多体模型预测顶力的新方法，对顶进力与摩擦力和迎面阻力的关系进行讨论。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计，其具体包括如下步骤：s1、确定矩形曲线顶管顶进施工过程中顶管上的荷载分布，并计算荷载；s2、建立矩形曲线钢顶管多体系统动力学模型，根据多体动力学基本理论，通过模型获取动力学普遍方程、广义速度公式、动力学控制方程和多体系统的动力学控制方程；s3、确定计算模型和连接器单元运动约束属性，操作sdk使用两节点连接单元在系统各部分之间建立联系，并通过定义连接属性来描述各部分之间的相对运动约束关系；s4、确定模型计算物理力学参数，假定地层荷载、摩擦阻力、管端正面阻力都是均匀分布的，假定钢材为理想弹塑性钢材，管节模型取两节，通过连续单元连接两管节；s5、进行直线顶管多体模型分析，钢管采用壳单元，选用s6r类型进行网格划分；s6、进行直线顶管转变为矩形曲线顶管多体模型分析，模拟中采用多节管道，矩形曲线管道钢管通过接头连接而成；s7、矩形曲线顶管多体系统动学模型顶管顶进力预计计算，钢管采用壳单元，选用s6r类型单元进行网格划分。
5.优选的，步骤s1中，确定矩形曲线顶管顶进过程中顶管上的荷载分布，并计算荷载具体为：首先，确定矩形曲线顶管上的土压力，分别采用土柱理论、普氏理论和太沙基理论进行分析，与实验对比确定采用太沙基理论；其次，确定顶进过程中的单位面积摩擦阻力，摩擦阻力受土的性质、管道的材料、
润滑浆液的配合比、管
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润滑浆液
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土三者的接触状态的影响；最后，确定顶进时的顶力，顶力由管周摩擦阻力和管端正面阻力的大小决定。
6.优选的，步骤s2中，动力学普遍方程为：其中，q为广义坐标向量；t为系统动能；q为广义力；系统动能t由广义速度表示为：其中，q为广义速度向量；m为质量矩阵；物体的动力学控制方程为：其中，为广义加速度向量；m为质量矩阵；k为刚度矩阵；qf主动力对应的广义力；qv为速度的二次项有关的广义力；多体系统的动力学控制方程为：其相应的约束方程为：c(q,t)＝0式中，λ为拉格朗日乘子列阵；c为约束矩阵；为约束的雅克比转置矩阵。
7.优选的，步骤s3具体为：s31、在part、assembly或interaction功能模块中，定义连接单元和约束所要用到的参考点和基准坐标系；s32、在interaction模块中，设置连接单元、连接属性和约束；s33、在step模块中，设置单元的历史变量输出；如果模型中出现较大的位移或转动，应将几何非线性参数nlgeom设置为on；s34、在load模块中，定义边界条件和载荷，以及连接单元的边界条件和载荷；s35、在visualization模块中，查看连接单元的历史变量输出、控制连接单元的显示方式。
8.优选的，步骤s5中，直线顶管采用slide
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plane和旋转连接属性cardan；计算出每增加一个管节推力值增加为一个定值，主要原因是摩擦力的影响；在直线顶管顶进过程中管节与管节之间会出现一定的相对转动，且相对转角处于动态变化的过程；管节之间连接时允许一定的转动自由度，可以减少管节之间的转动弯矩。
9.优选的，步骤s6中，还包括确定连接属性的步骤：首先，两管节之间采用四个连接单元对称分布在管周，曲线内侧连接单元为平移连接属性join和旋转连接属性cardan,其余连接单元为平移连接属性slot和旋转连接属性cardan；
其次，顶管直线转变为曲线的过程中，随着顶进距离的增加，管节之间的夹角在增大，且呈现出线性关系。
10.优选的，步骤s7中，连接属性采用平移连接属性join和旋转连接属性revolute；由于摩擦力的影响，每增加一节管节，推力值增加为一个定值，且与直线顶管增加值相近；管节之间的相对转角在顶进时表现出动态变化，但相对转动角都非常小，比直线顶管小很多；管道在矩形曲线顶进过程中，为保持管节轨迹为曲线，管节之间会产生水平力，且呈现出水平力两头大中间小的规律；在长距离顶管中，单位面积摩擦阻力是影响顶力大小的主要因素。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、可计算出矩形曲线顶管顶进的总顶力，为顶进设备的选购提供依据；2、可计算出各管节之间的顶进力和相对角度，为管节的顶进提供可靠度，避免管节顶进过程中出现偏差而影响施工的进度与质量。
附图说明
12.图1为本发明的施工流程示意图；图2为本发明矩形曲线顶管施工过程中受力模型图；图3为本发明直线顶管进受力图；图4为本发明矩形曲线顶管进受力图；图5为本发明直线钢顶管多体动力学模型；图6为本发明矩形曲线钢顶管多体动力学模型；图7为本发明连接器单元位置示意图。
具体实施方式
13.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
14.请参阅图1
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7，本发明提供一种技术方案：矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计，其具体包括如下步骤：s1、确定矩形曲线顶管顶进施工过程中顶管上的荷载分布，并计算荷载；s2、建立矩形曲线钢顶管多体系统动力学模型，根据多体动力学基本理论，通过模型获取动力学普遍方程、广义速度公式、动力学控制方程和多体系统的动力学控制方程；s3、确定计算模型和连接器单元运动约束属性，操作sdk使用两节点连接单元在系统各部分之间建立联系，并通过定义连接属性来描述各部分之间的相对运动约束关系；s4、确定模型计算物理力学参数，假定地层荷载、摩擦阻力、管端正面阻力都是均匀分布的，假定钢材为理想弹塑性钢材，管节模型取两节，通过连续单元连接两管节；s5、进行直线顶管多体模型分析，钢管采用壳单元，选用s6r类型进行网格划分；s6、进行直线顶管转变为矩形曲线顶管多体模型分析，模拟中采用多节管道，矩形曲线管道钢管通过接头连接而成；
s7、矩形曲线顶管多体系统动学模型顶管顶进力预计计算，钢管采用壳单元，选用s6r类型单元进行网格划分。
15.进一步的，步骤s1中，确定矩形曲线顶管顶进过程中顶管上的荷载分布，并计算荷载具体为：首先，确定矩形曲线顶管上的土压力，分别采用土柱理论、普氏理论和太沙基理论进行分析，与实验对比确定采用太沙基理论；其次，确定顶进过程中的单位面积摩擦阻力，摩擦阻力受土的性质、管道的材料、润滑浆液的配合比、管
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润滑浆液
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土三者的接触状态的影响；最后，确定顶进时的顶力，顶力由管周摩擦阻力和管端正面阻力的大小决定。
16.进一步的，步骤s2中，动力学普遍方程为：其中，q为广义坐标向量；t为系统动能；q为广义力；系统动能t由广义速度表示为：其中，q为广义速度向量；m为质量矩阵；物体的动力学控制方程为：其中，为广义加速度向量；m为质量矩阵；k为刚度矩阵；qf主动力对应的广义力；qv为速度的二次项有关的广义力；多体系统的动力学控制方程为：其相应的约束方程为：c(q,t)＝0式中，λ为拉格朗日乘子列阵；c为约束矩阵；为约束的雅克比转置矩阵。
17.进一步的，步骤s3具体为：s31、在part、assembly或interaction功能模块中，定义连接单元和约束所要用到的参考点和基准坐标系；s32、在interaction模块中，设置连接单元、连接属性和约束；s33、在step模块中，设置单元的历史变量输出；如果模型中出现较大的位移或转动，应将几何非线性参数nlgeom设置为on；s34、在load模块中，定义边界条件和载荷，以及连接单元的边界条件和载荷；s35、在visualization模块中，查看连接单元的历史变量输出、控制连接单元的显示方式。
18.进一步的，步骤s5中，直线顶管采用slide
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plane和旋转连接属性cardan；计算出
每增加一个管节推力值增加为一个定值，主要原因是摩擦力的影响；在直线顶管顶进过程中管节与管节之间会出现一定的相对转动，且相对转角处于动态变化的过程；管节之间连接时允许一定的转动自由度，可以减少管节之间的转动弯矩。
19.进一步的，步骤s6中，还包括确定连接属性的步骤：首先，两管节之间采用四个连接单元对称分布在管周，曲线内侧连接单元为平移连接属性join和旋转连接属性cardan,其余连接单元为平移连接属性slot和旋转连接属性cardan；其次，顶管直线转变为曲线的过程中，随着顶进距离的增加，管节之间的夹角在增大，且呈现出线性关系。
20.进一步的，步骤s7中，连接属性采用平移连接属性join和旋转连接属性revolute；由于摩擦力的影响，每增加一节管节，推力值增加为一个定值，且与直线顶管增加值相近；管节之间的相对转角在顶进时表现出动态变化，但相对转动角都非常小，比直线顶管小很多；管道在矩形曲线顶进过程中，为保持管节轨迹为曲线，管节之间会产生水平力，且呈现出水平力两头大中间小的规律；在长距离顶管中，单位面积摩擦阻力是影响顶力大小的主要因素。
21.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。