一种行波作用下考虑地层变化的沉管隧道接头性能获取方法

本发明属于地下工程，具体涉及一种行波作用下考虑地层变化的沉管隧道接头性能获取方法。

背景技术：

1、近年来，伴随城市轨道交通的快速发展，跨海沉管隧道纵向长度不断增加，不可避免的要穿越不同性质的地层，地层突变导致沉管隧道在地震动作用下产生较大变形，位于不同地层交界面附近上方的管节产生受力突变和变形突变，须严格保证不同地层交界面附近的密封性。因此，有必要在地层变化位置建立管节接头，以使沉管隧道整体结构缓解和适应由于地层变化导致的交界面上方管节受力突变和变形突变。为探究地震荷载对管节接头受力和变形的影响规律，预防接头发生渗漏，本发明建立行波作用下考虑地层变化的沉管隧道管节接头计算模型及方法。

2、目前，国内外沉管隧道结构设计中大多将地震荷载下的接头响应进行数值模拟和实验研究，有关穿越变化地层的管节接头性能研究的理论计算较少，且已有沉管隧道结构受力计算中，多将地基模型视为winkler地基模型，而未考虑地基的连续性，同时忽视了接头的受力和变形连续性条件。

技术实现思路

1、根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种行波作用下考虑地层变化的沉管隧道接头性能获取方法，将管节视为euler梁模型，将地基视为pasternak地基模型，引入位移相位角模拟地震的行波效应，考虑行波作用对于管节非一致激励的影响，考虑接头的受力和变形连续性条件，获取接头的受力峰值变化及接头突变段影响范围。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种行波作用下考虑地层变化的沉管隧道接头性能获取方法，包括以下步骤：

4、步骤1、在有限元软件中，建立第一段半无限长弹性地基梁和第二段半无限长弹性地基梁，第一段半无限长弹性地基梁位于土层i中，第二段半无限长弹性地基梁位于土层ii中；

5、步骤2、忽略沉管隧道横截面的变形，将管节视为euler梁模型，将地基视为pasternak地基模型，引入位移相位角模拟地震的行波效应，考虑行波作用对于管节非一致激励的影响，沉管隧道接头位于土层i和土层ii之间的变化地层交界面，获取与管节抗弯刚度相关的变化地层交界面的沉管隧道弯曲控制方程；

6、步骤3、采用抗弯弹簧和抗剪弹簧模拟接头的受弯和受剪，考虑接头处的抗弯刚度和抗剪刚度对于竖向位移差、转角、弯矩和剪力的传递作用，分析接头的受力峰值变化及接头突变段影响范围。

7、进一步地，在步骤2中，作用在土层ⅰ和土层ⅱ的自由场位移函数为：

8、

9、式中：u(z)1和u(z)2分别为土层ⅰ和土层ⅱ在距地表z米处的自由场位移峰值；和λ分别为地震波入射角和地震波波长，单位分别为rad和m；s1和s2分别为土层ⅰ和土层ⅱ受到的自由场竖向位移，单位为m；θ0为地震波位移相位角，单位为rad；x为沉管隧道沿结构纵向的不同位置，单位为m；

10、沉管隧道的弯曲控制方程可表示为：

11、

12、式中：ei为管节抗弯刚度，单位为n·m2，p为沉管隧道和地层之间的相互作用力，单位为n，b为沉管隧道的管节宽度，单位为m；w为沉管隧道变形，单位为m；

13、将土层与沉管隧道的相互作用简化为地基压缩层反作用力和地基剪切层剪力，在这种情况下，土层与沉管隧道之间的相互作用力可以表示为：

14、

15、式中：s自由场竖向位移，单位为m；kh为地基弹性抗力系数，单位为pa；

16、有关于地基弹性抗力系数的计算可以表示为：

17、

18、式中：ρs和v分别是地基的密度和泊松比，密度单位为kg/m3，h是沉管隧道高度，单位为m；λ是地震波波长，单位为m；vs为土层ⅰ和土层ⅱ的剪切波速，单位为m/s；

19、引入位移相位角，土层ⅰ和土层ⅱ区域的沉管隧道弯曲控制方程为：

20、

21、式中：kh1和kh2分别为土层ⅰ和土层ⅱ的地基弹性抗力系数，单位为pa；g1和g2分别为土层ⅰ和土层ⅱ的地基剪切系数，单位为pa。

22、进一步地，利用广义反应位移法对沉管隧道接头受力及变形进行分析，沉管隧道接头处转角和竖向位移差可以表示为：

23、δψ＝mⅰ/kw (6)

24、δw＝qⅰ/kj (7)

25、式中：kw和kj分别为接头处的抗弯刚度和抗剪刚度，mⅰ和qⅰ分别为前一管节在靠近接头处的弯矩和剪力；

26、定义变化地层交界面接头位置处为坐标原点，管节纵向为x轴，沿地层竖向为y轴，接头处的受力和变形的连续条件为：

27、

28、通过矩阵传递原理，能够计算得到不同地层段沉管隧道接头处的竖向位移差、转角、弯矩和剪力。

29、进一步地，根据不同地层段沉管隧道接头处的竖向位移差、转角、弯矩和剪力，选取最优变形和受力解。

30、进一步地，所述步骤1中，有限元软件为abaqus。

31、进一步地，所述步骤2和所述步骤3，采用matlab软件编写程序，赋予土层ⅰ和土层ⅱ、管节和接头、地震合理的特性参数。

32、进一步地，对于管节和接头，使受力在允许范围内越小越好，变形在允许范围内，选取合适的管节抗弯刚度、接头抗弯刚度和接头抗剪刚度。

33、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

34、现有参考文献中对于地震荷载下沉管隧道变形的研究集中于数值模拟和实验，对于穿越不同地层交界面附近的沉管隧道管节受力峰值变化及由于地层变化导致的管节变形受力的影响范围研究较少，在理论计算方面，未考虑在不同地层交界面附近建立接头，分析其在地震下的变形受力传递作用。本发明的理论基础扎实，建立两段半无限长弹性地基梁，以正弦波荷载模拟地震，引入位移相位角模拟地震的行波效应，考虑行波作用对于管节非一致激励的影响。沉管隧道接头位于变化交界面，采用抗弯弹簧和抗剪弹簧模拟接头的受弯和受剪，考虑接头对于竖向位移差、转角、弯矩和剪力的传递作用，分析接头的受力峰值变化及接头突变段影响范围。实际计算中可利用matlab软件编写程序，赋予土层ⅰ和土层ⅱ、管节和接头、地震合理的特性参数，借助计算机的运算能力提高计算精度和速度。

35、利用本发明提出的地震荷载下的管节接头计算模型及理论方法，可对行波作用下的沉管隧道地震响应进行计算，从而研究接头变形和受力的响应规律。此外，通过控制单一变量，改变诸如接头刚度和管节刚度的相关参数取值，计算不同工况下的接头动力响应结果并进行对比分析，可以讨论单因素对管节接头性能的影响。

技术特征：

1.一种行波作用下考虑地层变化的沉管隧道接头性能获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的行波作用下考虑地层变化的沉管隧道接头性能获取方法，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的行波作用下考虑地层变化的沉管隧道接头性能获取方法，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的行波作用下考虑地层变化的沉管隧道接头性能获取方法，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的行波作用下考虑地层变化的沉管隧道接头性能获取方法，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的行波作用下考虑地层变化的沉管隧道接头性能获取方法，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的行波作用下考虑地层变化的沉管隧道接头性能获取方法，其特征在于：

技术总结
本发明提供一种行波作用下考虑地层变化的沉管隧道接头性能获取方法，包括建立第一段半无限长弹性地基梁和第二段半无限长弹性地基梁，第一段半无限长弹性地基梁位于土层I中，第二段半无限长弹性地基梁位于土层II中；忽略沉管隧道横截面的变形，将管节视为Euler梁模型，将地基视为Pasternak地基模型，引入位移相位角模拟地震的行波效应，考虑行波作用对于管节非一致激励的影响，沉管隧道接头位于变化地层交界面，获取变化地层交界面的沉管隧道弯曲控制方程；采用抗弯弹簧和抗剪弹簧模拟接头的受弯和受剪，考虑接头对于竖向位移差、转角、弯矩和剪力的传递作用，分析接头的受力峰值变化及接头突变段影响范围，本发明能够准确接头变形和受力的响应规律。

技术研发人员：郑烨炜,周桓竹,郑俊杰,陶凤娟,纪明昌,徐传堡,刘圣安
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11