通縫與錯縫管片結(jié)構(gòu)分析

1、. .通縫與錯縫管片構(gòu)造分析MIDAS/GTS在梁-彈簧法中的應(yīng)用1 梁-彈簧模型的介紹地下構(gòu)造與地上構(gòu)造相比，雖然在幾何上都可以簡化為框架構(gòu)造，但由于地下構(gòu)造在上覆土荷載的作用下，其變形要受到周圍土體本身的約束，從某種意義上來說，圍巖是地下構(gòu)造上的荷載，但同時也是構(gòu)造本身的一局部。所以，必須考慮構(gòu)造與圍巖之間的相互作用問題。同時為了模擬接頭在構(gòu)造中的作用，Kubo,Yuki,Yamamoto,Murakami,Koizumi等提出用彈性鉸來模擬管片接頭的力學(xué)特性。彈性鉸既非剛性鉸，也不是完全鉸，其承擔(dān)的彎矩多少，與接頭的剛度大小成正比。彈性鉸在法向和切向都設(shè)置有彈簧，允許接頭兩側(cè)管片有相對位

2、移，在相互作用力一定的情況下，位移的大小由彈簧剛度決定。假設(shè)將管片構(gòu)造視為梁，接頭視為變形連續(xù)的彈簧，分別用來模擬管片和接頭的力學(xué)特性，這種模型被稱為“梁-彈簧模型。在進(jìn)展地鐵隧道的內(nèi)力和變形分析計算時，可以采用梁-彈簧模型法。其根本假定如下：l 假定管片為小變形彈性梁，管片為足夠多個離散等厚度直梁單元；l 用布置于模型各節(jié)點上的彈簧單元來模擬圍巖與構(gòu)造的相互作用，彈簧單元不能承受拉力，受拉力將自動脫落，彈簧的彈性系數(shù)由Winkler假定為根底的局部變形理論確定，一般采用地層的彈性抗力系數(shù)K值單位為KN/m3，再計算得出模擬構(gòu)造與地層相互作用間彈簧的彈性系數(shù)；l 構(gòu)造底部作用一樣的豎向反力來平

3、衡地面荷載、土壓、水壓以及構(gòu)造的自重。本文將管片作為計算上較為簡單的直梁單元考慮，采用旋轉(zhuǎn)彈簧和剪切彈簧分別模擬管片間和管片環(huán)間螺栓的實際效應(yīng)。同時將地層與管片之間的相互作用用地基彈簧單元模擬。相對于將管片環(huán)考慮為均勻剛度的其他管片，就設(shè)計方面而言，梁-彈簧模型法較為全面地考慮接頭對構(gòu)造的影響，能夠更加接近地反映管片的實際工作情況。作用于管片上的荷載主要為管片自重、上覆荷載、垂直土壓力、水平土壓力及下部垂直荷載抗力。2 問題的描述每個單環(huán)管片的直徑為12m，厚度0.5m，長度為1.5m，采用C30的混凝土，分塊采用了國內(nèi)地鐵隧道中的常用方法，即8塊分割，容重為，彈性模量為30GPa，泊松比為0

4、.2。管片頂部距離地表的埋深為30m，土的容重為20KN/m3，地面上覆荷載為20KN/m3。考慮全周地基彈簧，且地基抗力系數(shù)取為10000KN/m3。對于管片接頭彈簧參數(shù)，本文主要參考國內(nèi)外地鐵隧道設(shè)計的一些實例，考慮弧形螺栓的特征選取了如下表所示的經(jīng)歷值。表1：管片接頭彈簧的根本參數(shù)管片環(huán)間剪切彈簧模量KN*m-1管片間旋轉(zhuǎn)彈簧模量KN*m*rad-1半徑方向切線方向正方向負(fù)方向1.1491057.861051.21059104在本次荷載的計算中，水平壓力用豎向荷載乘以側(cè)壓力系數(shù)0.6表示，荷載的計算結(jié)果如下表所示。表2：荷載計算表荷載豎向KN/m2側(cè)壓力系數(shù)水平KN/m2地面荷載上側(cè)土壓

5、構(gòu)造自重上側(cè)荷載下側(cè)荷載上側(cè)荷載下側(cè)荷載數(shù)值20600256206450.63725163 建模過程3。1 建立單環(huán)幾何模型考慮管片間的接頭建立幾何模型如下所示。圖1：單環(huán)幾何模型3。2 建立單環(huán)有限元模型對其進(jìn)展網(wǎng)格劃分，如下：圖2：單環(huán)有限元模型3。3 通過復(fù)制和旋轉(zhuǎn)生成通縫與錯縫模型在進(jìn)展計算時對通縫考慮一環(huán)為根本單元，對錯縫考慮二環(huán)為根本單元。在本文考慮4環(huán)進(jìn)展分析，左邊為通縫模型，右邊為錯縫模型，錯角為22.5度。圖3：通縫與錯縫有限元模型3。4 建立管片間的旋轉(zhuǎn)彈簧按照表1的參數(shù)建立管片之間的旋轉(zhuǎn)彈簧如下：圖4：通縫與錯縫管片間連接模型3。5 建立管片環(huán)間的剪切彈簧按照表1的參數(shù)建

6、立管片環(huán)之間的剪切彈簧如下：圖5：通縫與錯縫管片環(huán)間連接模型3。6 建立地基彈簧單元生成加在其法線方向上面的地基彈簧，且一般假定彈簧單元的長度為1，其實長度對計算結(jié)果并無影響。圖6：通縫與錯縫地基彈簧模型3。7 加載與求解按照表2的設(shè)定對模型進(jìn)展加載：圖7：加載圖3。8 后處理進(jìn)入后處理對結(jié)果進(jìn)展查看。3.8.1 位移圖通縫豎直位移DZ圖如下：圖8：通縫DZ位移圖錯縫豎直位移DZ圖如下：圖9：錯縫DZ位移圖通縫與錯縫的整體位移DXYZ圖如下：圖10：通縫與錯縫的整體位移DXYZ圖3.8.2 內(nèi)力及彎矩圖圖11：通縫的軸力FX圖第二環(huán)第一環(huán)第三環(huán)第四環(huán)圖12：通縫各個環(huán)的軸力FX圖圖13：錯縫的

7、軸力FX圖第二環(huán)第一環(huán)第三環(huán)第四環(huán)圖14：錯縫各個環(huán)的軸力FX圖圖15：通縫的剪力FZ圖第二環(huán)第一環(huán)第三環(huán)第四環(huán)圖16：通縫各個環(huán)的剪力FZ圖圖17：錯縫的剪力FZ圖第二環(huán)第一環(huán)第三環(huán)第四環(huán)圖18：錯縫各個環(huán)的剪力FZ圖圖19：通縫的彎矩MY圖第二環(huán)第一環(huán)第三環(huán)第四環(huán)圖20：通縫各個環(huán)的彎矩MY圖圖21：錯縫的彎矩MY圖第二環(huán)第一環(huán)第三環(huán)第四環(huán)圖22：錯縫各個環(huán)的彎矩MY圖3.8.3 通縫與錯縫單環(huán)之間的比較使用梁-彈簧模型對通縫和錯縫之間構(gòu)造受力和構(gòu)造變形的差異進(jìn)展了計算，把邊界處的兩環(huán)鈍掉，那么中間兩環(huán)的計算結(jié)果如下：對于第二環(huán)：圖23：通縫與錯縫第二環(huán)的DXYZ圖圖24：通縫與錯縫第二環(huán)

8、的軸力FX圖圖25：通縫與錯縫第二環(huán)的剪力FZ圖圖26：通縫與錯縫第二環(huán)的彎矩MY圖通縫與錯縫第二環(huán)的最大值比較表如下：表3：通縫與錯縫式的第二環(huán)比較第二環(huán)襯砌管片型式DXYZFXKNFZKNMYKN*m通縫型式50.3323.7861034.3961027.545102錯縫型式42.9194.5471036.2091021.010103對于第三環(huán)：圖27：通縫與錯縫第三環(huán)的DXYZ圖圖28：通縫與錯縫第三環(huán)的軸力FX圖圖29：通縫與錯縫第三環(huán)的剪力FZ圖圖30：通縫與錯縫第三環(huán)的彎矩MY圖通縫與錯縫第三環(huán)的最大值比較表如下：表4：通縫與錯縫式的第三環(huán)比較環(huán)襯砌管片型式DXYZFXKNFZKN

9、MYKN*m通縫型式50.3323.7861034.3961027.545102錯縫型式42.6664.6481037.0011021.169103由上述結(jié)果可知：通縫和錯縫之間的區(qū)別從本質(zhì)上講是一個管片環(huán)整體剛度上的差異。錯縫的存在使得管片環(huán)之間的螺栓可以發(fā)揮縱向加強(qiáng)作用，使得管片間接頭處的薄弱部位得到加強(qiáng)從而增加了管片環(huán)整體的剛度。與通縫型式的襯砌管片相比，錯縫型式的襯砌管片存在縱向加強(qiáng)作用，使得管片最大彎矩有所增加。這一結(jié)果從側(cè)面反映由于接頭的加強(qiáng)效應(yīng)管片整體的剛度有所提高。從變形的角度，錯縫條件下的豎直位移都有所減小，且減小的很大。從中可以看出，在一樣計算條件的情況下，通縫和錯縫具有一

10、定的差異，錯縫在構(gòu)造受力、變形等方面是優(yōu)于通縫的。3.8.4 通縫與錯縫單環(huán)之間各個管片的比較考慮到錯縫管片拼裝的實際情況，為了增強(qiáng)其與通縫隧道的可比性，取第三環(huán)的各個管片進(jìn)展比較如下一般原那么是左邊是通縫的那么右邊是錯縫的，或那么是上邊是通縫的那么下邊是錯縫的，故如下不再一一進(jìn)展交代：對于第三環(huán)的管片A1：圖31：通縫與錯縫第三環(huán)的A1管片的DXYZ圖圖32：通縫與錯縫第三環(huán)的A1管片的FX圖圖33：通縫與錯縫第三環(huán)的A1管片的FZ圖圖34：通縫與錯縫第三環(huán)的A1管片的MY圖對于第三環(huán)的管片A2：圖35：通縫與錯縫第三環(huán)的A2管片的DXYZ圖圖36：通縫與錯縫第三環(huán)的A2管片的FX圖圖37：

11、通縫與錯縫第三環(huán)的A2管片的FZ圖圖38：通縫與錯縫第三環(huán)的A2管片的MY圖對于第三環(huán)的管片A3：圖39：通縫與錯縫第三環(huán)的A3管片的DXYZ圖圖40：通縫與錯縫第三環(huán)的A3管片的FX圖圖41：通縫與錯縫第三環(huán)的A3管片的FZ圖圖42：通縫與錯縫第三環(huán)的A3管片的MY圖對于第三環(huán)的管片A4：圖43：通縫與錯縫第三環(huán)的A4管片的DXYZ圖圖44：通縫與錯縫第三環(huán)的A4管片的FX圖圖45：通縫與錯縫第三環(huán)的A4管片的FZ圖圖46：通縫與錯縫第三環(huán)的A4管片的MY圖對于第三環(huán)的管片B1：圖47：通縫與錯縫第三環(huán)的B1管片的DXYZ圖圖48：通縫與錯縫第三環(huán)的B1管片的FX圖圖49：通縫與錯縫第三環(huán)的

12、B1管片的FZ圖圖50：通縫與錯縫第三環(huán)的B1管片的MY圖對于第三環(huán)的管片B2：圖51：通縫與錯縫第三環(huán)的B2管片的DXYZ圖圖52：通縫與錯縫第三環(huán)的B2管片的FX圖圖53：通縫與錯縫第三環(huán)的B2管片的FZ圖圖54：通縫與錯縫第三環(huán)的B2管片的MY圖對于第三環(huán)的管片B3：圖55：通縫與錯縫第三環(huán)的B3管片的DXYZ圖圖56：通縫與錯縫第三環(huán)的B3管片的FX圖圖57：通縫與錯縫第三環(huán)的B3管片的FZ圖圖58：通縫與錯縫第三環(huán)的B3管片的MY圖對于第三環(huán)的管片B4：圖59：通縫與錯縫第三環(huán)的B4管片的DXYZ圖圖60：通縫與錯縫第三環(huán)的B4管片的FX圖圖61：通縫與錯縫第三環(huán)的B4管片的FZ圖圖

13、62：通縫與錯縫第三環(huán)的B4管片的MY圖第三環(huán)各個管片的比較值如下表所示：表5：通縫與錯縫式第三環(huán)各個管片的比較DXYZmmFXKNFZKNMYKN*mA1通縫23.5583.7861032.4971025.543102錯縫20.1164.6481035.0951028.167102A2通縫5.2303.3861032.4851023.498102錯縫5.4123.9861032.2111025.676102A3通縫23.5583.7861032.4971025.543102錯縫20.1274.6481035.0951028.166102A4通縫50.3322.9931034.1891027.545102錯縫42.6663.3761033.7471021.169103B1通縫14.1483.6961032.3331022.294102錯縫12.7164.3121033.605102