盾构隧道-简化梁格法2.doc

通缝与错缝管片结构分析 ——MIDAS/GTS在梁-弹簧法中的应用 梁-弹簧模型的介绍 地下结构与地上结构相比，虽然在几何上都可以简化为框架结构，但由于地下结构在上覆土荷载的作用下，其变形要受到周围土体本身的约束，从某种意义上来说，围岩是地下结构上的荷载，但同时也是结构本身的一部分。所以，必须考虑结构与围岩之间的相互作用问题。同时为了模拟接头在结构中的作用，Kubo,Yuki,Yamamoto,Murakami,Koizumi等提出用弹性铰来模拟管片接头的力学特性。 弹性铰既非刚性铰，也不是完全铰，其承担的弯矩多少，与接头的刚度大小成正比。弹性铰在法向和切向都设置有弹簧，允许接头两侧管片有相对位移，在相互作用力一定的情况下，位移的大小由弹簧刚度决定。若将管片结构视为梁，接头视为变形连续的弹簧，分别用来模拟管片和接头的力学特性，这种模型被称为“梁-弹簧模型”。 在进行地铁隧道的内力和变形分析计算时，可以采用梁-弹簧模型法。其基本假定如下： 假定管片为小变形弹性梁，管片为足够多个离散等厚度直梁单元； 用布置于模型各节点上的弹簧单元来模拟围岩与结构的相互作用，弹簧单元不能承受拉力，受拉力将自动脱落，弹簧的弹性系数由Winkler假定为基础的局部变形理论确定，一般采用地层的弹性抗力系数K值（单位为KN/m3），再计算得出模拟结构与地层相互作用间弹簧的弹性系数； 结构底部作用相同的竖向反力来平衡地面荷载、土压、水压以及结构的自重。 本文将管片作为计算上较为简单的直梁单元考虑，采用旋转弹簧和剪切弹簧分别模拟管片间和管片环间螺栓的实际效应。同时将地层与管片之间的相互作用用地基弹簧单元模拟。相对于将管片环考虑为均匀刚度的其他管片，就设计方面而言，梁-弹簧模型法较为全面地考虑接头对结构的影响，能够更加接近地反映管片的实际工作情况。作用于管片上的荷载主要为管片自重、上覆荷载、垂直土压力、水平土压力及下部垂直荷载抗力。 问题的描述 每个单环管片的直径为12m，厚度0.5m，长度为1.5 m，采用C30的混凝土，分块采用了国内地铁隧道中的常用方法，即8块分割，容重为，弹性模量为30GPa，泊松比为0.2。管片顶部距离地表的埋深为5m，土的容重为20KN/m3，地面上覆荷载为20 KN/m3。考虑全周地基弹簧，且地基抗力系数取为10000 KN/m3。 对于管片接头弹簧参数，本文主要参考国内外地铁隧道设计的一些实例，考虑弧形螺栓的特征选取了如下表所示的经验值。 表1：管片接头弹簧的基本参数 管片环间剪切弹簧模量（KN*m-1） 管片间旋转弹簧模量（KN*m*rad-1） 半径方向 切线方向 正方向 负方向 1.149×105 7.86×105 1.2×105 9×104  荷载 竖向（KN/m2） 侧压力系数 水平（KN/m2） 地面荷载 上侧土压 结构自重 上侧荷载 下侧荷载 上侧荷载 下侧荷载 数值 20 100 25 120 145 0.6 72 216 图1：单环几何模型 建立单环有限元模型 对其进行网格划分，如下： 图2：单环有限元模型 通过复制和旋转生成通缝与错缝模型 在进行计算时对通缝考虑一环为基本单元，对错缝考虑二环为基本单元。在本文考虑4环进行分析，左边为通缝模型，右边为错缝模型，错角为22.5度。 图3：通缝与错缝有限元模型 建立管片间的旋转弹簧 按照表1的参数建立管片之间的旋转弹簧如下： 图4：通缝与错缝管片间连接模型 建立管片环间的剪切弹簧 按照表1的参数建立管片环之间的剪切弹簧如下： 图5：通缝与错缝管片环间连接模型 建立地基弹簧单元 生成加在其法线方向上面的地基弹簧，，且一般假定弹簧单元的长度为1，其实长度对计算结果并无影响。 图6：通缝与错缝地基弹簧模型 加载与求解 按照表2的设定对模型进行加载： 图7：加载图 后处理 进入后处理对结果进行查看。 位移图 通缝竖直位移DZ图如下： 图8：通缝DZ位移图 错缝竖直位移DZ图如下： 图9：错缝DZ位移图 通缝与错缝的整体位移DXYZ图如下： 图10：通缝与错缝的整体位移DXYZ图 内力及弯矩图 图11：通缝的轴力FX图 图12：通缝各个环的轴力FX图  图13：错缝的轴力FX图 图14：错缝各个环的轴力FX图  图15：通缝的剪力FZ图 图16：通缝各个环的剪力FZ图  图17：错缝的剪力FZ图 图18：错缝各个环的剪力FZ图  图19：通缝的弯矩MY图 图20：通缝各个环的弯矩MY图  图21：错缝的弯矩MY图 图22：错缝各个环的弯矩MY图 通缝与错缝单环之间的比较 使用梁-弹簧模型对通缝和错缝之间结构受力和结构变形的差异进行