[發明專利]盾構隧道襯砌連續－非均勻剛度模型結構計算方法

有效

• 申請號: 200710044665.2
• 申請日: 2007-08-08
• 公開（公告）號: CN101364241A
• 公開（公告）日: 2009-02-11
• 發明（設計）人: 朱合華;廖少明;劉豐軍;閆治國
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 上海光華專利事務所
• 代理人: 余明偉

技術領域

本發明涉及一種盾構隧道襯砌結構的計算方法。

背景技術

盾構隧道裝配式襯砌結構由管片拼裝而成，由于接頭的存在，使襯砌結構的計算顯得復雜。如何考慮接頭的影響并依此確定結構的力學計算模型是保證計算合理、設計可靠的關鍵。目前提出的襯砌結構力學模型有以下幾類：

(1).均質圓環模型又分為慣用法和修正慣用法，如圖1所示。

慣用法假設管片環是彎曲剛度均勻的環，不考慮管片接頭部分的柔性特征和彎曲剛度下降，管片環是具有和管片主截面同樣剛度EI，并且彎曲剛度均勻的環(完全均勻剛性環)的方法。這種方法計算出的管片環變形量偏小，導致在軟弱地基中計算出的管片截面內力過小，而在良好地基條件下計算出的內力又過大。地層反力假設僅在水平方向上下45°范圍內按三角形規律分布，這種模型可以計算出解析解。

修正慣用法在慣用法的基礎上，引入剛度有效系數η來評價接頭的存在造成的襯砌結構剛度的降低，將管片環看作具有ηEI，并且彎曲剛度均勻的環(平均剛度均勻環)的方法。進一步考慮到錯接頭部位彎矩的分配，引入彎矩提高率ζ，取接頭的彎矩為(1-ζ)M，管片主截面的彎矩為(1+ζ)M，M為按照平均剛度均勻環計算得到的彎矩值。根據試驗統計結果，η＝0.6～0.8、ζ＝0.3～0.5。

(2).多鉸圓環模型。

多鉸圓環模型剛好與均質圓環模型相反，它將接頭視作鉸連接。這種模型比較適合于無螺栓連接的由砌塊組成的襯砌環，只有在良好地基中，依賴周圍土層的反力才能形成穩定的結構，一般在英國、俄羅斯等地基條件好的工程中采用。在裝配式管片環計算中采用這種模型將使變形量偏大，截面內力偏小。

(3).梁-彈簧非連續模型，如圖2所示。

梁-彈簧模型是介于上述兩種模型之間的一種模型，它用彈簧模擬接頭，梁(直梁或曲梁)模擬管片。彈簧主要采用旋轉彈簧(如彈性鉸法)，也有采用由旋轉彈簧、剪切彈簧和壓縮彈簧(彈簧的軸向、剪切和轉動效應分別用軸向剛度k_n、剪切剛度k_s和轉動剛度k_θ來描述)構成的組合彈簧，它能夠模擬接頭的各種性能。

從力學上看可以認為梁-彈簧模型是一種靈活有效的模型。目前彈簧系數主要是根據接頭受力試驗確定，且大都把彈簧系數看成常數。但實際上，接頭的力學性能是很復雜的，各種彈簧的系數是變化的。如接頭的抗彎剛度系數，除了和接頭構造、螺栓的預緊力有關外，還和接頭部位的軸力、彎矩有關，這從接頭受力試驗結果可得到證實。

(4).梁-接頭模型。

接頭部分采用考慮接頭變形不連續的接頭模型而形成的一種襯砌環結構計算模型。該模型將管片離散成梁單元，將兩管片間的接頭考慮成接頭單元，用以模擬襯砌接頭處變形的不連續性。

(5).實體模型。

隨著計算機技術和計算力學的發展，出現了以襯砌結構實體模型進行計算的方法。利用實體模型進行分析時，可以采用平面二維模型或三維實體模型，線性或非線性有限元方法進行分析。大型有限元分析軟件(Marc、Ansys等)均提供混凝土單元、鋼筋和混凝土的組合單元選用；接頭部位可以設定接觸單元；螺栓等連接件可以采用梁單元或桿單元，并可施加預緊力。

綜上所述，現有的計算方法都不能準確地反映盾構隧道襯砌管片環的剛度分布特點，從而給結構設計帶來偏差。

發明內容

本發明要解決的技術問題是采用一種新的計算模型來進行盾構隧道襯砌的結構計算，使計算結果更加準確。

為了解決上述技術問題，本發明一種盾構隧道襯砌連續-非均勻剛度模型結構計算方法，包括以下步驟：

(1).荷載計算：按照常用的荷載結構法中隧道荷載的確定方法計算襯砌結構承受的水土壓力、自重等荷載和作用，其中和隧道變形相關的地層抗力荷載可以先按照慣用法或修正慣用法的情況確定；

(2).結構內力的初步計算：采用慣用法或修正慣用法初步計算結構的內力，為接頭區域等效剛度的計算和結構連續-非均勻剛度模型的確定提供依據；

(3).接頭計算：根據計算出的內力，按照目前常用的計算方法確定接頭的張角θ，根據公式計算出接頭區域等效剛度系數η′_i，式中M為接頭處的彎矩，h為管片厚度，E為管片材料的彈性模量；I為管片截面慣性矩；

(4).根據計算出的變形確定結構的地層抗力荷載；

(5).確定盾構隧道襯砌的連續-非均勻剛度模型：設定襯砌為連續結構，設定接頭區域的中心弧長度為2h，且其等效剛度為η′_i?EI，其它區域的剛度為EI；