[發明專利]一種模擬盾構隧道環縫的有限元單元模型

有效

• 申請號: 202011304713.9
• 申請日: 2020-11-19
• 公開（公告）號: CN112632655B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 柳獻;楊志豪;管攀峰;楊振華;王嘉燁
• 申請（專利權）人: 同濟大學;上海市隧道工程軌道交通設計研究院
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 吳林松

1.一種模擬盾構隧道環縫的有限元單元模型，該單元為一維兩節點單元，其特征在于：單元剛度矩陣隨環縫接頭不連續變形量的發展而變化，分為三個階段；所述各階段單元剛度矩陣的元素直接對應于環縫接頭的軸向拉壓剛度、抗剪剛度和抗彎剛度；

設i為階段的編號，i＝1，2，3，則第i階段對應的單元剛度矩陣K_i如下：

其中，K_n(△u)、K_S(△v)、K_θ(△θ)均為有界函數，其物理意義是環縫接頭的軸向拉壓剛度，抗剪剛度和抗彎剛度，其分別為環縫接頭的軸向拉壓變形、剪切變形或錯臺和彎曲變形或張開的函數；

環縫的軸向拉壓剛度K_n，受壓時其量值為接頭單元管轄范圍內混凝土的抗壓剛度，接近于無窮大；受拉時其量值為環縫所有螺栓的總抗拉剛度，當環縫斷面上所有螺栓均受拉屈服時，K_n為零，如下式：

K_n＝∞(N≥0)

K_n＝0(N≤-nf_yA)

其中，EA表示單根螺栓的截面抗拉剛度，L表示單根螺栓的長度，n表示環縫斷面上螺栓的數量，f_y表示環縫螺栓的屈服強度；

環縫的抗彎剛度K_θ如下式所示：

其中，表示中性軸所在位置對應的圓心角；

環縫接頭抗剪剛度變化規律通過環縫面總剪力F與環縫總錯臺之間的如下關系來體現：

其中，設圓心角為的螺栓及其附近混凝土所組成的環縫局部構件，其剪力F_i與錯臺D_i關系滿足下式：

F_i＝f_i(D_i)

設第i個螺栓位置處的錯臺D_i與環縫面總錯臺D之間的關系，滿足下式：

D_i＝g_i(D)。

2.根據權利要求1所述的用于模擬盾構隧道環縫的有限元單元模型，其特征在于：

所述環縫面總錯臺，是某環管片相對于相鄰環管片的沉降量和相對于相鄰環管片的收斂量綜合作用的結果；將環縫面總錯臺分解為相對沉降和相對收斂，分別分析這兩部分位移與各點位螺栓錯臺之間的關系，然后再求和，以獲取環縫面總錯臺和各點位螺栓錯臺之間的關系。

3.根據權利要求2所述的用于模擬盾構隧道環縫的有限元單元模型，其特征在于：

設相鄰兩環管片圓心相對沉降的大小為d，設第i個螺栓與圓心的連線和水平方向的夾角為則環縫面總體相對沉降引起的第i個螺栓徑向錯臺為引起的切向錯臺為

設a為變形后隧道半長軸長，b為變形后隧道半短軸長，a+b＝2r，其中r為變形前隧道半徑；假定隧道上的點在變形前和變形后是一一對應的，設第i個螺栓變形前坐標為則其變形后坐標為則在變形過程中第i個螺栓的位移d如下式所示：

設該環管片的相鄰環管片變形后的半長軸長為a₀，半短軸長為b₀，則相鄰環管片在收斂變形的過程中第i個螺栓的位移d₀如下式所示：

相鄰兩環管片在環縫面相對收斂作用下第i個螺栓的徑向錯臺和切向錯臺分別如下式所示：

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