[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

本發明公開了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，其中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。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，具有明確的物理意義。本發明提出的有限元單元模型，能夠很好地模擬盾構隧道環縫位置的不連續變形，使得計算獲得的隧道縱向變形模式貼近于隧道實際縱向變形模式，達到實際應用的水平。

技術領域

本發明屬于建筑結構技術領域，涉及用于模擬盾構隧道環縫受力性能的有限元單元模型及其算法。

背景技術

工程實際表明，盾構隧道環縫接頭處的不連續變形是盾構隧道縱向變形的主要組成部分。為模擬盾構隧道環縫的受力變形特征，國內外學者提出了多種不同類型的有限元單元模型。

西野健三、小泉淳等率先采用彈簧單元模擬環縫的受力性能。彈簧單元的軸向拉壓剛度，抗剪剛度和抗彎剛度由環縫接頭的軸向拉壓剛度、抗剪剛度和抗彎剛度決定。此后學者們提出的單元模型大多由彈簧單元模型改進而來。例如，劉學山等提出，彈簧單元實質上表達的是其所連接節點的節點力和節點位移的關系。因此，可以直接采用矩陣的方式表達節點力與節點位移的關系，采用矩陣單元代替彈簧單元。又如，朱合華等提出，采用彈簧單元模擬環縫接頭，不能夠反映出環縫接頭位置的不連續變形。朱合華等借用了不連續介質力學中古德曼單元的建模思想，建立了環縫位置位移不連續的兩節點接頭單元用于模擬環縫的受力變形特征。

目前各類彈簧單元模型和改進彈簧單元模型尚有兩點不足。

其一，各類彈簧單元模型和改進彈簧單元模型缺乏可靠的計算參數。目前彈簧單元模型和改進的彈簧單元模型的計算參數基本來源于環縫接頭足尺試驗。而現有的環縫接頭足尺試驗常在管片環上截取一定寬度的管片作為試驗構件。因此，實際只能得到環縫局部的受力性能參數。此參數直接應用于模擬整個環縫面受力性能的彈簧單元模型中尚存在一定的不匹配問題。

其二，各類彈簧單元模型和改進彈簧單元模型的剛度矩陣形式不隨環縫接頭變形的發展而變化，不能夠反映盾構隧道環縫接頭受力性能隨環縫接頭變形發展分階段變化的特征。

發明內容

本發明的目的在于提供一種模擬盾構隧道環縫的有限元單元模型，既能夠反應環縫接頭受力變形特征，又比較容易獲取計算參數。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種用于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，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。

進一步，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(Δu)、K_S(Δv)、K_θ(Δθ)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(錯臺)和彎曲變形(張開)的函數。

以下結合附圖進一步加以闡述。

擬建立的接頭單元是一個兩節點單元，如圖1所示。