（工程力学专业论文）装配式钢筋混凝土管型通道有限元分析.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求。 主席： 委员： 答辩委员会签名 午、蜘瓣崭p 搬 新粥导嘎形孓默 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金罡至些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字苍雪诠 签字日期驯年厶脶日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金壁王些太 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名；苍雪愈 签字日期： ol 1 年印月2 弓日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：彩乙，o 通讯地址： 导师签名：乡搁 签字日期：为1 1 年弘月万日 电话：l 皇7d 川d ；岁髟 邮编： 装配式钢筋混凝土管型通道有限元分析 摘要 装配式钢筋混凝土管型通道作为一种新型的地下通道结构型式，具 有工程质量易于控制、施工速度快和成本造价低等优点。可以在预制工 厂批量预制，然后运输到现场安装，具有较为广泛的应用前景。但是国 内对这种多管片装配式地下通道结构应用技术的研究还比较少，没有相 应的规范可供参考，当前可借鉴的工程经验较少，设计与施工方法还处 于摸索阶段。本文就是在这种背景下，结合安徽省交通厅批准立项的六 ( 安) 武( 汉) 高速公路装配式大孔径钢筋混凝土管型通道关键技术研究课 题以及安徽省交通投资集团研究项目浅埋装配式钢筋混凝土管型通道 力学特性研究，采用理论分析和数值模拟分析计算相结合的方法，对装 配式钢筋混凝土管型通道的力学性能、斜交管型通道的应用及预制管片 的拼装等进行了系统而深入的研究，本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 针对地下结构有限元方法，阐述了材料的本构关系和屈服准则以 及非线性问题的求解方法与收敛准则等，为下文有限元模型的建立及计 算奠定理论基础。 ( 2 ) 以大型通用有限元程序a n s y s 为平台，建立了该装配式管型通道 的二维和三维有限元接触模型，对比分析了相同荷载分布下两者的应力 分布规律及大小。结果表明，两者在截面范围内反映的内力分布规律基 本一致，数值误差较小。 ( 3 ) 针对在高速公路中应用的斜交管型通道，利用a n s y s 三维有限元 数值模拟手段，建立装配式钢筋混凝土管型通道与周围土体以及管片之 间的三维有限元接触模型。分析了不同斜交角度下管道的力学性能。结 果发现，斜交管型通道底板的内侧和边板的外侧所受环向拉应力最大， 也就是说底板和边板的管腰处容易开裂，预制时应局部加强；斜交角度 越大，管道受力越复杂，容易发生扭曲变形。 ( 4 ) 针对预制管片的接缝处刚度大小，提出了铰接、弹性连接、刚接 三种连接方式，分别建立三种情况下的二维接触有限元模型，计算了不 同连接方式下管型通道的内力分布情况，为预制管片的拼装提出建议。 ( 5 ) 根据实例中出现的大小两种管涵，分别建立二维模型，分析其同 样荷载下的受力情况，并分析了管片厚度对结构受力的影响。 关键词：装配式，数值模拟，状态非线性，土体管型通道相互作用，接触模型， 斜交管型通道，管片接头 f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so np r e f a b r i c a t e dr e i n f o r c e d c o n c r e t e 乃b u l a rc h a n n e l a b s t r a c t a san e wu n d e r g r o u n dc u l v e r ts t r u c t u r e ，t h ep r e f a b r i c a t e dr e i n f o r c e dc o n c r e t et u b u l a r c h a n n e lh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s ：t h ee n g i n e e r i n gq u a l i t yi se a s yt oc o n t r o l ，t h e c o n s t r u c t i o ns p e e dc a nb ef a s t e ra n dt h ec o s tc a nb el o w e r i na d d i t i o n , i tc a nb eb u l k p r e f a b r i c a t e di nt h ef a c t o r ya n dt r a n s p o r t e dt ot h es i t et oi n s t a l l s oi th a st h ew i d e s p r e a d a p p l i c a t i o nv a l u ea n dp r o s p e c t b u tt h ed o m e s t i cr e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yo f s e g m e n t a lp r e f a b r i c a t e du n d e r g r o u n dc u l v e r ti s s t i l l b l a n ka n dt h e r ei sn od e s i g n s p e c i f i c a t i o nt oo f f e rf o rt h er e f e r e n c e ，晰也t h ei n a d e q u a t ew o r k i n ge x p e r i e n c e ，d e s i g na n d c o n s t r u c t i o nm e t h o d sa r ej u s to nt h ei n i t i a ls t a g e u n d e rt h i sb a c k g r o u n d , t h i sp a p e r c o m b i n e d 、析t l lt h e s u b je c t t h a t a p p r o v e db ya n h u ip r o v i n c i a lc o m m u n i c a t i o n sd e p a r t m e n ta n da n h u it i a j e f i ci n v e s t m e n t g r o u p s r e s e a r c hp r o j e c t ，u s e st h e o r e t i c a n a l y s i sa n d n u m e r i c a ls t i m u l a t i o nt od oad e e ps y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h e a p p l i c a t i o n so fi n t e r s e c t i o nt u b u l a rc h a n n e la n dt h ea s s e m b l ym e t h o d so fp r e f a b r i c a t e d s e g m e n t s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) d e p e n d so nf i n i t ee l e m e n tm e t h o df o ru n d e r g r o u n ds t r u c t u r e ，d e s c r i b e dt h em a t e r i a l c o n s t i t u t i v er e l a t i o na n dy i e l dc r i t e r i a , m e t h o d sf o rs o l v i n gn o n l i n e a rp r o b l e m sa n dt h e c o n v e r g e n c ec r i t e r i o n , m a k eo ft h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e la n d c a l c u l a t i o n ( 2 ) u s i n gt h el a r g eu n i v e r s a lf i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma n s y sa st h ep l a t f o r m ，t h i sp a p e rs e t u pa 2 da n da3ds o l i dc o n t a c tc a l c u l a t i o nm o d e lo ft h ep r e f a b r i c a t e dr e i n f o r c e dc o n c r e t e t u b u l a rc h a n n e l ，a n da n a l y z e dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n ds t r e s sv a l u e so ft h et w om o d e l s u n d e rt h es a l t l el o a d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：w i t h i nt h ec r o s s s e c t i o n ，t h es a m eo ft h es t r e s s d i s t r i b u t i o na n ds m a l ld i f f e r e n c eb e t w e e nt h es t r e s sv a l u e su n d e rt h ea b o v es i t u a t i o n ( 3 ) 1 1 1 em e c h a n i c a lb e h a v i o ro fi n t e r s e c t i o nt u b u l a rc h a n n e lo fg r a d eh i g h w a yw a ss t u d i e d b yu s i n g3 df i n i t ec o n t a c tm o d e l t h em o d e ls i m u l a t e dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e np e r i p h e r a l s o i la n dt u b u l a rc h a n n e l t h et u b u l a rc h a n n e l sm e c h a n i c a lb e h a v i o ra td i f f e r e n t i n t e r s e c t i o n a n g l ew a sa n a l y z e d f o r mt h er e s u l t s ，w ef o u n dt h a tt h em a x i m u mh o o ps t r e s sl o c a t e di n i n s i d eo ft h eb o t t o mp l a t ea n do u t s i d eo ft h et w os i d ep l a t e s i tm e a n st h a tab o t t o mp l a t e a n dt w os i d ep l a t e sa r ee a s i e rt oc r a c k ，w h e r es h o u l db ei n c r e a s e dt h ea m o u n to fs t e e lb a r t h em e c h a n i c a lb e h a v i o rb e c o m i n gm o r ec o m p l e xb yt h ei n t e r s e c t i o na n g l ei n c r e a s i n g ( 4 ) a c c o r d i n gt os t i f f n e s ss i z ea tt h ej o i n to ft w op r e f a b r i c a t e ds e g m e n t s ，t h ep a p e r p r e s e n t e dt h r e ec o n n e c t i o nm e t h o d s ：h i n g e dc o n n e c t i o n , e l a s t i cc o n n e c t i o n , r i g i d c o n n e c t i o n r e s p e c t i v e l ye s t a b l i s h e dt h r e e2 dc o n t a c tf i n i t ee l e m e n tm o d e l st os t u d yt h e i n t e r n a lf o r c ed i s t r i b u t i o no nt u b u l a rc h a n n e lu n d e rd i f f e r e n tc o n n e c t i o i l s t om a k e r e c o m m e n d a t i o n sf o ra s s e m b l i n gp r e f a b r i c a t e ds e g m e n t s ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h et w os i z eo ft h ep r e f a b r i c a t e dr e i n f o r c e dc o n c r e t et u b u l a rc h a n n e l ， r e s p e c t i v e l ye s t a b l i s h e d2 dc o n t a c tf m j t ee l e m e n tm o d e l s ，a n a l y z e dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o n a n ds t r e s sv a l u e so ft h et w om o d e l su n d e rt h es a m el o a d a l s o ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h e i m p a c to f t h es e g m e n t st h i c k n e s so ns t r u c t u r es t r e s s k e y w o r d s ：p r e f a b r i c a t e d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , s t a t en o n l i n e a r , s o i l - t u b u l a rc h a n n e l i n t e r a c t i o n , c o n t a c tm o d e l ，i n t e r s e c t i o nt u b u l a rc h a n n e l ，s e g m e n tj o i n t 致谢 本论文是在导师王建国教授的悉心指导和周密安排下完成的。在硕士阶段 的学习中，从制定培养计划、选修学位课程，到论文的选题、研究以及最后论 文的撰写，自始至终导师都给予了无微不至的关怀和指导。导师渊博的学识， 严谨的治学态度，朴实谦逊、宽厚待人、豁达大度的学者风范，为作者今后的 人生树立了典范。三年中，导师以深厚的学术功底和丰富的工程实践经验言传 身教，极大地开阔了学生的视野，增强了研究的信心。而生活中的许多点点滴 滴，在潜移默化中给学生以启迪、鞭策和鼓励。与导师朝夕相处的三个春秋， 将是作者一生极其宝贵的财富。在此，谨向导师表示深深的敬意和最诚挚的感 谢! 在这里，还要感谢3 0 1 实验室的众多兄弟姐妹们，在一起生活的两年多的时 间里，我们成为了非常要好的朋友。与你们相识我感到十分幸运，与你们相处 我感受到了同门的亲切、战友的情谊、团队的力量。特别要感谢逢焕平、张鸣 祥等博士师兄在我整个研究生期间给我的无私帮助，尤其在自己的课题研究、 论文完成过程中，你们更是给予了准确的指导和极大的帮助。是你们的关心和 帮助，使我顺利地完成了学业。在此祝愿你们今后都能学有所成，工作顺利! 感谢参加参与本论文审阅和在答辩会上给予我指导和帮助的各位老师和专 家。 最后，感谢我的家人和朋友长久以来给予我的支持和鼓励! 作者：李雪玲 2 0 11 年3 月 目录 第一章绪论1 1 1 选题背景1 1 2 国内外发展现状2 1 2 1 地下结构的力学模型3 1 2 2 地下结构力学分析方法。4 1 2 3 装配式结构接头模型5 1 3 研究目的与意义。9 1 4 研究内容和方法1 0 第二章地下结构有限元方法1 2 2 1 概j 苤12 2 2 有限元理论1 2 2 2 1 地下结构有限单元法1 2 2 2 2 非线性问题求解方法13 2 2 3 非线性问题收敛准则1 5 2 2 4 钢筋混凝土结构本构关系与屈服准则1 6 2 2 5 土体本构关系与屈服准则【4 1 9 2 2 6 接触问题有限单元法2 2 2 3 本章小结2 4 第三章装配式钢筋混凝土管型通道有限元模型2 5 3 1 引言2 5 3 2 建立模型2 5 3 2 1 工程概况2 5 3 2 2 基本假定2 5 3 2 3 单元选择及介绍2 6 3 2 4 几何模型及参数2 9 3 2 5 二维和三维有限元模型31 3 2 6 荷载大小31 3 3 结果对比3 2 3 4 本章小结3 2 第四章装配式钢筋混凝土斜交管型通道有限元分析3 4 4 1 引言3 4 4 2 斜交有限元模型3 4 4 2 1 建立模型3 4 4 2 2 接触条件3 6 4 2 3 边界条件3 6 4 2 4 最不利荷载的确定及布置3 6 4 3 斜交角度对管道受力影响3 7 4 3 1 不同斜交角度下管型通道的应力变化3 7 4 3 2 不同斜交角度下管型通道的变形情况4 0 4 4 本章小结4 2 第五章影响预制装配式管型通道受力的主要因素4 3 5 1 引言4 3 5 2 有限元模型4 3 5 2 1 建立模型4 3 5 2 2 计算荷载的大小4 4 5 3 影响结构受力的主要因素4 4 5 3 1 预制管片连接方式对结构受力的影响4 4 5 3 2 管片尺寸对结构受力影响5 0 5 4 本章小结5 3 第六章结论与展望5 5 6 1 主要研究工作和结论5 5 6 2 展望。5 6 参考文献5 7 攻读硕士学位期间发表论文6 1 插图清单 图1 1 惯用法荷载模型7 图1 2 修正惯用法荷载模型7 图1 3 多铰圆环法荷载模型7 图1 4 自由铰圆环示意图8 图1 5 弹性铰圆环示意图8 图1 6 梁弹簧法荷载模型9 图1 7 壳弹簧法荷载模型9 图2 1 直接迭代法。14 图2 2n r 法1 4 图2 3 修正的n r 法l4 图2 4 混合法1 4 图2 5 理想弹塑性模型1 7 图2 6 线性强化弹塑性模型1 7 图2 7 一般加载规律1 7 图2 8 刚塑性模型17 图2 9 强化模型一18 图2 10m c 准则2 3 图2 1 1m c 屈服面和d p 屈服面2 3 图2 1 2 在兀面上的m c 屈服线和d p 屈服线2 3 图3 1s o l i d 4 5 单元2 6 图3 2s o l i d 6 5 单元2 7 图3 3p l a n e 4 2 单元2 9 图3 5 顶板吊装。3 0 图3 6 底板现浇。3 0 图3 7 装配式钢筋混凝土管型通道横断面图( c m ) 3 0 图3 8 管土二维有限元模型3 1 图3 9 管型通道二维有限元模型3 1 图3 1 0 管土三维有限元模型。3 1 图3 1 1 管型通道三维有限元模型3 1 图4 1 斜交管型通道及车辆荷载的布置图( c m ) 3 4 图4 2 斜交管型通道横断面( c m ) 3 5 图4 3 斜交3 0 0 管土有限元模型3 6 图4 4 斜交3 0 0 管型通道有限元模型3 6 图4 5 斜交o o 管型通道环向应力云图3 7 图4 6 斜交5 0 管型通道环向应力云图3 7 图4 7 斜交1 0 0 管型通道环向应力云图3 8 图4 8 斜交15 0 管型通道环向应力云图3 8 图4 9 斜交2 0 0 管型通道环向应力云图3 8 图4 1 0 斜交2 5 0 管型通道环向应力云图3 8 图4 1 1 斜交3 0 0 管型通道环向应力云图3 8 图4 1 2 斜交3 5 0 管型通道环向应力云图3 8 图4 13 斜交4 0 。管型通道环向应力云图3 9 图4 1 4 斜交4 5 0 管型通道环向应力云图3 9 图4 15 各截面外侧环向应力与斜交角度的关系3 9 图4 16 各截面内侧环向应力与斜交角度的关系3 9 图4 1 7o o 各截面水平位移4 0 图4 1 81 5 0 各截面水平位移4 0 图4 1 93 0 0 各截面水平位移4 0 图4 2 04 5 0 各截面水平位移4 0 图4 2 10 。时接缝处水平位移4 l 图4 2 21 5 0 时接缝处水平位移4 1 图4 2 33 0 。时接缝处水平位移4 1 图4 2 44 5 0 时接缝处水平位移。4 1 图5 1 二维模型接触面4 4 图5 2 二维模型目标面4 4 图5 3 铰接偏载作用下轴力图4 6 图5 4 弹性连接偏载作用下轴力图4 6 图5 5 刚接偏载作用下轴力图4 6 图5 6 现浇管片偏载作用下轴力图4 6 图5 7 铰接偏载作用下剪力图4 7 图5 8 弹性连接偏载作用下剪力图4 7 图5 9 刚接偏载作用下剪力图。4 7 图5 1 0 现浇管片偏载作用下剪力图4 7 图5 1 l 铰接偏载作用下弯矩图4 7 图5 1 2 弹性连接偏载作用下弯矩图4 7 图5 1 3 刚接偏载作用下弯矩图4 8 图5 1 4 现浇管片偏载作用下弯矩图4 8 图5 15 二维特征截面4 8 图5 1 6 大管涵横截面图( 单位：c m ) 5 0 图5 1 7 小管涵横截面图( 单位：c m ) 5 1 图5 18 大管涵剪力图5 1 图5 1 9 小管涵剪力图5 1 图5 2 0 大管涵弯矩图5 1 图5 2 1 小管涵弯矩图5 l 图5 2 2 大管涵轴力图5 2 图5 2 3 小管涵轴力图5 2 表格清单 表3 1 材料参数的取值3 0 表3 2 二维模型特征截面内力值3 2 表3 3 二维和三维特征截面内力值对比3 2 表5 1 不同连接方式下m a t r i x 2 7 单元实常数大小4 5 表5 2 不同连接方式下特征截面内力4 9 表5 3 不同截面厚度的管涵特征截面内力分布情况5 3 第一章绪论 1 1 选题背景 随着我国经济的快速发展，交通土木行业蓬勃兴起，高速公路和城市道路 的建设规模逐渐扩大。高速公路的大量建设，必然伴随着高速公路和其他等级 道路或非等级道路立体交叉部位的大量出现。t 高速公路与非等级道路相交，主 线上跨的结构物称为通道，主线下穿的结构物称为跨线桥；与等级公路相交， 不论主线上跨还是下穿，交叉结构物均称作分离式立交。本文主要研究高速公 路与非等级道路立体交叉部位的新型的预制装配式钢筋混凝土管型通道。长期 以来，通道多采用现浇圆管涵、箱涵或盖板涵等。其中盖板通道、圆管涵的台 身墙体多采用素混凝土构件，容易开裂。通过对以往公路桥涵的调查发现，大 多数公路桥涵中均有不同程度的裂缝出现，有些裂缝出现在施工阶段，有些裂 缝出现在使用阶段。裂缝的出现极大的降低了结构的耐久性要求。由于混凝土 的开裂，在设计使用年限内就需要对涵洞多次进行维护，工程造价较高。并且 现浇管涵的施工条件较差，施工周期相对较长，整条线路的施工质量难以统一。 此外，现浇圆管涵和箱涵的推广使用还受到跨径的制约。大跨径的圆管涵难以 现场施工，大跨径箱涵结构的跨中挠度较大。上述缺点极大的制约了现浇圆管 涵和箱涵在实际工程中的推广应用。 近年来，随着新工艺，新材料和新技术的应用，新的管型通道的结构形式 不断涌现。预制装配式钢筋混凝土盖板涵洞通道就是以一种新的结构形式首次 在湖南省常德市到张家界的高速公路中成功应用。随后在湖南省的常德至张家 界高速公路，怀化至新晃高速公路以及2 0 0 8 年建成通车的常德至吉首高速公路 中多次应用。相比以往的现浇结构，预制装配式构件能够在工厂集中化生产， 生产质量容易控制，并且能够减少路基土方对施工的干扰，有利于提高整个路 基工程的质量。此外，装配式结构还具有施工进度快、成本造价低等优点。于 是预制装配式结构迅速引起人们的关注。安徽省在六武高速公路中率先使用了 预制装配式钢筋混凝土管型通道。通过对六武高速第1 1 标和第1 3 标的管型通道 进行现场实验和多次有限元数值模拟研究得出可行性的结论。随后在泗县到宿 州的高速公路中该技术得到推广。正在建设中的明光到徐州的高速公路，为满 足地形和使用方面的要求，沿途需设置上百座贯穿公路路基的通道，通道的设 计正是采用的这种装配式钢筋混凝土管型通道。 上述装配式钢筋混凝土管型通道由项板、底板和两块边板共四块构件组成。 顶板和边板由原来的现场浇筑改为事先预制，然后进行现场安装。在边板和顶 板吊装装配完以后，再进行底板现浇施工。新技术是采用工厂化集中预制，生 产过程、生产质量易于控制，生产方式简单，结构内在质量和外观质量更好。 管片的工厂化生产，可节省施工时间，加快工程进度，并且节约投资，经济效 益十分可观。预制边板时，在边板和底板的相交处预留搭接钢筋。预制边板和 现浇底板钢筋的搭接，增加了该装配式管涵的整体性能。新结构相对以前的素 混凝土结构可靠度更高，延性更好，安全性和耐久性更好，且有利于延长路基 整体寿命，进而降低维护成本，降低公路的全寿命周期成本。但是该装配式钢 筋混凝土管型通道在国内应用的还比较少，实践经验和理论分析还不成熟，没 有明确的设计规范和成熟的施工经验可供参考。因而针对装配式钢筋混凝土管 型通道进行全面的计算机仿真分析和施工监测尤为必要。 1 2 国内外发展现状 装配式结构实现了高质量、大规模的工业化生产，生产效率提高，具有明 显的经济效益。建筑构件的工厂化生产，易实现模数化、标准化、规模化生产， 并且构件用模具生产，工艺条件得到改善，减少了人员变动因素对质量的影响， 提高了质量水平。现场作业以装配为主，减少了现场的湿作业和人工数量，施 工速度快，且受季节和天气变化影响较小。因此，在新技术，新工艺的背景下 许多国家都致力于构件的工厂化生产的研究。 装配式结构包括部分预制结构和全预制结构【l 】。我国的秦岭特长铁路隧道 中就曾采用仰拱预制、拱和墙现浇的部分预制技术。日本在公路隧道的施工中 也曾多次应用到部分预制技术【2 】。在国内，地下通道使用装配式结构的还比较 少。湖南省在常( 德) 张( 家界) 高速公路中首次使用了全预制的装配式盖板 涵技术，开创了国内地下通道使用装配式结构的先河。通过多方论证，湖南省 的装配式盖板涵技术具有广泛的推广应用价值和显著的社会经济效益，该成果 具有创新性和实用性，已获得国家专利。随后安徽省在六( 安) 武( 汉) 高速 和泗( 县) 宿( 州) 高速中大量应用了装配式钢筋混凝土管型通道，在明( 光) 徐( 州) 高速中该项技术得到推广。部分预制的管型通道相比盖板涵通道受力 更加均匀。为研究新结构的受力情况，以实际工程为依托，通过现场监测、计 算机仿真分析和理论计算，针对管型通道的受力分析和优化设计已得出一些有 益的结论【3 】【4 1 ，对新技术的改进和推广有一定的指导意义。但是该技术的理论 分析和仿真分析还不够系统规范，该项技术的推广应用还没有成熟的经验可供 参考。并且我国地域广阔，地质情况复杂多样，不同的地基承载力对结构的要 求还有待确定。 装配式衬砌和装配式地下通道是国内外应用比较多的地下工程预制构件。 装配式衬砌主要应用在盾构隧道的施工中。装配式衬砌和整体衬砌的最大区别 在于管片接头对衬砌环的受力和变形产生很大的影响，是整个衬砌结构受力的 薄弱环节。前苏联曾在隧道装配式衬砌的研究方面有过突出贡献，开发研制出 了砌块式和管片式的马蹄形装配式衬砌技术【5 j 。但是国内外对装配式衬砌管片 的研究发展比较缓慢，管片受力和变形以及管片的设计仍然存在大量有待解决 的问题。装配式箱涵是国外应用比较多的地下通道装配式结构形式，但是在国 内该结构形式应用的还比较少。装配式箱涵技术在日本得到大量的推广，日本 2 的城市雨污水管道、城建排洪道、机动车地下隧道、地下人行通道等都大量的 应用了装配式箱涵。日本仙台市的地铁工程建设中曾采用预制双跨矩形结构， 整个结构由顶板、底板、侧壁及中柱5 个预制构件组成。构件的预制拼装加快了 工程的进度，但是各个构件之间的拼装连接以及结构的防渗处理成为普遍的工 程难题。近年来，泰国箱涵的广泛应用推动了大规模生产预制箱涵的专业化工 厂的出现。随着装配式箱涵技术在国外商品化的发展，该技术在我国的道路、 市政和水利建设中也得到广泛的应用。乌鲁木齐市的市政道路改扩建中大量应 用了装配式箱涵技术。随着预制技术的发展，新型的预制构件不断的出现，由 日本和法国联合研发的大型涵洞预制技术曾多次在公路隧道中得以应用，最大 跨度达到1 2 m 6 1 ，荷兰的地铁明挖隧道区间采用的壳式隧道也是预制构件中的 一种。 1 2 1 地下结构的力学模型 建造在地下的各种工程设施统称为地下工程。地下工程形式多种多样，可 以修建在岩层中，也可以修建在土层中。根据结构所在地层性质的不同，分为 岩石地下建筑和土层地下建筑两大类。由于岩石和土层这两种地层地质条件的 巨大差异，岩石地下建筑和土层地下建筑在规划、设计以及施工方面有很大的 不同。岩土地下建筑结构又称为衬砌结构，主要分为半衬砌结构、贴墙式衬砌 结构、离壁式衬砌结构、锚喷式支护结构和穹顶直墙衬砌结构。土层地下结构 主要分为浅埋式地下结构、地道式地下结构、装配式圆形管片结构、沉井式地 下结构、项管式地下结构、沉管式地下结构、基坑支护结构、附建式地下结构 以及地下连续墙结构【7 】。地下结构和地上结构由于周围介质的不同，两者在力 学作用机理方面有很大的区别。依据地上结构的设计方法对地下结构进行分析 验算是不合理，也不科学的。随着力学理论的发展完善和科学技术的进步，人 们对地下结构的研究逐渐抽象形成了两种既符合实际又便于分析计算的力学模 型，结构力学计算模型和连续介质力学模型”】。 ( 1 ) 结构力学计算模型 结构力学计算模型也叫做荷载结构模型。它是以地下结构为研究对象，考 虑地层对地下结构的荷载作用。地层对地下结构的作用包括地层对结构产生的 主动地层压力( 又叫地层压力) 和对结构的变形产生的约束作用( 又叫弹性抗 力) 。地层压力通常按照土压力公式、经验公式来确定；弹性抗力则通过文克 尔局部变形理论、弹性地基梁理论来确定。地层对结构变形的约束作用是通过 弹性支承来实现的，弹性支承的约束能力大小与地层的地基承载力有关，地层 承载力越高，地层对地下结构的压力越小，弹性支承的约束能力越强，所以地 下结构的内力就越小。确定上述两种荷载后，按照地面结构的方法对地下结构 进行内力计算和截面设计。该模型概念清晰，计算简便，在我国得到广泛的应 用。 结构力学计算模型的发展大致分为四个阶段【9 】： 1 9 世纪初的刚性结构阶段：当时的地下建筑多采用抗拉强度比较低抗压强 度比较好的砖石材料，该理论将其视为静定的刚性拱形结构，不考虑地层作用， 采用地面结构分析的荷载模型对地下结构进行分析。该方法不能反映地下结构 的实际受力特点，计算结果偏于保守。 1 9 世纪后期的弹性结构阶段：随着钢筋混凝土材料在地下结构中的应用和 力学的发展，逐渐形成用超静定结构力学方法计算地下结构的计算模式。该理 论考虑了主动地层压力，但是没有意识到地层对结构变形的约束作用。 2 0 世纪初的假定弹性反力阶段：人们逐渐认识到地层对地下结构不只有压 力作用，还对地下结构的变形有一定的约束作用。这种约束作用以弹性反力的 形式加上结构上。弹性反力的大小与地层承载力和地下结构的形式有关。 计算反力阶段：假定弹性反力阶段在力的作用范围和力的大小确定上有很 大的主观性i 不能客观反映实际受力状态。随着2 0 世纪3 0 年代弹性地基梁理论 和温克尔假定的提出，人们逐渐用计算反力代替假定反力。将地下结构看作放 置在地层中的梁，梁对地层有压力作用，地层对该梁有变形约束作用，基于共 同变形的弹性地基梁理论，将两者的相互作用看作无数多个独立的弹簧作用， 弹性压力的大小与地层变形有关，地层的弹性压缩系数相当于弹性系数。利用 这一假定，可计算出地下结构的内力并进行截面设计。但是该理论在计算隧道 动态施工过程时还无法解答，这就用到地层结构模型，即连续介质力学模型。 ( 2 ) 连续介质力学模型 2 0 世纪中后期，随着岩体力学自成体系的发展，用连续介质力学理论计算 地下结构的理论也逐渐完善。连续介质力学模型将地下结构和地层看成一个共 同承载的地下结构体系。按照连续介质力学原理和变形协调条件分别计算地层 和结构的内力，并对地层进行稳定性验算和结构的截面设计。连续介质力学模 型可以考虑各种截面形状的地下结构、地层的开挖以及地层不连续性和结构材 料的非线性等。目前，应用该方法已成功取得圆形截面地下结构内力及其地层 内力的精确解析解。对于其他地下结构形式，由于数学求解的困难，要得到有 关内力的精确解析解十分困难。随着计算机技术的发展，地下结构的数值计 算方法得到了完善，基于连续介质模型的有限元、边界元等数值解法迅速发展， 出现了能够模拟地层弹性、弹塑性及粘弹性等的大型通用的计算软件。以连续 介质力学为基础的连续介质设计模型，比较符合地下结构与地层之间的实际作 用情况。但是连续介质力学模型中的一些计算参数难以准确取值以及人们对地 层结构的本构关系模型和破坏准则认识不足，所以目前利用连续介质设计模型 所计算的结果还不够精确，仅供设计参考。 1 2 2 地下结构力学分析方法 对地下结构进行分析，无论采用上述力学模型中任何一种都是要求出位移 4 和内力解，其求解方法大致有两种 1 0 l ： ( 1 ) 解析法 运用力学知识和数学方法来求解结构体系中任何一点的位移和应力精确解 的方法叫“解析法”。解析法一般只适用于荷载形式单一、结构外形和边界条件 比较规则，并且结构材料和地层均为线弹性材料的情况。对于大多数地下结构 来说这只是一个假设状态，实际情况的受力状态比较复杂，运用解析法难以得 到可靠解。 ( 2 ) 数值法【1 1 】 运用数值法可以得到各种边界条件下任意荷载情况任意结构形状以及非 线性问题的近似解。常用的数值法包括有限单元法、有限差分法和边界单元法