（工程力学专业论文）装配式大孔径钢筋混凝土管型通道接触模型研究.pdf

装配式大孔径钢筋混凝土管型通道的接触模型研究 摘要 本文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，管道垂直土压的 减荷措施和减荷材料，管型通道截面的优化等进行了系统而深入的研究，本文 的主要研究内容如下： ( 1 ) 考虑填土、管道和基础的共同作用、土体的非线性特性、初始应力场以 及土体和管道的接触面因素的影响，利用有限元的思路，建立了地下管道横向 力学有限元计算模型和方法，并且采用大型有限元分析软件a n s y s ，针对装配 式钢筋混凝土管道工程算例，得出了管周土压力以及管道横截面应力的分布状 况和规律。 ( 2 ) 建立了该装配式管型通道的三维一接触有限元模型，计算了其应力大小 及应力分布情况，并与二维有限元模型计算的结果进行了对比，计算分析表明 二维有限元模型的计算结果与三维有限元的计算结果差别较小。 ( 3 ) 以安徽省明( 光) 徐( 州) 高速公路工程的某装配式钢筋混凝土管型通道 为研究对象，考虑土与结构的相互作用及管片接头之间的挤压摩擦作用，采用 有限元数值模拟技术建立了该管型通道的二维有限元模型，分析研究了装配式 钢筋混凝土管型通道管片接头断开位置确定、汽车荷载最不利布载位置确定等 关键性问题。 ( 4 ) 建立了某装配式钢筋混凝土斜交管型通道的空间有限元数值模型，模拟 分析了装配式斜交管型通道在车辆荷载作用下，不同斜交角时管型通道的变形 大小，应力大小及应力分布情况。 ( 5 ) 基于以上的力学分析，针对施加柔性填料的上埋式管型通道，得出了减 荷后的土压力分布，管道横截面应力的分布。利用该模型分析了六( 安) 武( 汉) 高速公路上一座装配式管型通道施工过程的变形及应力分布情况，证实了本文 计算模型和计算结果的合理性。 关键词：装配式，数值模拟，土体一管型通道相互作用，管片接头， 斜交，三维一接触模型，结构优化，减载 c o n t a c tm o d e ls t u d yo np r e f a b r i c a t e dl a r g e d i a m e t e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ec u l v e r t a bs t r a c t c o m b i n e dw i t ht h es u b je c t t h a ta 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 d a n h u it r a f f i ci n v e s t m e n tg r o u p sr e s e a r c hp r o j e c t ，t h i s p a p e ru s e st h e o r e t i ca n a l y s i sa n dn 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 c r 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 em e a s u r e sa n dm a t e r i a l sf o rr e d u c i n g v e a i c a ls o i lp r e s s u r e sa c t i n go nc o n c r e t ec u l v e r t ，s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，t h e m a i nr e s e a r c hw o r kc o n t a i n i n gs o m ea s p e c t sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) c o n s i d e r i n gi n t e r a c t i o no ff i l l e ds o i l ，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 e c u l v e r ta n df o u n d a t i o n w i t ha ne y et on o n 1 i n e a rs o i lm o d e l ，i nv i e wo ft h ei n i t i a l g e o s t r e s sf i e l da n dt h ee f f e c t so fi n t e r f a c eb e t w e e ns o i la n dt h ep r e f a b r i c a t e d r e i n f o r c e dc o n c r e t ec u l v e r t ，a n db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt h ec a l c u l a t i o nm o d e la n d m e t h o da r eb u i l tf o rt r a n s v e r s es t r e s si nt 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 c u l v e r t ( 2 ) at h r e ed i m e n s i o n a ls 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 e c u l v e r ti s e s t a b l i s h e dt oc a l c u l a t et h es i z ea n dt h ed i s t r i b u t i o no fi t ss t r e s s c o m p a r i n gw i t h t h er e s u l t sc a l c u l a t e db yt h et w o d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n dt h er e s u l to ft h r e e d i m e n s i o n a l ，i ts h o w st h a tt h et w or e s u l t sa r en e a r l yt h es a m e ( 3 ) b a s e do nt h er e s e a r c ho fap 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 c u l v e r to f a n h u im i n g ( g u a n g ) x u ( z h o u ) e x p r e s s w a ya n dc o n s i d e r e dt h ep r i n c i p l eo f s o i l s t r u c t i o ni n t e r a c t i o na n dt h ef r i c t i o na n de x t r u s i o nb e t w e e ns e g m e n tjo i n t s ，t h i s p a p e rd i s c u s s e sa n ds t u d i e st h ek e yi s s u e sr e l a t i n gt ot h el o c a t i o no fs p l i t t i n gp o i n t o fs e g m e n tj o i n ta n dt h eb a dp o s i t i o nf o rt h el o c a t i o no fl o a d e dv e h i c l e sb yu s i n g f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt oe s t a b l i s hat w o - d i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rt h ec u l v e t ( 4 ) as p a c ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fs k e wp 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 c u l v e r ti se s t a b l i s h e d s k e wp 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 ec u l v e r tl o a d e du n d e r t h ev e h i c l e s ，t h ed e f o r m a t i o ns i z eo fd i f f e r e n ts k e wc u l v e r ta n dt h es t r e s ss i z ea n d t h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s sh a v eb e e na n a l y z e di nt h i sp a p e l ( 5 ) o nt h eb a s i so fa b o v em e c h a n i c a la n a l y s e s ，t h em e a s u r e sa n dm a t e r i a l sf o r r e d u c i n gv e r t i c a ls o i lp r e s s u r e sa c t i n go nt 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 c u l v e r ta r ed i s c u s s e d ，a n dt h e nt h ec a l c u l a t i o nm o d e ls e tu pi n t h i sp a p e rb e i n g a p p l i e di nl i u ( a n ) w u ( h a n ) e x p r e s s w a yo 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 c u l v e r tf l e x i b l ef i l l e dm a t e r i a l s ，u s i n gt h em o d e lt oa n a l y z et h ed e f o r m a t i o na n d s t r e s sd i s t r i b u t i o no fap r e f a b r i c a t e dc u l v e r to fl i u ( a n ) w u ( h a n ) e x p r e s s w a ya n d c o m p a r i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa n df i e l dm e a s u r e m e n tr e c o r d ，t h i sp a p e rv e r i f i e s t h ea c c u r a t ea n df e a s i b i l i t yo ft h em o d e la n dr e s u l t 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 o i l c u l v e r ti n t e r a c t i o n ， s e g m e n tjo i n t ， s k e wp r e f a b r i c a t e dc u l v e r t ，t h r e ed i m e n s i o n a ls o l i d c o n t a c tm o d e l ，s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，l o a dr e d u c t i o n 插图清单 i 蛩2 一ld r u c k e r p r a g e r 准贝0 1 0 图2 2 各屈服准则在丌平面上的曲线1 1 图2 3m o h r - c o u l o m b 屈服条件1 2 图2 4n 平面上的m o h r c o u l o m b 屈服曲线1 2 图2 5 增量法示意图1 4 图2 6 迭代方法示意图1 5 图2 7 增量迭代混合法1 6 图2 8 有限元s o l i d 4 5 单元形状2 3 图2 9 装配式管型通道断面图2 4 图2 1 0 装配式管型通道实体图( 1 ) 2 5 图2 1 l 装配式管型通道实体图( 2 ) 2 5 图2 1 2 管型通道地层结构有限元模型2 6 图2 1 3 管型通道有限元模型2 6 图2 一1 4 管型通道左角板有限元模型2 6 图2 1 5 管型通道顶板有限元模型2 6 图2 一1 6 管型通道接触单元模型2 6 图2 1 7 管型通道目标单元模型2 6 图2 一1 8 填土厚度为5 8 珊管底的土压力云图2 7 图2 1 9 填土厚度为7 0 m 管底的土压力云图2 7 图2 2 0 填土厚度为7 0 m 管顶的土压力云图2 7 图2 2 1 填土厚度为7 0 m 管侧的土压力云图2 7 图2 2 2 不同填土厚度土压力变化2 7 图2 2 3 不同位置土压力变化2 7 图2 2 4 管周土压力分布图( 7 m ) 2 8 图2 2 5 吊装完成时管型通道变形云图2 9 图2 2 6 回填结束时管型通道变形云图2 9 图2 2 7 吊装完成时管型通道环向应力云图2 9 图2 2 8 回填结束时管型通道环向应力云图2 9 图2 2 9 土体和管型通道竖向位移云图2 9 图2 3 0 土体和管型通道竖向位移云图2 9 图2 3 1 管片左右接头之间的压力云图3 0 图2 3 2 管片和土体之间滑动位移云图3 0 图3 1 装配式管型通道断面图( 4 m x 2 2 m ) 3 3 图3 2 管型通道与土体二维有限元模型3 4 图3 3 装配式管型通道二维管片模型3 4 图3 4 装配式管型通道二维目标单元3 4 图3 5 装配式管型通道二维接触单元3 4 图3 6 装配式管型通道特征截面图3 5 图3 7 土体自重作用下管型通道弯矩图3 5 图3 8 车辆正载作用下管型通道弯矩图3 6 图3 9 车辆偏载作用下管型通道弯矩图3 6 图3 1 0 土体自重作用下管型通道轴力图3 6 图3 一1 1 车辆正载作用下管型通道轴力图3 6 图3 一1 2 车辆偏载作用下管型通道轴力图3 6 图3 1 3 土体自重作用下管型通道剪力图3 6 图3 1 4 车辆正载作用下管型通道剪力图3 6 图3 1 5 车辆偏载作用下管型通道剪力图3 6 图3 1 6 土体自重作用下环向应力图3 7 图3 一1 7 车辆正载作用下环向应力图3 7 图3 1 8 车辆偏载作用下环向应力图( a ) 3 7 图3 1 9 车辆偏载作用下环向应力图( b ) 3 7 图4 1 斜交角0 。管型通道变形云图4 0 图4 2 斜交角1 5 。管型通道变形云图4 0 图4 3 斜交角3 0 。管型通道变形云图4 0 图4 4 管型通道截面位置图4 0 图4 5 截面4 # i - 倾u 水平位移与斜交角巾关系4 1 图4 6 截面3 多 i - n 水平位移与斜交角中关系4 1 图4 7 斜交角o 。管型通道环向应力云图4 2 图4 8 斜交角5 。管型通道环向应力云图4 2 图4 9 斜交角1 0 。管型通道环向应力云图4 2 图4 1 0 斜交角1 5 。管型通道环向应力云图4 2 图4 1 l 斜交角2 0 。管型通道环向应力云图4 2 图4 1 2 斜交角2 5 。管型通道环向应力云图4 2 图4 一1 3 斜交角3 0 。管型通道环向应力云图4 3 图4 1 4 截面2 内侧环向应力与斜交角咖关系4 4 图4 1 5 截面4 内侧环向应力与斜交角咖关系4 4 图4 1 6 截面2 外侧环向应力与斜交角巾关系4 4 图4 1 7 截面4 外侧环向应力与斜交角巾关系4 4 图4 1 8 截面6 内侧环向应力与斜交角西关系4 5 图4 一1 9 截面6 外侧环向应力与斜交角西关系4 5 图4 2 0 截面7 外侧环向应力与斜交角西关系4 5 图4 2 1 截面7 内侧环向应力与斜交角咖关系4 5 图4 2 2 截面2 、4 内侧环向应力值对比4 6 图4 2 3 截面2 、4 外侧环向应力值对比4 6 图4 2 4 最大拉应力与斜交角由关系4 6 图4 2 5 最大压应力与斜交角由关系4 6 图4 2 6 斜交角0 。管型通道剪应力云图4 7 图4 2 7 斜交角5 。管型通道剪应力云图4 7 图4 2 8 斜交角1 0 。管型通道剪应力云图4 7 图4 2 9 斜交角1 5 。管型通道剪应力云图4 7 图4 3 0 斜交角3 0 。管型通道轴向剪应力云图4 7 图4 3 1 斜交角度与管腰处剪应力的关系4 7 图5 一l 管片有限元模型节点编号5 0 图5 2 管片弯矩云图5 0 图5 3 管片接头断开位置e 角示意图5 0 图5 4 断开位置角与填土厚度的关系5 0 图5 5 装配式拱形通道洞身几何尺寸( 1 ) 5 2 图5 6 装配式拱形通道洞身几何尺寸( 2 ) 5 2 图5 - 7a 二维计算模型中车辆荷载布置图5 5 图5 - 7b 三维计算模型中车辆荷载布置图5 5 图5 8 共节点模型管型通道剪力图5 7 图5 9 接触模型管型通道剪力图5 7 图5 1 0 共节点模型管型通道弯矩图5 7 图5 1 1 接触模型管型通道弯矩图5 7 图5 1 2 共节点模型管型通道轴力图5 7 图5 一1 3 接触模型管型通道轴力图5 7 图5 一1 4 管片有限元模型单元编号1 5 8 图5 1 5 管片有限元模型单元编号2 5 8 图5 1 6c 3 0 等级混凝土的管型通道弯矩图5 9 图5 1 7c 4 0 等级混凝土的管型通道弯矩图5 9 图5 1 8c 3 0 等级混凝土的管型通道轴力图5 9 图5 1 9c 4 0 等级混凝土的管型通道轴力图5 9 图5 2 0c 3 0 等级混凝土的管型通道剪力图5 9 图5 2 1c 4 0 等级混凝土的管型通道剪力图5 9 图5 2 2 管型通道的减载措施示意图6 2 图5 2 3 装配式通道截面位置图示6 2 图5 2 4 有减载板的环向应力云图6 3 图5 2 5 无减载板的环向应力云图6 3 图5 2 6 编号1 管型通道环向应力6 3 图5 2 7 编号2 管型通道环向应力6 3 图5 2 8 编号3 管型通道环向应力6 4 图5 2 9 环向应力随减载板厚度变化的关系6 4 图5 3 0 编号4 管型通道环向应力6 4 图5 3 1 编号l 管型通道环向应力6 4 图5 3 2 编号6 管型通道环向应力6 5 图5 3 3 编号1 管型通道环向应力6 5 图5 3 4 编号7 管型通道环向应力6 5 i i i 表格清单 表2 1 材料参数2 5 表3 1 材料参数选取3 5 表3 2 二维计算各个截面内力值3 7 表3 3 三维计算各个截面环向应力值3 8 表3 4 二维和三维计算结果对比3 8 表5 1 原通道类型表5 3 表5 2 转换后通道尺寸5 4 表5 3 二种模型结果的比较5 8 表5 4 管型通道不同截面的内力6 0 表5 5 回填土弹性模量对管涵内力的影响6 0 表5 6 回填土粘聚力对管涵内力的影响6 0 表5 7 回填土重度对管涵内力的影响6 l 表5 8 减载板的几何尺寸和材料参数6 2 表5 9 有无减载板对结构受力的影响( 单位：m p a ) 6 3 i v 独创性声明 本人声明所呈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， 也不包含为获得金目巴王些太堂 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。 姗擀肿功僻帅蜘 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、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。本人授权金目曼王些太 兰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) 学位一躲7 司稍本一孝：默阀 ! i i i - - 1 1 ：i i i i ：劢，啤匆月溉签字日期：劫r 晖舻月谚日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：枝 通讯地址： 电话：r l7 = r4 = 1 2 , 彩 邮编： 致谢 论文的完成首先应该感谢导师王建国教授。 在两年半的学习中，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，倾注 了大量的精力和心血。 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，在潜移默化中无不给学生以启迪、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! 作者学习期间，得到了土木与水利工程学院盛宏玉教授等许多老师的指导， 学校研究生院，土木与水利工程学院党委领导和老师也给予了很多关心和帮助， 在此深表感谢! 作者在工程力学3 0 1 实验室学习研究和论文撰写期间，张鸣祥博士师兄、 逢焕平博士师兄、钱锋博士师兄、颜丹青师兄提供了大量资料和指导，与陈海 波、沈丹等同学进行了很多有益的探讨，受益匪浅，在此一并表示深深的感谢! 本文的研究工作得到了安徽省交通厅重点科技项目( 2 0 0 7 0 0 1 ) 和安徽省交 通投资集团横向课题项目的资助，特此表示感谢! 最后，要把一份特别的感激之情献给我的父母、姐姐、弟弟。近二十年漫 长的求学生涯中，我的每一分成长、所取得的每一点成绩与他( 她) 们多年来在 背后的艰辛和在精神上、经济上的支持分不开的，他们的无私奉献是对我的最 大鼓励和鞭策，谨以此文表达我深深的感激之情。 作者：陶双龙 2 0 1 0 年3 月1 5 日 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 上世纪9 0 年代以前，我国国内建造的高速公路数量较少，不能够满足交通 的需要，贯穿高速公路底部的地下通道数量仍然很少。传统建造地下通道的方 法是：将基坑挖至承载力比较高的持力层后，现场浇筑混凝土或浆砌片石基础， 然后现场浇筑混凝土或浆砌片石，最后安装或浇筑上部构造。这种施工方案， 是在生产力发展水平不高的时候最常用的方法。随着经济建设的发展，新工艺、 新材料和新方法不断地运用于各种建设之中，因此，传统的设计方法和施工工 艺就显得相对落后，甚至制约了我国公路建设的发展。所以，采用各种新工法、 新结构来适应高度机械化的大规模道路工程和地下通道的设计、施工就显得十 分必要。 然而，近年来，国内对地下通道的研究还很不够，大部分是沿用传统的现 场浇注圆管涵和各种箱涵的方法。对于现场浇注的地下通道等构筑物，不但工 程质量难以控制，施工工期长，另外，跨径也受到结构型式和受力特点的限制。 这些缺点限制了现浇结构在工程中的进一步推广和应用。 随着国民经济的发展，地下通道的数量日益增多。各种结构型式的管型通 道也不断出现，预制构件的装配式钢筋混凝土管型通道就是其中的一种。该种 结构形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。我国已经 在湖南省的常张高速公路中成功应用了这种预制装配式技术。安徽省已经在六 武高速公路和泗宿高速公路工程中首先推广应用，在建的明( 光) 徐( 州) 高 速公路，由于地形特点和使用要求，沿途有上百座贯穿公路路基的通道，这种 通道在设计中也采用了这种装配式钢筋混凝土管型通道。 然而，国内对多管片装配式地下通道结构应用技术的研究还没有引起足够 的重视，目前尚没有相关的设计规范。因此，提出一种全预制装配式通道的结 构设计及力学特性分析就显得很有必要。 本论文的研究得到了安徽省交通厅及安徽省交通投资集团的大力支持。论 文以已经建成通车的六( 安) 武( 汉) 高速公路安徽段，泗( 县) 宿( 州) 高速公路工 程和即将开工建造的明( 光) 徐( 州) 高速公路中的装配式钢筋混凝土管型通 道设计、施工为工程应用背景，通过对装配式钢筋混凝土管形通道设计、施工 中的一些关键技术问题进行了理论研究和数值模拟计算、分析。研究装配式钢 筋混凝土管型通道的各种力学特性，为装配式钢筋混凝土管型通道的推广和设 计提供理论依据和参考。 1 2 国内外研究状况 国内预制装配化混凝土箱形管道( 以下简称箱涵) 使用较少，而国外地下 管道中预制装配化箱涵占有较大比例，在工程中大量应用。日本有专业化工厂 生产箱涵，在大型排洪道、城市雨污水管道、地下人行通道、机动车地下隧道 等，都较多地应用预制装配化箱涵。而我国基本是一个空白，当前仍采用现场 浇筑的方法制作箱涵。 而目前，许多国家都把构件预制化作为技术发展的一个重要标志。构件预 制化的程度越高，技术水平也越高。同时构件预制化也是施工工厂化技术发展 的必然趋势，是提高工程质量和加快修建速度、降低工程成木的主要方法。 日木曾采用预制双跨箱形结构，构件的箱体尺寸是1 1 0 9 2 m x7 4 4 0 m ，整个 结构分成顶板、底板、侧壁及中柱等5 个预制构件，设计中主要解决了构件的划 分和轻量化，构件的纵向和横向连接问题。苏联曾在用明挖法施工的地铁线上， 包括车站、区间隧道、以及车站附属建筑和辅助隧道工程，均采用定型拼装的 统一规格的钢筋混凝土结构f 1 】【2 1 。 我国国内也已经在湖南省常张高速公路中成功应用了预制装配式技术，采 用这种预制方法和该种结构形式，具有工程质量易于控制、施工速度快等优点， 同时也可以降低工程成本。 1 2 1 地下结构计算理论 地下结构处于地层中，其周围介质为岩石或土壤。因此，地下结构与地面 结构相比较有很大的差别。与地面结构处于空气介质中不同，地下结构处于地 层介质中，修建过程中和建成后，都要受到地层的作用，在地下结构构筑过程 中是分部分完成地下结构空间和地层实体的替代，地下结构的受载情况还与地 下结构的形成过程及空间效应密切相关。地层不单纯是荷载，地下结构与围岩 形成一个统一的受力体系。地下结构在设计时候依据的条件只是前期地质勘探 得到的粗略资料，揭示的地质条件非常有限，只是在施工过程中才能逐步地详 细了解。 在地下结构计算理论形成的初期，人们仅仿照地面结构的计算方法进行地 下结构的计算，经过较长时期的实践，地下结构受力变形的特点才逐步被认识， 并形成以考虑地层对结构受力变形约束为特点的地下结构计算理论。地下结构 计算理论的发展，大致可分为以下七个阶段1 3 】【6 】：( 1 ) 、刚性结构阶段；( 2 ) 、弹 性结构阶段；( 3 ) 、假定抗力阶段；( 4 ) 、弹性地基梁阶段；( 5 ) 、连续介质阶段；( 6 ) 、 数值方法阶段；( 7 ) 、极限和优化设计阶段；应该指出，地下结构计算理论的上述 七个发展阶段在时间上并没有截然的先后之分，后期提出的计算方法一般也并 不否定前期的研究成果。 地下结构的计算方法按衬砌与地层相互作用考虑方式的不同可以分为两 类：荷载结构法和地层结构法。 2 1 2 2 结构一土相互作用分析方法 关于多体系统相互作用问题和接触问题，自2 0 世纪6 0 年代末以来，随着有 限元法的建立与发展，相继提出了各种计算模型与数值分析方法，如界面单元 一有限元方法【 、刚体有限元法【8 】和离散单元法【9 1 及数值流形方法【1 0 1 等，这些方 法对接触界面的处理基本上都是采用在界面法向与切向上施加弹簧来实现，通 过改变弹簧的刚度参数模拟接触界面的力学特性，由此所给出的结构变形和应 力包含了由弹簧所引起的附加变形和应力，同时弹簧参数的确定比较困难及取 值具有一定的人为任意性。 在土体与结构物静动力相互作用分析中，土与结构接触面的静动力本构模 型占有重要地位。已建立了包括线弹性模型、非线性弹性模型、弹塑性模型、 损伤模型等在内的多种接触面本构模型，其中有些模型己得到较广泛的应用。 粗粒土与结构接触面单调和循环剪切试验结果也表明，土体与结构物接触面表 现出显著的剪应变与体应变耦合特性、细观结构异向性及其引起的宏观剪切异 向性、土颗粒破碎等造成的物态演化特性。这些本构模型多偏重于描述单调荷 载作用下的接触面力学特性，对这些粗粒土与结构接触面的力学特性尚不能合 理地加以描述【1 4 j 。 在土体与结构物动力相互作用分析时，大多假定在荷载历时全过程中土和 结构物之间始终是位移协调的，在这种条件下得到的分析结果与实际的动力反 应会有一定程度偏离。实际上，土体与结构物系统在强动力受荷下，土、结构 物这两种不同材料接触面之间会发生诸如滑移、剥离或提离等相对运动现象。 这种界面非线性效应使得土和结构构成的连续体中形成了一个不连续的界面， 从而其接触应力的分布也趋于更加复杂。对于明置或埋入式基础，国内外已有 许多学者对接触面问题进行了广泛的研究。t o k i 等人将g o o d m a n 单元推广应 用到动力相互作用分析中，利用有限元法得到了强震时结构与地基间的局部滑 移与提离的结果，并得出土一结构物接触面的一致粘合假设可能会导致对结构物 的实际反应估计不足的结论，i s e n b e r g 和v a u g h a n 等人用一种连续土单元来模 拟接触面特性，该模型采用了一种特定的约束条件来限制单元法向及切向力的 传递，并以此来反映埋置圆形基础与土的共同作用问题，w o l f 用分布的阻抗函 数法，研究了放置在半无限弹性地基上的刚性板与地基间的提离效应，并进行 了考虑滑移与提离现象的结构物的地震反应分析。但该方法视地基土为弹性土 体，所给出的变形特性仅与频率相关，且仅限于研究表面基础，故在实际工程 中难以应用。赵振东等采用由弹塑性材料构成的薄层连接单元来模拟土与结构 物的接触面，通过该模型面的几何形状、应力状态有效地反映出了基础与地基 间的接触、滑移或提离等非线性动力效应【1 5 】【20 1 。 由此可以看出，土体和结构物之间相互作用采用接触条件的分析已越来越 普遍。 1 2 3 土压力计算理论 地下结构与岩土介质结合成一个连续的或不连续的整体系统，相互作用， 共同受力。装配式钢筋混凝土管型通道属于地下结构物，与土相互作用，因此， 对管型通道周围土压力分布的研究是涵管受力分析和设计的关键因素【2 1 1 。管片 承受的土压力取决于管型通道管片与填土之间的相互作用特性，而这种相互作 用具有复杂性【2 2 】，许多学者曾从不同的角度分析了地下通道上土压力大小，并 提出了不同的地下通道土压力计算方法。 关于管道垂直土压力的研究，最早是以谷仓压力理论为基础。1 8 9 5 年杨森 ( h a j a s s e n ) 对谷仓压力进行了研究，并将其结果运用于管道土压力计算。 1 9 1 3 年美国土木工程学会主席马斯顿( a m a r s t o n ) 教授根据从散离体条件出发 的极限平衡理论，导出了管道垂直土压力的计算公式【23 1 。半个世纪以来，各国 学者从不同途径对管道垂直土压力这个课题作了进一步的研究，如原苏联的耶 梅里杨诺夫( a m e m e l b g h o b ) 教授、克列恩；德国的弗宜米( a v o e l m y ) ；我国的 曾国熙教授、顾安全教授等【2 引。关于管道侧向土压力的计算，一般都用郎肯( w j r an k i n e ) 主动土压力公式计算，或者根据试验实测结果计算。 关于填埋式地下通道的土压力计算方法近二十种，但归纳起来可分为以下5 大类【2 5 】【2 8 】：( 1 ) 以马斯顿为代表的散体极限平衡法；( 2 ) 土柱重量法；( 3 ) 压力 集中系数法；( 4 ) 考虑变形条件的弹性理论计算方法；( 5 ) 卸荷拱法。 1 2 4 装配式接头设计理论 装配式钢筋混凝土管型通道是由多片预制的钢筋混凝土管片拼装连接而 成，管片之间的连接方式为压式接头，接头沿径向为梯形楔，在外部荷载的作 用下，管片与管片之间相互挤压。通过这种挤压作用保持整个管型通道的完整 性、力的传递性以及确保在外力作用下管片不发生滑落现象。目前提出的管片 接头模型归结起来主要有以下几类： ( 1 ) 连续衬砌环梁单元模型2 9 】 该种模型认为衬砌结构刚度沿整个结构是均匀分布的，即通常所说的惯用 设计法。它最初是在1 9 6 0 年日本j s c e 的隧道工程研讨会上提出来的，随后又 于1 9 6 9 年正式作为该协会推荐的方法。这种方法不考虑管片接头的柔性特征， 而将其作为混凝土截面来计算内力，即将拼装衬砌作为均匀刚度来设计，并基 于文克勒( w i n k l e r ) 理论，假设地层反作用荷载仅在水平方向的正负4 5 0 范围内 按三角形规律分布。 ( 2 ) 梁一接头模型【3 0 】- 【3 2 】 梁一弹簧模型是1 9 6 8 年日本的k u b o 提出来的，它用弹簧模拟各种接头性能。 在梁一弹簧模型中，梁分为直梁和曲梁两种。 ( 3 ) 梁一接头不连续模型3 3 】【3 8 】 考虑到接头处变形的不连续性，同济大学朱合华教授以结构的非线性为出 4 发点，引入非连续介质力学数值分析古德曼( g o o d m a n ) 单元的思想，并考虑接头 单元具有拉伸作用，以模拟螺栓的连接作用。和梁一接头连续模型相比，该模型 基于引入接头元的有限元数值方法，是一种可以反映接头变形和接头内力的非 线性关系，且接头变形不连续的衬砌结构计算模型。 近年来，衬砌管片接头模型的研究出现了三维实体模型，使管片接头的模 拟更为精细化。b l o mc b m ( 1 9 9 9 年) 对管片衬砌进行了三维分析，将管片间 的接缝用接触面单元来模拟，管片用八节点的实体单元来离散模拟。 黄钟晖等( 2 0 0 3 年) 采用三维有限元法对衬砌管片三维受力状态进行了分 析，研究了在错缝拼装条件下环缝接头对管片接头的约束作用以及由此而产生 的环间弯矩传递，但是没有考虑管片衬砌与地层之间的相互作用。 曾东洋、何川( 2 0 0 4 年) 采用三维有限元法对国内某盾构隧道管片接头的 受力情况进行了数值模拟计算。 朱伟、黄正荣、梁精华( 2 0 0 6 年) 围绕盾构衬砌管片的设计模型问题，提出 了一种新的壳一弹簧设计模型，详细论述了模型的建立过程。运用壳一弹簧模型 与梁一弹簧模型分别对衬砌管片通缝和错缝拼装进行对比分析。 鞠杨等结合广州地铁三号线盾构隧道工程实例，提出钢筋混凝土衬砌结构 三维非线性有限元计算模型，应用非线性有限元程序a n s y s 分析了上部和周围 土体荷载作用下衬砌的应力场与变形情况。 ( 4 ) 多铰圆环模型【3 9 】 多铰圆环模型刚好与连续衬砌环梁单元模型相反，多铰圆环模型有两类： 一种是忽略管片接头的刚度，即假定接头处为抗弯刚度为零的完全铰，在考虑 地层抗力的条件下认为衬砌环为静定圆环。这种模型主要是俄罗斯和英国在地 质条件很理想的情况下采用，另一种是认为衬砌环是具有弹性铰的圆环，进一 步考虑由于错缝拼装的影响，将错缝拼装的相邻衬砌圆环简化为两个具有弹性 铰的图环，其在纵向螺栓连接处径向位移协调。 1 3 研究目的与意义 随着国民经济的发展和生产力水平的提高，我国高速公路和城市交通建设 的发展也日新月异，地下通道的数量日益增多。各种结构型式的管型通道也不 断出现，预制构件的装配式钢筋混凝土管型通道就是其中的一种。该种结构形 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。结构的构件在工 厂预制和施工场地批量预制，然后运输到现场安装即可。因此，由于这种结构 的优越性，它在国内外公路工程均有广泛的运用。上世纪八十年代，法国就对 装配式地下通道和地下人防设施进行了研究。我国国内也已经在湖南省的常( 德) 张( 家界) 高速公路中成功应用了预制装配式钢筋混凝土盖板涵洞通道技术。 构件施工工厂化是技术发展的必然趋势，是提高工程质量和修建速度、降 低成本的主要方法。由于这种装配式钢筋混凝土管型通道具有比传统现浇圆管 涵及箱涵更多的优点，在公路工程建设中具有广泛的应用前景。安徽省已经在 六( 安) 武( 汉) 高速公路和泗( 县) 宿( 州) 高速公路工程中首先推广应用，在建的 明( 光) 徐( 州) 高速公路，由于地形特点和使用要求，沿途有上百座贯穿公 路路基的通道，这种通道在设计中也采用了这种装配式钢筋混凝土管型通道。 由于装配式大孔径钢筋混凝土管型通道总是埋置于土中的，它的设计要比 地面结构和普通的地下结构复杂得多，包括结构的受力性能和管片强度问题、 接头的型式及其强度问题、断面型式及尺寸问题、现场吊装的便捷性等等。然 而，国内对多管片装配式地下通道结构应用技术的研究还没有引起足够的重视， 目前尚没有装配式钢筋混凝土管型通道的设计规范可供设计人员参考。 因此，针对地下通道及其它地下各种涵洞的设计状况，提出一种全预制装 配式通道、涵洞的结构设计及力学特性分析就显得很有必要。 1 4 论文研究的主要内容与技术路线 1 4 1 研究内容 论文以六( 安) 武( 汉) 高速公路安徽段，泗( 县) 宿( 州) 高速公路和明( 光) 徐( 州) 高速公路工程中的装配式钢筋混凝土管型通道应用为背景，采用理论 分析与有限元数值模拟方法，共同研究装配式钢筋混凝土管型通道的力学特性。 应用大型结构分析有限元软件a n s y s 的a p d l 语言编制了参数化通用有限元程 序，使用接触单元考虑了土体和管片之间，以及管片接缝之间的