袁圣生02130530学科前沿讲座解析

1、力学与建筑工程学院学科前沿讲座课程论文题目： 基于修正惯用 法的水下盾构片的内力计算姓名：袁圣生学号：02130530班级：地下二班2016年11月6日基于修正惯用法的水下盾构管片的内力分析中国矿业大学 袁圣生 02130530（ 中国矿业大学力学与建筑工程学院土木工程专业地下工程方向 2 班）黄家会教授靖洪文教授王东权教授袁广林教授中文摘要 ; 盾构管片设计是一项非常重要的工作，水下盾构由于水文和地质环境更为复杂，要求更为苛刻。传统方法采用梁弹簧法。通过采用修正惯用法对水下盾构管片内力进行计算分析。在此基础上，针对不同接头刚度、 环间刚度的工况作用时， 对比分析内力状况，研究成果可以为管片设

2、计提供极大的参考价值。关键词 : 管片设计 ; 修正惯用法 ; 内力 ; 分析刖百盾构管片内力计算的方法较多，根据不同的计算模型假定，主要有自由变形法弹性支承法、地层结构法、 修正惯用设计法、 弹性铰法及收敛限制法等每种方法都有其适用的范围， 也各有自身的局限性。 其中， 修正惯用法以其受力明确、 计算思路清晰和简单实用等诸多优点而被广泛地应用于盾构衬砌设计计算中。黄清飞等利用修正惯用法推导了管片在荷载作用下的弹性解， 研究了不同覆土条件下水位变化对管片内力的影响; 张美聪运用修正惯用法对圆形盾构隧道衬砌管片内力进行了计算分析; 王志良等为研究隧道横向收敛变形对隧道结构安全的影响， 基于弹性极

3、限理论， 并结合修正惯用法， 求出了螺栓在弹性极限状态下管片截面的弯矩值 ; 彭益成， 曾东洋和夏才初等从数值模拟或理论推导出发， 研究了修正惯用法的弯曲刚度有效率y的取值。已有研究表明，利用修正惯用法求解盾构隧道管片内力是行之有效的。 基于修正惯用法基本理论， 本文拟对水下盾构管片内力进行计算分析， 并针对不同接头 刚度、环间刚度的工况作用时，对比分析了内力状况，为管片设计提供参考。1 修正惯用法理论基础修正惯用法是在惯用法的基础上引入弯曲刚度有效率y和弯矩提高率e。以小于1的刚度折减系数y来体现环向接头的影响，不具体考虑接头的位置，管片环为具有 y ei刚度的均质圆环。考虑到管片接头存在钱

4、的部分功能， 间进行内力重分配，在计算过程中引人小于 加内力值，如图1所示。计算所选用参数 相同。下面将针对当前管片设计中普遍采用的 推导，所采用的计算荷载图示如图2所示。将向相邻管片传递部分弯矩，使错缝拼装管片1. 0的弯矩提高率e来表达错缝拼装引起的附ri和e主要根据经验选取，其荷载计算与惯用法（修正）惯用法采用结构力学的方法进行理论隧迫纵向图2惯用法的荷载系统2盾构管片内力计算盾构管片内力计算模型采用管片环外直径6000mm内直径5400mm管片幅宽1500m,管片厚度250mm每环衬砌环分为 6块，封顶环为22. 5 ,其余五环67. 5。荷载见表1。荷载翌向“kn* .7)水平“kn

5、 1117 1地而荷载上储土后结构门重上恻上压下侧土压上恻土乐下解土压20nx*25621)645372516最大负弯矩m=表1荷载计算表tabk 1 ixtiicl rhloil.ition tnldr采用均质圆环法得出的最大正弯矩m=285kn-m对应的轴力为 n=1944 k n;263kn-m对应白轴力 n=1496kn=2. 1国内外管片间抗弯刚度模型接头性能对衬砌环的受力和变形有一定影响，这是衬砌设计中必须考虑的因素。表征接头性能最重要的参数是接头抗弯刚度k 0 ,它定义为接头产生单位转角所需的弯矩。目前，ke的取值尚无公式或规范可循，一般是根据接头受力试验确定的。对接头刚度模型研

6、究得到了许多研究者的重视， 提出了许多模型，并得到了经验公式。张厚美等在圆形隧道装配式衬砌接头刚度模型研究中得出在接头构造、螺栓预紧力等确定的条件下，接缝转角0只与轴 力n和弯矩m有关，可用回归分析方法得到0与m和n的关系。二优 + w + /n +仇(32)m1/k = (33)“0,+6/十仇n十%mv式中：m为弯矩，kn - m;n为轴力，kn k 0为接头抗弯刚度， kn m/rad。 b0, bl, b2和b3 为回归系数，取值如下：%5%4相关系数-0.41k0.0372.5 xlo-l2 x 100.9972. 2管片间抗弯刚度取值由于周海鹰、陈廷国、李立新在地铁区间盾构隧道衬砌

7、纵向接头抗弯刚度实验研究中提出的经验公式只是列举了几种偏心距、衬垫尺寸、预压力下的经验公式1)将均质圆环法求出的弯矩与轴力代入张厚美在文献圆形隧道装配式衬砌接头刚度模型 研究提出的公式得： 正弯矩处：b285 xlo3”-().037 x285 -0.418 + (2.5-l2xl0-1 x285) xo. 194 4= 7-2 x 10 km * ni/rad负弯矩处：263 x0a 0.037 x263 -0.418 + (2.5 -1.2 x 10 x263) xo. 149 6= 5.3 x 101 kn m/rad参照国内外有关试验研究结果，接头抗弯刚度的值通常为104105k nl

8、- m/ rad,环间 弹簧径向刚度取为弹簧的抗压刚度786000kn/m,环间弹簧切向刚度取为弹簧的剪切刚度114900kn/m。2. 3修正惯用法模拟计算弹簧的刚度取值算好后，用修正惯用法来进行模拟。梁一弹簧模型的弹簧形式可见图5。在修正管用法中分别取 刀=0.8、e =0.8,计算模型见图6。计算结果见图7。从图中可得到 用修正惯用法计算得到的最大正弯矩是258. 314 k nl- m,最大负弯矩为240. 322 kn - m,对比分析文献14,可看出用修正惯用法得出的设计弯矩比梁一弹簧模型得到的值要大，因此采用修正惯用法进行管片设计是安全的人管片环何朝黄：j .半径方向剪切弹黄r;

9、切线方向酋切弹健环向弹簧： 一 一管片间旋轧理谎地基弹黄衬砌管片图7图6修正惯用法模型修正惯用法的弯矩图图5梁-弹簧模型中的弹簧形式3计算结果分析3. 1不同接头抗弯刚度的计算结果将接头力学基本参数中的管片间接将抗弯刚度按 0. 167,0. 33, 0. 67,为分析不同管片间接头抗弯刚度下衬砌结构的力学特性，头抗弯刚度按一定范围进行变化。计算时环间刚度不变,1,1. 33, 1. 67和2倍进行变化。具体方f算结果见表5。不同接头抗弯刚度对比分析如下：表5不同接头抗弯刚度下内力变化表tabk 5 tjir fiexmit! rigidity of the inlrrml forbe und

10、er the*hiinrs of different joint surface比率抗弯刚度，i kx * in rml 1)弯kn * m)止弯矩负弯矩0. 16712 024338.16222.552 099 一 640. 3323 7641352.36235.872 b6. 561.33152 81737(). 59263.3n2 126.03l6719 8s3383.03261.832屈2jk)229 soo3g4.5224l 2q2 237. 241)在荷载和管片衬砌结构条件完全相同的情况下，随着管片间接头抗弯刚度的增大，衬砌 环轴力最大值在逐渐变小，但是变化的幅度都不大。在管片间接

11、头抗弯刚度变化范围内 (k。=12024144000kn-m/rad ),轴力最大值减小不到 3%。究其原因，主要是在土 体自重作用下，管片仅承受压力，因而管片间接头抗弯刚度对轴力的影响不大。2)管片间接头抗弯刚度对衬砌环弯矩的影响较大。在相同条件下，随着管片间接头抗弯刚 度增大，衬砌环弯矩最大值和最小值都增大，最大负弯矩逐渐增大，近于线性关系，而 衬砌环最大正弯矩增大，抗弯刚度小时变化较大，继而趋势变小，最后近于线性。在管 片间接头抗弯刚度变化范围内，衬砌环负弯矩最大值增大了7. 4%而正弯矩最大值增大了 34. 2%管片间接头抗弯刚度对管片环弯矩影响最大的部位是在封顶块位置，随着管片间接头

12、抗弯刚度的增大该部位的弯矩最大值区域显著增大。3) 在弹簧接头刚度很小的情况下，接头处弯矩并不趋于 0，这是因为在错缝的条件下由于错缝效应存在，弯矩并不是全部都经由管片接头传递，其一部分是利用环间接头纵向螺栓的剪切阻力传递给错缝拼装起来的邻接管片。3 2 不同环间刚度的计算结果计算时接头抗弯刚度不变，将环间剪切刚度按0 167 ， 0 33， 0 67， 1 ， 1 33 ， 1 67和 2 倍进行变化。具体计算结果见表6 。不同环间刚度对比分析如下:1) 在荷载和管片衬砌结构条件完全相同的情况下，随着管片环间剪切刚度的增大，衬砌环轴力最大值在逐渐变大。2) 在相同条件下，随着管片环间剪切刚度

13、的增大，衬砌环最大负弯矩逐渐减小，近于线性关系，但是影响较小，变化仅 4%; 衬砌环最大正弯矩逐渐增大，在环间剪切刚度小时，变化小，随着环间剪切刚度的增大，变化趋势增大，最后近于线性。管片环间剪切刚度对最大正弯矩影响较大，变化了 21 4% 。4) 结论1)采用修正惯用设计法计算模型简单，在设计过程中只要弯曲刚度有效率刀及弯矩增大率e通过试验结果和工程类比，取值合理计算结果是完全能满足工程需要的；2) 针对不同接头刚度、 环间刚度的工况作用时， 对比分析了内力状况， 本文的研究成果可为管片设计提供了参考。参考文献 :1 郭璇，孙文波，张晓新，等 地下圆形隧道自由变形法的力法推导及例证 j 铁道

14、学报， 2014，36( 9) : 85 91 j 铁道标准设计， 2 姚超凡，晏启祥，何川，等 地下圆形隧道自由变形法的力法推导及例证2013( 12) : 95 99 3彭益成，丁文其，闫治国，等修正惯用法中弯曲刚度有效率的影响因素分析及计算方法 j 岩土工程学报， 2013， 35( 增 1) :496 500 4 丁军霞，冯卫星， 张保俭 盾构隧道管片衬砌内力计算j 石家庄铁道学院学报， 2004， 17( 2) :66 69 5黄清飞，袁大军，王梦恕水位对盾构隧道管片结构内力影响研究 j 岩土工程学报， 2008，30( 8) : 1112 1120 6王志良，申林方，刘国彬基于弹性

15、极限理论的盾构隧道收敛变形研究 j 铁道学报， 2012，34( 2) : 100 103 7曾东洋，何 川 地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算 j 西南交通大学学报， 2004， 22( 6) : 744 748 8夏才初，曾格华，卞跃威盾构隧道管片环纵向接头抗弯刚度值的不动点迭代确定方法 j 岩石力学与工程学报， 2014， 33( 5) : 991 912 9侯公羽，杨悦，刘 波 盾构管片设计改进惯用法模型及其内力解析解 j 岩土力学， 2008，29( 1) : 161 166 10 张厚美，过迟，付德明 圆形隧道装配式衬砌接头刚度模型研究 j 岩土工程学报， 2000，22( 3

16、) : 309 313 地铁区间盾构隧道衬砌纵向接头抗弯刚度试验研究 j 工业建筑， 11周海鹰，陈廷国，李立新2010， 40( 7) : 59 62 12 曾东洋，何川 地铁盾构隧道管片接头刚度影响因素研究 j 铁道学报， 2005， 27( 4) : 90 95 13 魏 康 林 , 朱 伟 . 盾 构 隧 道 施 工 技 术 发 展 新 动 向 j. 河 海 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ),2001,29(b12):157161.14 朱合华 , 崔茂玉 . 盾构衬砌管片的设计模型与荷载分布的研究j. 岩土工程学报, 2000,22(2): 190194.15 谢红强 , 何 川 , 李 围 . 江底盾构隧道施工期外水压分布规律的现场试验研究j. 岩土力学,2006, 27(10): 18511855.16 曾东洋 , 何 川 . 盾构隧道衬砌结构内力计算方法的对比分析研究j. 地下空间与工程学报，2005, 1(5): 707712.17 蒋洪胜 . 盾构法隧道管片隧道管片接头的理论研究及应用 d. 上海 : 同济大学 , 2000.18 李志业，曾艳华.地下结构设计原理与方法m. 成都：西南交通大学出版社，2003.19 何川，张建刚，苏宗贤大断面水下盾构隧道结构力学特性m 北京: