CN105760622A - 盾构法隧道梁弹簧模型的土弹簧设置方法及计算模型 - Google Patents

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包鹤立
姜弘
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Abstract

本发明公开了一种盾构法隧道梁弹簧模型的土弹簧设置方法及计算模型，所述的土弹簧设置方法包括：S1、建立结构有限元计算模型，在圆环四周每个节点处设置水平、竖向单向压缩弹簧；水平弹簧外侧节点与隧道结构相连节点耦合竖向位移，约束水平位移；竖向弹簧外侧节点与隧道结构相连节点耦合水平位移，约束竖向位移；S2、水平、竖向弹簧的刚度分别由地质报告提供的水平、竖向抗力系数确定；S3、按照传统的梁弹簧模型计算公式设置其余荷载；S4、土弹簧和其余荷载设置完成后即可进行结构内力计算。本发明的土体和结构之间的弹簧作用模型设置方法，使得径向、切向土弹簧的物理意义更为明确。另外，本发明还为精确求解盾构法隧道管片内力提供了基础。

Description

盾构法隧道梁弹簧模型的土弹簧设置方法及计算模型
技术领域
本发明涉及城市轨道交通和车行隧道建设领域，特别涉及一种盾构法隧道梁弹簧模型的土弹簧设置方法及计算模型。
背景技术
盾构法隧道伴随着城市轨道交通和车行隧道的发展而大规模应用，其管片结构内力计算关乎结构的安全性，是重点研究的内容。
常见的盾构隧道内力计算模型包括修正惯用法、自由铰圆环模型、梁弹簧模型等。修正惯用法计算比较简单，但完全忽略了管片接头的影响，与实际情况不符；梁弹簧模型能较好地反映接头对整个隧道结构刚度的影响，但其接头弹簧以及土体和结构之间的接触弹簧(土弹簧)的理论基础尚不统一。
常见的梁弹簧模型中土体和隧道结构之间的作用通过全周径向、切向的弹簧进行模拟。如图1所示，上述径向、切向土弹簧的物理意义不是十分明确，且土体通常表现为各项异性，弹簧采用统一的刚度不尽合理，取值也带有相当的主观性，因此，其计算结果不可避免地存在一定的任意性。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供一种更准确地反映土体和隧道结构之间的相互作用的盾构法隧道梁弹簧模型的土弹簧设置方法及计算模型。
本发明提供的盾构法隧道梁弹簧模型的土弹簧设置方法，其特点在于，其包括以下步骤：
S1、建立结构有限元计算模型，在圆环四周每个节点处设置水平、竖向单向压缩弹簧；水平弹簧外侧节点与隧道结构相连节点耦合竖向位移，约束水平位移；竖向弹簧外侧节点与隧道结构相连节点耦合水平位移，约束竖向位移；
S2、水平、竖向弹簧的刚度分别由地质报告提供的水平、竖向抗力系数确定(这样可使得弹簧刚度值的取用更有依据)；
S3、按照传统的梁弹簧模型计算公式设置其余荷载；及
S4、土弹簧和其余荷载设置完成后即可进行结构内力计算(结构内力计算部分同现有的结构内力计算。该结构内力计算部分非本发明的改进点所在，故在此不作赘述)。
在一些实施例中，在步骤S1中，所述水平、竖向单向压缩弹簧布满隧道全周(由于单向压缩弹簧受拉时自动脱落，这样设置则准确地模拟了土体与隧道结构之间的相互作用范围)。
在一些实施例中，在步骤S1中，所述水平弹簧始终保持水平，以提供水平力；竖向弹簧始终保持竖向，以提供竖向力。
在一些实施例中，在步骤S2中，所述水平弹簧的刚度取值为土体水平抗力系数乘以每个水平弹簧覆盖的间距；竖向弹簧的刚度取值为土体竖向抗力系数乘以每个竖向弹簧覆盖的间距。这样，弹簧只在压缩时发挥作用，当受拉时自动失效，从而水平、竖向压缩弹簧自动精确地模拟了土体对隧道结构的水平抗力与竖向地基反力，同时也给结构提供了必要的位移约束。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实施例。
此外，本发明还提供一种基于盾构法隧道梁弹簧模型的土弹簧设置方法的结构有限元计算模型，其特点在于，其包括：若干设置在圆环四周每个节点处单向压缩的水平弹簧、单向压缩的竖向弹簧；水平弹簧外侧节点与隧道结构相连节点耦合竖向位移，用以约束水平位移；竖向弹簧外侧节点与隧道结构相连节点耦合水平位移，用以约束竖向位移。
较佳地，所述水平弹簧始终保持水平，以提供水平力；竖向弹簧始终保持竖向，以提供竖向力。
本发明的有益效果：
1.本发明提出了全新的土体和结构之间的弹簧作用模型，使得径向、切向土弹簧的物理意义更为明确。
2.本发明为精确求解盾构法隧道管片内力提供了基础。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为传统梁弹簧模型图。
图2为本发明的梁弹簧模结构图。
附图标记说明:水平弹簧1；竖向弹簧2
具体实施方式
下面举出几个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。
实施例1
如图2所示，本实施例提供的盾构法隧道梁弹簧模型的土弹簧设置方法包括以下步骤：
S1、建立结构有限元计算模型；
本实施例的建立结构有限元计算模型的具体做法为：
在圆环四周每个节点处设置水平和竖向单向压缩的弹簧，即水平弹簧1、竖向弹簧2；水平弹簧1、竖向弹簧2可布满隧道全周；水平弹簧1的外侧节点与隧道结构相连节点耦合竖向位移，约束水平位移--这样保证水平弹簧永远保持水平，提供水平力；竖向弹簧2的外侧节点与隧道结构相连节点耦合水平位移，约束竖向位移--竖向弹簧永远保持竖向，提供竖向力。
S2、水平弹簧、竖向弹簧的刚度分别由地质报告提供的水平、竖向抗力系数确定，使得弹簧刚度值的取用更有依据。
例如，水平弹簧的刚度取值为土体水平抗力系数乘以每个水平弹簧覆盖的间距；竖向弹簧的刚度取值为土体竖向抗力系数乘以每个竖向弹簧覆盖的间距。这样，弹簧只在压缩时发挥作用，当受拉时自动失效，从而水平、竖向压缩弹簧自动精确地模拟了土体对隧道结构的水平抗力与竖向地基反力，同时也给结构提供了必要的位移约束。
S3、其余荷载设置计算按照传统的梁弹簧模型进行计算；
例如：根据隧道的埋深和土层性质施加隧道顶部竖向土压力、拱背土压力、水平向主动土压力、水压力、结构重力等，隧道管片接头处设置一定刚度的环向旋转弹簧。
S4、土弹簧和其余荷载设置完成后即可进行隧道结构内力计算。其中，结构内力计算部分同现有的结构内力计算。该结构内力计算部分非本发明的改进点所在，故在此不作赘述。
实施例2
如图2所示，基于实施例1，本发明还提供一种基于盾构法隧道梁弹簧模型的土弹簧设置方法而建立的结构有限元计算模型，包括：若干设置在圆环四周每个节点处单向压缩的水平弹簧1、单向压缩的竖向弹簧2；水平弹簧1的外侧节点与隧道结构相连节点耦合竖向位移，用以约束水平位移；竖向弹簧2的外侧节点与隧道结构相连节点耦合水平位移，用以约束竖向位移。
其中，所述水平弹簧1始终保持水平，以提供水平力；竖向弹簧2始终保持竖向，以提供竖向力。
通过本发明的土体和结构之间的弹簧作用模型设置，使得径向、切向土弹簧的物理意义更为明确。
另外，本发明还为精确求解盾构法隧道管片内力提供了基础。
以上详细描述了本发明的各较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种盾构法隧道梁弹簧模型的土弹簧设置方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、建立结构有限元计算模型，在圆环四周每个节点处设置水平、竖向单向压缩弹簧；水平弹簧外侧节点与隧道结构相连节点耦合竖向位移，约束水平位移；竖向弹簧外侧节点与隧道结构相连节点耦合水平位移，约束竖向位移；
S2、水平、竖向弹簧的刚度分别由地质报告提供的水平、竖向抗力系数确定；
S3、按照传统的梁弹簧模型计算公式设置其余荷载；及
S4、土弹簧和其余荷载设置完成后即可进行结构内力计算。
2.如权利要求1所述的土弹簧设置方法，其特征在于，在步骤S1中，所述水平、竖向单向压缩弹簧布满隧道全周。
3.如权利要求1所述的土弹簧设置方法，其特征在于，在步骤S1中，所述水平弹簧始终保持水平，以提供水平力；竖向弹簧始终保持竖向，以提供竖向力。
4.如权利要求1所述的土弹簧设置方法，其特征在于，在步骤S2中，所述水平弹簧的刚度取值为土体水平抗力系数乘以每个水平弹簧覆盖的间距；竖向弹簧的刚度取值为土体竖向抗力系数乘以每个竖向弹簧覆盖的间距。
5.一种基于盾构法隧道梁弹簧模型的土弹簧设置方法的结构有限元计算模型，其特征在于，其包括：若干设置在圆环四周每个节点处单向压缩的水平弹簧、单向压缩的竖向弹簧；水平弹簧外侧节点与隧道结构相连节点耦合竖向位移，用以约束水平位移；竖向弹簧外侧节点与隧道结构相连节点耦合水平位移，用以约束竖向位移。
6.如权利要求5所述的结构有限元计算模型，其特征在于，所述水平弹簧始终保持水平，以提供水平力；竖向弹簧始终保持竖向，以提供竖向力。
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