CN113094783A - 一种沉管隧道接头关键设计参数的快速计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地下工程技术领域，涉及一种沉管隧道接头关键设计参数的快速计算方法，公开了在不同轴向压力状态下管段接头平面内抗弯刚度、竖向抗剪刚度的计算解析方法，能快速确定沉管隧道接头关键构件的力学性能，判断沉管管段接头是否安全。

Description

一种沉管隧道接头关键设计参数的快速计算方法

技术领域

本发明属于地下工程技术领域，尤其是涉及一种沉管隧道接头关键设计参数的快速计算方法。

背景

沉管法隧道是预制隧道管段沉放法的简称，是在水底修建隧道的一种施工方法。主要工艺顺序：在干坞内预制隧道管段，管段两端用临时封墙密封后在坞内放水使其浮在水中，再拖运到隧道设计位置。定位后，向管段内加载，使其下沉至预先挖好的水底沟槽内。管段逐节沉放，并用水力压接法将相邻管段连接。最后拆除封墙，制作接头抗剪、抗拉、抗弯关键构件，使各节管段连通成为整体的隧道。在其顶部和外侧用块石覆盖，形成水下隧道。

沉管法隧道具有较多的优点：(1)容易保证隧道施工质量。因管段为预制，混凝土施工质量高，易于做好管段本体防水措施；管段较长，接缝很少，漏水可能性大为减少。(2)与两岸道路衔接灵活。因隧道顶部覆盖层厚度可以很小，在同样的纵坡要求情况下，隧道可以很快与两岸道路衔接，从而隧道长度可缩短很多，避免了隧道接线长而导致侵占更多的城市地块。(3)断面形状、大小可自由选择，断面空间可充分利用。大型的矩形断面的管段可容纳4～8车道，而盾构法施工的圆形断面利用率不高，且单个断面只能设2车道或3车道为主。故沉管隧道现已成为城市过江隧道的主要施工方法。

沉管隧道管段本体通过预制而成，其质量可以得到有效保障，但管段间的接头竖向剪切键、水平剪切键等关键构件是二次施工，接头处与隧道主体相连的端部截面高度为管段本体的1/2左右，接头材质有钢结构、钢筋混凝土结构、橡胶结构，截面有工字形、凸形，矩形等，刚度小，构造复杂、修复困难，是整座沉管隧道结构受力、防水最薄弱的部位。其结构是否可靠，直接决定沉管隧道能否安全运营，但长期以来，行业内对接头细部构件力学性能特征认知匮乏。

早期所用简化为铰接点的计算手段不能精确反映各构件的受力情况，后续发展出的ANSYS或Hypermesh等有限元软件分析方法存在不真实、分析难、耗时长、成本高等缺点，难以有效指导接头构件精细化设计。国内外多座沉管隧道因接头设计缺陷而引起漏水或工程质量事故，亟需一种快速、简便、精准计算沉管隧道接头关键构件是否安全的理论方法指导接头设计。

发明内容

基于现有技术存在的问题，综合考虑管段本体力学性能特征、接头细部构件特征、隧道轴向压力三者间的函数关系，本发明提供一种沉管隧道接头关键设计参数的快速计算方法，即在不同轴向压力状态下的管段接头平面内抗弯刚度、竖向抗剪刚度的计算解析方法，能快速确定沉管隧道接头构件力学性能，判断接头是否安全，高效指导工程设计。

本发明所涉及沉管隧道接头关键设计参数的快速计算方法，其特征在于，包括沉管管段接头平面内抗弯刚度的计算方法和接头竖向剪切键平均抗剪力的计算方法。

其中，接头平面内抗弯刚度的计算方法，包括以下步骤：

根据管段本体刚度和平面内抗弯接头刚度在不同轴力范围的特征函数关系，计算出接头平面内抗弯刚度Sw；

按照下式计算得出，S_w(1/k_w)/EI，其中，E是管段混凝土弹性模量，I是管段本体横断面惯性量，k_w是接头抗弯刚度随轴向压力变化的特征函数。

其中，接头抗弯刚度随轴向压力变化的特征函数按下式计算，k_w＝b₁x+c₁，其中，b₁是接头抗弯刚度随轴向压力变化特征值，c₁是轴向压力区间范围内的特征常数，x为根据隧道断面大小和隧道纵断面设计埋深情况，计算水沿隧道纵向在隧道横断产生的压力值。

其中，接头竖向剪切键平均抗剪力的计算方案，包括以下步骤：

根据管段本体刚度和接头竖向抗剪刚度在不同轴力范围的特征函数关系，计算出接头竖向抗剪刚度S_HV；

按照下式计算得出，S_HV＝(1/k_HV)/GA，其中G是管段混凝土剪变模量，A是管段横断面混凝土面积，k_HV是接头竖向抗剪刚度随轴向压力变化的特征函数。

其中，接头竖向抗剪刚度随轴向压力变化的特征函数k_HV按下式计算，k_HV＝b₂x+c₂，其中，b₂是接头竖向抗剪刚度随轴向压力变化特征值，c₂是轴向压力区间范围内特征常数，x为根据隧道断面大小和隧道纵断面设计埋深情况，计算水沿隧道纵向在隧道横断产生的压力值。

本发明与现有技术相比，优异之处在于：

沉管隧道接头沿隧道纵向受预应力拉索产生的轴压力，隧道外部又受水压力、土压力，属多维多向复杂受力情况。沉管隧道接头关键构件有钢结构、钢筋混凝土结构、橡胶结构，截面构件形状各异，构造复杂，接头抗弯性能和竖向剪切键的抗剪能力决定隧道能否安全运营。以往沉管隧道接头按铰接计算或有限元算法分析针对性和实用性不强，极易造成工程浪费或质量事故。

本发明综合沉管隧道接头刚度、管体刚度和轴向压力关系，提出了接头平面内抗弯刚度、竖向抗剪刚度的计算公式和关键构件是否安全的辨别方法，对精确指导沉管隧道接头设计，确保隧道的运营安全有着重要的意义。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本方法进行详细说明：

1.接头平面内抗弯刚度计算方法如下：

(1)由沉管管段本体的结构尺寸、材料性质和材料力学算法计算出管段本体横断面刚度EI；

(2)按照下式计算接头抗弯刚度，

Sw＝(1/k_w)EI

式中：

S_w—接头抗弯刚度；

E—管段混凝土弹性模量(MPa)；

I—管段本体横断面惯性量(m⁴)；

k_w—接头抗弯刚度随轴向压力变化的特征函数；

其中，接头抗弯刚度随轴向压力变化的特征函数kw按下式计算：

k_w＝b₁x+c₁

式中：

b₁—接头抗弯刚度随轴向压力变化特征值，参照表1取；

x—轴向压力变化范围，管段对接后轴向压力一般大于4000kN；

c₁—轴向压力区间范围内特征常数；

表1接头抗弯刚度随轴向压力变化特征值参数取值表

表1中的数据依照中国专利“一种沉管隧道管段接头试件抗剪结构多维受力检测方法”(专利号：CN110067270A)公开的方法进行的超大比例尺沉管接头模拟试验得出的数据。

(3)根据隧道受力情况，计算接头实际弯矩M。

(4)当接头曲率

时，接头平面内弯曲变形满足要求。

按照上述方法的具体计算示例如下：

管段沉放对接后，横截面中心处水压强40kPa，管段横截面积250m²，则轴向压力值x＝40×250＝10000kN。

当x＝10000kN时，根据表1查询平面抗弯刚度随轴向压力变化特征值b₁＝-0.0106和轴向压力区间范围内的特征常数c₁＝204，则按照k_w＝b₁x+c₁＝-0.0106×10000+204＝98，即：在轴向压力为10000KN的情况下，管段接头抗弯刚度S_w和本体抗弯刚EI度关系为：S_w＝(1/k_w)EI＝(1/98)EI＝0.0102EI

其中，沉管管段本体为规则箱体结构，可由结构尺寸、材料性质和材料力学算法计算出管段本体横截面刚度EI，再根据隧道纵向受力情况，计算出沉管管段接头实际弯矩M，EI、M为可依据本领域现有技术中的计算方法直接得出的计算量，在此不做赘述。

计算接头曲率

当接头曲率

时，接头平面内弯曲变形满足要求。从而解决了以往因管段接头抗弯刚度难以确定而导致曲率无法计算，不能判断变形是否满足要求的难题。

2.接头竖向抗剪刚度计算方法如下：

(1)由沉管管段本体的结构尺寸、材料性质和材料力学算法计算出管段本体抗剪刚度GA；(2)按照下式计算接头竖向抗剪刚度：

S_HV＝(1/k_HV)/GA

式中：

S_HV——接头竖向抗剪刚度；

G——管段混凝土剪变模量(MPa)，取G＝0.4E；

A——管段横断面混凝土面积(m⁴)；

k_HV——接头竖向抗剪刚度随轴向压力变化的特征函数；

其中，接头竖向抗剪刚度随轴向压力变化的特征函数k_HV按下式计算：

k_HV＝b₂x+c₂

式中：

b₂——接头竖向抗剪刚度随轴向压力变化特征值，参照表2取；

x——轴向压力变化范围，管段对接后轴向压力一般大于4000kN；

c₂—轴向压力区间范围内特征常数

表2接头竖向抗剪刚度随轴向压力变化特征值参数取值表

表2中的数据依照中国专利“一种沉管隧道管段接头试件抗剪结构多维受力检测方法”(专利号：CN110067270A)公开的方法进行的超大比例尺沉管接头模拟试验得出的数据。

(3)假设沉管接头允许剪切变形量为h，则变形剪切力Fv＝h×S_HV；

(4)假设接头设置n个竖向剪切件，若每个竖向剪切件平均抗剪力Fv/n＜V/Y则判断为沉管接头竖向抗剪能力满足要求，其中γ为荷载分项系数，V为两个相连的沉管管段之间外部实际荷载的差值。

按照上述方法的具体计算示例如下：

同样以轴向压力值x＝10000kN为例，根据表2查询接头竖向抗剪刚度随轴向压力变化特征值b₂＝-0.165，轴向压力区间范围内的特征常数c₂＝3061，则按照k_HV＝b₂x+c₂＝-0.165×10000+3061＝1411。即，在轴向压力为10000kN的情况下，管段接头竖向剪切刚度S_HV和沉管管段本体抗剪刚度GA度关系为：S_HV＝(1/k_HV)/GA＝(1/1411)GA。

其中，沉管管段本体为规则箱体结构，可由结构尺寸、材料性质和材料力学算法计算出管段本体横截面刚度GA。

由于沉管隧道竖向抗剪能力主要由竖向剪切键承担，假设沉管管段接头允许剪切变形量为h，则变形剪切力F_v＝h×S_HV＝h×(1/1411)GA，其中沉管管段接头允许剪切变形量为h为已知量。

假设接头设置n个竖向剪切键，若每个竖向剪切键平均抗剪力Fv/n＜V/Y，则判断沉管接头竖向抗剪能力满足要求。

其中V为两个相连的沉管管段之间外部实际荷载的差值，γ为荷载分项系数(取自建筑结构荷载规范GB50009)，均可由本领域现有技术中的计算方法计算得出或查取，在此不做赘述。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种沉管隧道接头关键设计参数的快速计算方法，其特征在于，包括沉管管段接头平面内抗弯刚度的计算方法和接头竖向剪切键平均抗剪力的计算方法。

2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述接头平面内抗弯刚度的计算方法，包括以下步骤：

根据管段本体刚度和平面内抗弯接头刚度在不同轴力范围的特征函数关系，计算出接头平面内抗弯刚度Sw；

按照下式计算得出，S_w＝(1/k_w)/EI，其中，E是管段混凝土弹性模量，I是管段本体横断面惯性量，k_w是接头抗弯刚度随轴向压力变化的特征函数。

3.根据权利要求2所述的计算方法，其特征在于，所述接头抗弯刚度随轴向压力变化的特征函数按下式计算，k_w＝b₁x+c₁，其中，b₁是接头抗弯刚度随轴向压力变化特征值，c₁是轴向压力区间范围内的特征常数。

4.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述接头竖向剪切键平均抗剪力的计算方案，包括以下步骤：

根据管段本体刚度和接头竖向抗剪刚度在不同轴力范围的特征函数关系，计算出接头竖向抗剪刚度S_HV；

按照下式计算得出，S_HV＝(1/k_HV)/GA，其中G是管段混凝土剪变模量，A是管段横断面混凝土面积，k_HV是接头竖向抗剪刚度随轴向压力变化的特征函数。

5.根据权利要求4所述的计算方法，其特征在于，所述接头竖向抗剪刚度随轴向压力变化的特征函数k_HV按下式计算，k_HV＝b₂x+c₂，其中，b₂是接头竖向抗剪刚度随轴向压力变化特征值，c₂是轴向压力区间范围内特征常数。

6.根据权利要求3或5中所述的计算方法，其特征在于，所述x为根据隧道断面大小和隧道纵断面设计埋深情况，计算水沿隧道纵向在隧道横断产生的压力值。