CN117454485A - 一种计算盾构隧道横向接头抗弯承载力的方法 - Google Patents

一种计算盾构隧道横向接头抗弯承载力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种计算盾构隧道横向接头抗弯承载力的方法，包括确定衬砌接头处截面的受力状态；计算截面核心受压区高度；计算衬砌截面的临界转角和极限转角，并以此为基础计算衬砌的损伤指标；计算接头处截面弯矩，并基于弯矩随转角的变化曲线确定临界抗弯能力和极限抗弯能力。本发明基于力学原理，充分考虑了轴力水平、材料属性、几何参数和衬砌损伤等对接头处抗弯承载力的影响，本发明可填补现有技术手段不能快速、准确给出考虑材料塑性力学行为的盾构隧道接头处抗弯承载力这一空白，可适用于盾构隧道在设计阶段计算衬砌接头处的抗弯承载力。

Description

一种计算盾构隧道横向接头抗弯承载力的方法
技术领域
本发明涉及盾构隧道的结构设计领域，尤其涉及一种计算盾构隧道横向接头抗弯承载力的方法。
背景技术
隧道结构已成为当今社会的重要交通基础设施，在人员和物资运输中扮演者重要角色。由于具备自动化作业、掘进速度快、施工劳动强度低、施工噪音和扰动小等优点，在场地条件允许的情况下盾构施工方法通常为首选方案。盾构隧道衬砌通常由若干个管片通过螺栓连接组成。区别于钻爆法施工等均质的隧道衬砌，对于盾构隧道衬砌其承载能力主要由接头处(或称之为接缝处或管片连接处)的承载能力控制。盾构隧道接头处的承载力不仅受截面尺寸、混凝土强度和螺栓等级的影响，还受轴力环境、缝隙宽度和密封橡胶高度等因素的影响，同时其受力模式随接缝处转角的变化而变化。传统的基于结构设计学原理的用于计算地上结构混凝土构件承载能力的方法已不适用于隧道隧道衬砌接缝处承载能力的计算。
根据位置的不同，盾构隧道接头可以分为纵向接头和横向接头。通常情况下隧道的受力均可以简化为平面应变问题，因此在工程中更多关注盾构隧道横向接头的承载力。由于缺乏科学、准确和简便的解析方法，对于隧道横向接头的承载力大都采用工程经验估算，或者采用数值模拟和模型试验的方法进行精细计算。工程经验估算通常误差较大，并不便于最终设计方案的确定，只能作为初步方案的参考，而数值模拟和模型试验通常较为复杂，并不便于工程设计人员使用。
为提供一种简便、科学且准确的计算盾构隧道接头处抗弯承载力的技术方法，本发明基于力学原理将盾构隧道接头处的受力状态进行了细分，通过逐步增大接头处转角的方式判别与每一个转角相对应的轴力状态，基于力学原理计算各项力学指标参数，且通过损伤指标考虑转角由小到达变化过程中衬砌的损伤程度，通过截面弯矩与转角之间的变化曲线确定接头处的临界抗弯能力和极限抗弯能力。
发明内容
本发明的目的是为了便于工程技术人员准确、快速计算盾构隧道衬砌横向接头处的承载能力，而提出的一种计算盾构隧道横向接头抗弯承载力的方法。为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
根据设计资料或工程实况，确定盾构隧道接头处两侧衬砌长度lc，衬砌厚度htot，衬砌缝隙深度t1，衬砌缝隙宽度ω，密封垫厚度t2，衬砌边缘混凝土厚度t＝t1+t2，接头处核心区混凝土厚度heff＝htot－2t；螺栓中心至核心区混凝土上边缘距离螺栓中心线至核心区混凝土下边缘距离/>螺栓截面面积As，螺栓预拉应力σsp，螺栓屈服强度fs，螺栓弹性模量Es，混凝土受压屈服强度fc和混凝土弹性模量Ec；
根据设计工作环境确定衬砌横向截面内的轴力水平N；
假定接头两侧衬砌之间的转角为θ，赋予θ一个较小的初始值(<0.0001)，然后逐步增大θ的值，在每一步均确定衬砌的受力状态。在本发明中，衬砌的受力状态分为3个大类Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，第Ⅰ类情况为螺栓处混凝土受压第Ⅱ类情况为螺栓处混凝土受拉且接头缝隙未闭合/>第Ⅲ类情况为接头缝隙闭合/>其中第一类情况可分为2个子类别Ⅰ1和Ⅰ2，Ⅰ1类为核心区混凝土未屈服σc<fc且螺栓未屈服σs<fy，Ⅰ2类为σc＝fc且σs<fy；第二类情况可分为4个子类别Ⅱ1至Ⅱ4，Ⅱ1类为σc<fc且σs<fy，Ⅱ2类为σc<fc且σs＝fy，Ⅱ3类为σc＝fc且σs<fy，Ⅱ4类为σc＝fc且σs＝fy；第三类情况可分为8个子类别Ⅲ1至Ⅲ8，Ⅲ1类为σout<fc、σc<fc且σs<fy，Ⅲ2类为σout＝fc、σc<fc且σs<fy，Ⅲ3类为σout<fc、σc<fc且σs＝fy；Ⅲ4类为σout＝fc、σc<fc且σs＝fy；Ⅲ5类为σout<fc、σc＝fc且σs<fy；Ⅲ6类为σout＝fc、σc＝fc且σs<fy；Ⅲ7类为σout<fc、σc＝fc且σs＝fy；Ⅲ8类为σout＝fc、σc＝fc且σs＝fy。图2给出了三大类14小类盾构隧道接头处受力状态的力学简图。
在各自的受力状态下计算与θ相对应的接头处核心区混凝土受压高度x。受压区高度x由静力平衡方程计算得到，静力平衡方程为核心区混凝土变形、外缘混凝土变形和螺栓变形所产生的轴力与S2中轴力水平N之间的平衡。三大类14小类受力状态下的静力平衡方程分别见公式(1)至公式(14)；
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以x为主要参数，根据变形协调和静力平衡逐步计算核心区外缘混凝土应力σc(用于σc<fc时的情况)，衬砌外缘混凝土应力σout(用于第Ⅲ类情况)，螺栓应力σs(用于σs<fy的情况)和核心区混凝土屈服高度hc(用于σc＝fc时的情况)，具体公式如下：
分别采用公式(19)、(20)和(21)计算极限转角θu，临界转角θcr和衬砌的损伤参数D。
考虑损伤后的混凝土弹性模量由公式(22)计算得到，并建议α＝0.05。
Ec,damage＝(1-D)αEc； 公式(22)
根据相应的受力状态计算衬砌截面弯矩M，三大类14小类受力状态下M的计算公式分别见公式(23)至公式(36)。
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持续增大转角θ，计算与每一个θ对应的截面弯矩M，绘制M随θ的变化曲线，通过M—θ曲线确定接头处的临界抗弯承载力Mcr和极限抗弯承载力Mu。临界抗弯承载力Mcr为M—θ曲线中第一个平缓阶段与第二次抬升段转折点处的取值，极限抗弯承载力Mu为M—θ曲线中的最大值。
附图说明
图1为本发明力学简图；
图2为三大类14小类盾构隧道接头处力学计算简图；
图3为同济大学开展的某隧道衬砌试验图；
图4为采用本发明方法计算得到的M—θ曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
同济大学开展了某盾构隧道衬砌接头处抗弯承载力的原形试验。为验证本发明方法的有效性，以该试验盾构隧道接头参数为例阐述本发明方法的具体实施方式，并将结果与试验结果进行对比。
根据工程实况，确定盾构隧道接头处两侧衬砌长度lc＝1.35m，衬砌厚度htot＝0.35m，衬砌缝隙深度t1＝0.037m，衬砌缝隙宽度ω＝0.004m，密封垫厚度t2＝0.043m，衬砌边缘混凝土厚度t＝t1+t2＝0.08m，接头处核心区混凝土厚度heff＝htot－2t＝0.19m；螺栓中心至核心区混凝土上边缘距离螺栓中心线至核心区混凝土下边缘距离螺栓截面面积As＝0.0014m2，螺栓预拉应力σsp＝0，螺栓屈服强度fs＝480MPa，螺栓弹性模量Es＝210000MPa，混凝土受压屈服强度fc＝43.3MPa，混凝土弹性模量Ec＝30000MPa；
根据设计工作环境确定衬砌横向截面内的轴力水平N，按照该试验工况N＝500kN；
假定接头两侧衬砌之间的转角为θ，赋予θ一个较小的初始值，在实施中选取初始值为0.01，然后逐步增大θ的值，在每一步均确定衬砌的受力状态。在本发明中，衬砌的受力状态分为3个大类Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，第Ⅰ类情况为螺栓处混凝土受压第Ⅱ类情况为螺栓处混凝土受拉且接头缝隙未闭合/>第Ⅲ类情况为接头缝隙闭合其中第一类情况可分为2个子类别Ⅰ1和Ⅰ2，Ⅰ1类为核心区混凝土未屈服σc<fc且螺栓未屈服σs<fy，Ⅰ2类为σc＝fc且σs<fy；第二类情况可分为4个子类别Ⅱ1至Ⅱ4，Ⅱ1类为σc<fc且σs<fy，Ⅱ2类为σc<fc且σs＝fy，Ⅱ3类为σc＝fc且σs<fy，Ⅱ4类为σc＝fc且σs＝fy；第三类情况可分为8个子类别Ⅲ1至Ⅲ8，Ⅲ1类为σout<fc、σc<fc且σs<fy，Ⅲ2类为σout＝fc、σc<fc且σs<fy，Ⅲ3类为σout<fc、σc<fc且σs＝fy；Ⅲ4类为σout＝fc、σc<fc且σs＝fy；Ⅲ5类为σout<fc、σc＝fc且σs<fy；Ⅲ6类为σout＝fc、σc＝fc且σs<fy；Ⅲ7类为σout<fc、σc＝fc且σs＝fy；Ⅲ8类为σout＝fc、σc＝fc且σs＝fy。图2给出了三大类14小类受力状态的力学简图。
在各自的受力状态下计算与θ相对应的接头处核心区混凝土受压高度x。受压区高度x由静力平衡方程计算得到，静力平衡方程为核心区混凝土变形、外缘混凝土变形和螺栓变形所产生的轴力与S2中轴力水平N之间的平衡。三大类14小类受力状态下的静力平衡方程分别见公式(1)至公式(14)。
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以x为主要参数，根据变形协调和静力平衡逐步计算核心区外缘混凝土应力σc(用于σc<fc时的情况)，衬砌外缘混凝土应力σout(用于第Ⅲ类情况)，螺栓应力σs(用于σs<fy的情况)和核心区混凝土屈服高度hc(用于σc＝fc时的情况)，具体公式如下：
分别采用公式(19)、(20)和(21)计算极限转角θu，临界转角θcr和衬砌的损伤参数D。
考虑损伤后的混凝土弹性模量由公式(22)计算得到，并建议α＝0.05。
Ec,damage＝(1-D)αEc； 公式(22)
[7]根据相应的受力状态计算衬砌截面弯矩M，三大类14小类受力状态下M的计算公式分别见公式(23)至公式(36)。
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持续增大转角θ，计算与每一个θ对应的截面弯矩M，绘制M随θ的变化曲线，通过M—θ曲线确定接头处的临界抗弯承载力Mcr和极限抗弯承载力Mu。临界抗弯承载力Mcr为M—θ曲线中第一个平缓阶段与第二次抬升段转折点处的取值，极限抗弯承载力Mu为M—θ曲线中的最大值。本案例的计算结果可参见图4。
本案例的临界抗弯能力值为143.1kN·m，同济大学得到的实验值为148kN·m，两者之间的误差约为3％，由此可见本专利方法的计算精度可满足工程实践的需要。由于在实验中难以通过加载获得较大截面转角，因此采用实验方法并不容易获取极限抗弯承载力，但本专利方法给出了极限抗弯承载力，这是本专利方法的主要优势之一。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种计算盾构隧道横向接头抗弯承载力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据设计资料或工程实况，确定盾构隧道接头处两侧衬砌长度lc，衬砌厚度htot，衬砌缝隙深度t1，衬砌缝隙宽度ω，密封垫厚度t2，衬砌边缘混凝土厚度t＝t1+t2，接头处核心区混凝土厚度heff＝htot－2t；螺栓中心至核心区混凝土上边缘距离螺栓中心线至核心区混凝土下边缘距离/>螺栓截面面积As，螺栓预拉应力σsp，螺栓屈服强度fs，螺栓弹性模量Es，混凝土受压屈服强度fc和混凝土弹性模量Ec；
S2、根据设计工作环境确定衬砌横向截面内的轴力水平N；
S3、假定接头两侧衬砌之间的转角为θ，赋予θ一个较小的初始值，然后逐步增大θ的值，在每一步均确定衬砌的受力状态，在各自的受力状态下计算与θ相对应的接头处核心区混凝土受压高度x，并以x为主要参数计算核心区外缘混凝土应力σc，衬砌外缘混凝土应力σout，螺栓应力σs，极限转角θu，临界转角θcr，衬砌损伤参数D，核心区混凝土屈服高度hc和截面弯矩M；
S4、持续增大转角θ，计算与每一个θ对应的截面弯矩M，绘制M随θ的变化曲线，通过M—θ曲线确定接头处的临界抗弯承载力Mcr和极限抗弯承载力Mu。
2.根据权利要求1所述的计算盾构隧道横向接头抗弯承载力的方法，其特征在于，S3中衬砌的受力状态分为3个大类Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，第Ⅰ类情况为螺栓处混凝土受压第Ⅱ类情况为螺栓处混凝土受拉且接头缝隙未闭合/>第Ⅲ类情况为接头缝隙闭合/>其中第一类情况可分为2个子类别Ⅰ1和Ⅰ2，Ⅰ1类为核心区混凝土未屈服σc<fc且螺栓未屈服σs<fy，Ⅰ2类为σc＝fc且σs<fy；第二类情况可分为4个子类别Ⅱ1至Ⅱ4，Ⅱ1类为σc<fc且σs<fy，Ⅱ2类为σc<fc且σs＝fy，Ⅱ3类为σc＝fc且σs<fy，Ⅱ4类为σc＝fc且σs＝fy；第三类情况可分为8个子类别Ⅲ1至Ⅲ8，Ⅲ1类为σout<fc、σc<fc且σs<fy，Ⅲ2类为σout＝fc、σc<fc且σs<fy，Ⅲ3类为σout<fc、σc<fc且σs＝fy；Ⅲ4类为σout＝fc、σc<fc且σs＝fy；Ⅲ5类为σout<fc、σc＝fc且σs<fy；Ⅲ6类为σout＝fc、σc＝fc且σs<fy；Ⅲ7类为σout<fc、σc＝fc且σs＝fy；Ⅲ8类为σout＝fc、σc＝fc且σs＝fy。
3.根据权利要求1所述的计算盾构隧道横向接头抗弯承载力的方法，其特征在于，S3中接头处衬砌受压区高度x由静力平衡方程计算得到，静力平衡方程为核心区混凝土变形、外缘混凝土变形和螺栓变形所产生的轴力与S2中轴力水平N之间的平衡。根据所求x值，可根据变形协调和静力平衡逐步计算核心区外缘混凝土应力σc(用于σc<fc时的情况)，衬砌外缘混凝土应力σout(用于第Ⅲ类情况)，螺栓应力σs(用于σs<fy的情况)和核心区混凝土屈服高度hc(用于σc＝fc时的情况)。三大类14小类受力状态下的静力平衡方程分别见公式(1)至公式(14)；
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4.根据权利要求1所述的计算盾构隧道横向接头抗弯承载力的方法，其特征在于，S4中临界抗弯承载力Mcr为M—θ曲线中第一个平缓阶段与第二次抬升段转折点处的取值，极限抗弯承载力Mu为M—θ曲线中的最大值。
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