基于三維接觸有限元分析的管片等效抗彎剛度和錯臺研究

冉春江， 付 強， 楊海天

(大連理工大學 工程力學系，工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室，大連 116024)

1 引 言

盾構法是目前穿越江海大型隧道建設的主要施工方法[1]。作為盾構隧道的主要承力結構，管片襯砌的力學行為直接影響著整個隧道的安全與使用[2]。管片接頭部分是盾構管片襯砌環(huán)的薄弱部位，其受力/變形狀態(tài)是設計中必須計及的重要因素之一[3]，其相關研究一直受工程界和學者們關注[4-9]。

越江海隧道防水設計尤為重要，防水失效可引起隧道滲漏和隧道不均勻沉降，影響到隧道結構的安全及運營。大量工程實踐表明[10]，盾構隧道的滲漏主要發(fā)生在管片接縫處，而接頭張開與錯臺[11]是導致接縫防水性能下降的重要因素[12]。相關研究表明[11,13]，當接頭張開量大于6 mm，或者接頭錯臺量大于8 mm時，接頭抗?jié)B性能會受到較大影響。此外，管片錯臺可導致錯臺處內力顯著增加，李宇杰等[11]對已有10 mm縱縫錯臺管片進行三維有限元分析，得到管片錯臺軸力最大增加幅度為281%，彎矩最大增加幅度為275%。

本文從兩方面對接頭張開與錯臺開展研究。

(1) 管片結構計算中常采用梁-彈簧模型，其在接頭處以旋轉彈簧模型來等效接頭對管片抗彎剛度的削弱作用[4]，但彈簧等效抗彎剛度的取值一般很難確定[14]，不僅與管片和接頭處螺栓以及襯墊部件的幾何尺寸、材料性質、接頭的構造形式和螺栓預緊力等因素有關，還與接頭處的內力存在非線性關系[4,5,15-17]。這些因素不僅增加了相關實驗研究的經(jīng)濟與時間成本，也使得目前各種接頭剛度的理論分析模型和經(jīng)驗公式都難免有一定的局限性[1]。……