明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)整體作用效應(yīng)計(jì)算分析方法

楊秀仁， 黃美群

(1. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 北京 100037； 2. 城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國(guó)家工程研究中心， 北京 100037)

0 引言

盾構(gòu)隧道是目前國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛的預(yù)制裝配式地下結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)法隧道施工通過(guò)盾構(gòu)鋼殼保持土體開挖面穩(wěn)定的同時(shí)，在其尾部拼裝預(yù)制管片，形成襯砌結(jié)構(gòu)。當(dāng)管片拼裝完成、盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)時(shí)，由于盾尾間隙、鋼殼厚度及超挖等因素，襯砌外壁與土層之間將形成一定寬度的空隙。因此，在盾構(gòu)掘進(jìn)的同時(shí)，需要對(duì)壁后進(jìn)行同步注漿，及時(shí)填充空隙，以控制隧道周邊土體的變形，同時(shí)也使周圍的水土壓力均勻作用在襯砌結(jié)構(gòu)上，隧道結(jié)構(gòu)得以穩(wěn)定。

早期的盾構(gòu)隧道以圓形結(jié)構(gòu)為主，后期發(fā)展出現(xiàn)了橢圓形、矩形、類矩形、雙連拱甚至三連拱等多種型式的結(jié)構(gòu)。圖1示出上海軌道交通8號(hào)線雙圓盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)斷面[1]。盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的環(huán)內(nèi)接頭和環(huán)間接頭基本為變剛度接頭。進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)的整體作用效應(yīng)計(jì)算分析時(shí)，首先對(duì)管片及接頭剛度進(jìn)行模型化處理，并計(jì)及隧道作用荷載及隧道與地層之間的支承約束作用，主要方法有勻質(zhì)圓環(huán)法、修正慣用法、彈性鉸法和梁-彈簧法等[2]。

圖1 上海軌道交通8號(hào)線雙圓盾構(gòu)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)斷面(單位： mm)

1)勻質(zhì)圓環(huán)模型法是在襯砌環(huán)剛度均一的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。這一計(jì)算方法早期應(yīng)用較多，但因?yàn)楹雎越宇^的存在，假定襯砌環(huán)剛度均一，與結(jié)構(gòu)實(shí)際情況不符，因此目前較少采用[3]。

2)修正慣用法同樣是在襯砌環(huán)剛度均一的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，對(duì)由于接頭帶來(lái)的襯砌環(huán)剛度降低以及錯(cuò)縫拼裝所產(chǎn)生的拼接效應(yīng)進(jìn)行修正[4]。但其無(wú)法明確給出非圓形斷面結(jié)構(gòu)的慣用修正系數(shù)，因此對(duì)于明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)的矩形和拱形斷面不適用。

3)彈性鉸模型法是將管片接頭等效為可以承擔(dān)彎矩的彈性鉸，彈性鉸剛度由數(shù)值模擬結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定，或采用試驗(yàn)確定；梁-彈簧模型法將環(huán)內(nèi)接頭采用回轉(zhuǎn)彈簧模擬，環(huán)間接頭采用剪切彈簧模擬，彈簧剛度由試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)確定[2]。這2種計(jì)算方法能夠定義接頭的剛度參數(shù)，明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算分析可參考使用。

然而，明挖施工條件下的裝配式隧道結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)型式和施工工藝等方面與盾構(gòu)隧道存在較大差異[5]，分析工況遠(yuǎn)比盾構(gòu)隧道要復(fù)雜，而且以往的文獻(xiàn)中也未見有關(guān)于這種類型結(jié)構(gòu)整體作用效應(yīng)分析方法的報(bào)道。本文結(jié)合城市軌道交通等市政工程明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，從荷載作用及工況、各影響因素計(jì)算分析要點(diǎn)、計(jì)算分析模型、接頭剛度和計(jì)算分析方法等方面系統(tǒng)性論述明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)整體作用效應(yīng)計(jì)算分析方法，供業(yè)內(nèi)同行參考。

1 明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)是在地面開挖形成的基坑內(nèi)，通過(guò)吊裝和專用設(shè)備將預(yù)制構(gòu)件一塊一塊地自下往上有序拼裝，形成由底板、側(cè)墻、樓板、頂板等構(gòu)件組成的隧道結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)拼裝完成后，再進(jìn)行基坑側(cè)向肥槽回填和結(jié)構(gòu)頂部覆土回填。

由于明挖條件下拼裝工藝的靈活性，可建造的裝配式隧道結(jié)構(gòu)型式更加豐富多樣。結(jié)合建筑功能需求，并考慮工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、環(huán)境情況、結(jié)構(gòu)埋深、結(jié)構(gòu)受力等因素，明挖裝配式結(jié)構(gòu)型式可采用矩形或拱形；根據(jù)結(jié)構(gòu)橫斷面型式和尺度大小，以及預(yù)制構(gòu)件的制作工藝、運(yùn)輸條件和拼裝要求等，隧道結(jié)構(gòu)的環(huán)向可采用整環(huán)管節(jié)式或分塊拼裝式，而縱向則采用環(huán)與環(huán)的拼裝方式連接，這樣便形成了單層或多層、單跨或多跨相組合的各種類型的預(yù)制裝配式隧道結(jié)構(gòu)。考慮到拼裝時(shí)結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性，明挖條件下的裝配式地下結(jié)構(gòu)一般不宜采用圓形或橢圓形等盾構(gòu)結(jié)構(gòu)常采用的結(jié)構(gòu)型式。

顯然，與常規(guī)盾構(gòu)隧道相對(duì)單一的結(jié)構(gòu)型式相比，明挖裝配式結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，且建造過(guò)程中結(jié)構(gòu)體系在不斷變化，并影響結(jié)構(gòu)體系的受力、變形和穩(wěn)定性。影響的因素較多，主要包括： 1)接頭-結(jié)構(gòu)的相互作用、地層-結(jié)構(gòu)的相互作用、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)-裝配式結(jié)構(gòu)的相互作用等； 2)施工期間結(jié)構(gòu)體系的不斷變化，以及回填、水土壓力等荷載作用的不斷變化； 3)使用期間荷載作用的變化，如內(nèi)部使用荷載、地震作用、人防荷載作用等。這些影響因素的存在，使得明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為比盾構(gòu)隧道要復(fù)雜很多，因此，考慮多因素影響下的結(jié)構(gòu)整體作用效應(yīng)計(jì)算分析顯得極為重要。

2 荷載作用及工況

按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[6]和GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]，城市軌道交通裝配式地下結(jié)構(gòu)的荷載可分為永久荷載、可變荷載及偶然荷載3類，其中偶然荷載包括地震荷載和人防荷載。對(duì)于承載能力極限狀態(tài)，荷載組合應(yīng)分為基本組合、地震偶然組合和人防偶然組合3種形式；對(duì)于正常使用極限狀態(tài)，荷載組合應(yīng)分為標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合和準(zhǔn)永久組合3種形式。

除了規(guī)范規(guī)定的荷載作用外，確定荷載作用時(shí)還應(yīng)與裝配式結(jié)構(gòu)實(shí)際施工工況、作用荷載特性相對(duì)應(yīng)，兼顧施工過(guò)程中和使用階段可能出現(xiàn)的荷載變異性，并對(duì)拼裝階段和使用期間的所有工況逐一開展荷載作用效應(yīng)分析，確定最不利的作用組合用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。分析工況應(yīng)滿足以下要求：

1)拼裝階段。應(yīng)計(jì)入基坑開挖、結(jié)構(gòu)拼裝、側(cè)向肥槽回填、頂部覆土回填及地下水恢復(fù)等各施工環(huán)節(jié)的工況作用。當(dāng)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁(墻)-內(nèi)支撐體系時(shí)，還應(yīng)計(jì)入倒換內(nèi)支撐所帶來(lái)的荷載作用變化影響。

2)使用期間。應(yīng)考慮長(zhǎng)期使用過(guò)程中各種荷載的變化分別進(jìn)行荷載效應(yīng)計(jì)算，并考慮拼裝階段工況的繼承性。使用期間荷載作用變化應(yīng)包括內(nèi)部荷載作用變化，主要有人群荷載、設(shè)備荷載、建筑裝修荷載等；近遠(yuǎn)期水土壓力作用變化；鄰近周邊環(huán)境變化；地震荷載和人防荷載等。當(dāng)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁(墻)-錨桿體系或噴錨支護(hù)時(shí)，應(yīng)在使用期間計(jì)入錨桿不同程度失效所帶來(lái)的荷載作用變化。

3 主要影響因素計(jì)算分析要點(diǎn)

3.1 接頭剛度的影響分析

裝配式結(jié)構(gòu)連接接頭剛度即接頭抗彎剛度或轉(zhuǎn)動(dòng)剛度(Kθ)，是指接頭發(fā)生單位轉(zhuǎn)角的作用彎矩，反映接頭抵抗彎矩作用的能力，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

3.1.1 鉸接接頭

鉸接接頭視為零剛度接頭，容許接頭自由轉(zhuǎn)動(dòng)，不具有抗彎能力；當(dāng)為點(diǎn)接觸時(shí)，也不具有抗剪能力。日本盾構(gòu)隧道采用過(guò)的球形支座式接頭是較為典型的鉸接接頭[2]，但應(yīng)用較少。

一般情況下，明挖裝配式結(jié)構(gòu)的襯砌結(jié)構(gòu)不宜采用鉸接接頭，但裝配式內(nèi)部結(jié)構(gòu)可采用鉸接接頭，例如內(nèi)部樓板與襯砌側(cè)墻的連接、板與梁之間的連接、梁與柱之間的連接等。鉸接接頭結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)單、明確，本文不作為重點(diǎn)論述。

3.1.2 剛性接頭

剛性接頭是可以被視為與連接構(gòu)件具有同等剛度的接頭，可抵抗彎矩、剪力和軸力作用。國(guó)內(nèi)外地面裝配式結(jié)構(gòu)，通過(guò)鋼筋連接并二次澆筑混凝土所形成的混凝土連續(xù)接頭就是典型的剛性接頭。無(wú)論是地面結(jié)構(gòu)還是地下結(jié)構(gòu)，當(dāng)裝配式結(jié)構(gòu)采用剛性連接接頭時(shí)，在各種設(shè)計(jì)狀況下，可采用與現(xiàn)澆混凝土連續(xù)構(gòu)件相同的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體作用分析[8]，本文也不作為重點(diǎn)論述。

3.1.3 變剛度接頭

變剛度接頭屬于柔性接頭，其接頭剛度在結(jié)構(gòu)體系形成和承載過(guò)程中隨軸力和彎矩大小的變化而變化[9-15]，不同構(gòu)造特點(diǎn)的接頭其剛度特性有所不同，即便是同一種接頭，放在結(jié)構(gòu)不同的位置，也會(huì)呈現(xiàn)不同的接頭剛度。變剛度接頭的存在，使結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為比常規(guī)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，尤其是裝配式結(jié)構(gòu)在建造過(guò)程中其結(jié)構(gòu)體系隨裝配的進(jìn)度不斷變化，所承受的荷載不斷變化，更增加了結(jié)構(gòu)分析的復(fù)雜程度，需要考慮裝配施工過(guò)程、正常使用階段以及偶然荷載作用時(shí)的各種工況，并對(duì)每個(gè)工況及其受力環(huán)境下的接頭剛度進(jìn)行多次迭代[16]，取得穩(wěn)定和配套的接頭剛度和內(nèi)力，由此確定整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)行為。

3.2 地層約束的影響分析

位于地層中的地下結(jié)構(gòu)，在承受水土壓力作用的同時(shí)也受到地層的約束作用，地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮地層抗力對(duì)結(jié)構(gòu)的支撐作用，整體作用分析需要充分體現(xiàn)地層抗力作用與結(jié)構(gòu)變形之間的互動(dòng)關(guān)系。對(duì)于明挖條件下建造的裝配式隧道結(jié)構(gòu)，可通過(guò)設(shè)置受壓地層彈簧，形成彈性地基上的結(jié)構(gòu)模擬地層約束的影響。

地基彈簧仍基于局部變形理論和溫克爾假定，底板結(jié)構(gòu)下設(shè)置豎向受壓約束彈簧；側(cè)向結(jié)構(gòu)包括基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和襯砌結(jié)構(gòu)，設(shè)置水平受壓約束彈簧；當(dāng)模擬土拱效應(yīng)時(shí)，一般采用全周地基彈簧模型，在拱頂位置施加僅受壓地基彈簧。彈簧剛度按所在土層垂直和水平基床系數(shù)確定。

3.3 基坑支護(hù)體系的影響分析

明挖裝配式結(jié)構(gòu)可選擇的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)型式靈活多樣，一般情況下，放坡、土釘墻等基坑支護(hù)型式適用于整環(huán)管節(jié)式或型式簡(jiǎn)單、拼裝過(guò)程中體系自身具有較好穩(wěn)定性的裝配式結(jié)構(gòu)；而土層和巖層的直立式樁墻支護(hù)、噴錨支護(hù)、鋼管樁支護(hù)及吊腳樁組合支護(hù)等型式，對(duì)于裝配式結(jié)構(gòu)的適用性更強(qiáng)，無(wú)論其采用錨桿(索)或內(nèi)支撐體系，均可適用于整環(huán)管節(jié)式或環(huán)內(nèi)分塊拼裝式結(jié)構(gòu)。

基坑支護(hù)體系對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響分析，主要考慮以下幾方面的問題：

1)對(duì)于采用放坡開挖和土釘墻支護(hù)下的裝配式結(jié)構(gòu)，可忽略兩者的相互影響，直接通過(guò)地基彈簧考慮地層的約束作用。

2)對(duì)于土層樁(墻)-錨索體系或巖層噴錨等直立邊坡體系，在滿足基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力和穩(wěn)定性要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)結(jié)合側(cè)向肥槽回填情況，考慮兩者之間的相互作用，并在長(zhǎng)期使用期間考慮邊坡錨桿單側(cè)和雙側(cè)失效后對(duì)結(jié)構(gòu)的受力和變形影響。

3)對(duì)于樁(墻)-內(nèi)支撐體系，在滿足基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力和穩(wěn)定性要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)結(jié)合施工期間內(nèi)支撐架設(shè)、拆除和倒換等要求，以及側(cè)向肥槽回填情況，考慮兩者之間的相互作用。

4)施工期間當(dāng)內(nèi)支撐拆除后需要設(shè)置換撐時(shí)，位于側(cè)向肥槽內(nèi)的接續(xù)撐應(yīng)設(shè)置于合理的位置，并具有一定的剛度和穩(wěn)定性，確保受力轉(zhuǎn)換的可靠。

3.4 基坑肥槽回填的影響分析

明挖基坑側(cè)向肥槽回填的材料和回填方式對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形將產(chǎn)生一定的影響。因此，應(yīng)根據(jù)裝配式結(jié)構(gòu)型式、回填材料的特性，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)受力和變形狀況的分析，確定肥槽回填的方式和參數(shù)。

對(duì)于整環(huán)管節(jié)式或采用剛性接頭的裝配式結(jié)構(gòu)，基坑側(cè)向肥槽可采用常規(guī)回填材料回填，側(cè)墻高度范圍內(nèi)的回填可1次或分多次完成，回填宜對(duì)稱進(jìn)行。應(yīng)配合回填工況進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析，確保結(jié)構(gòu)受力滿足要求。

對(duì)于采用了變剛度接頭的矩形或拱形結(jié)構(gòu)，推薦采用結(jié)硬性材料回填，并在側(cè)墻高度范圍內(nèi)分層、對(duì)稱回填，分層高度需要根據(jù)側(cè)墻及上部結(jié)構(gòu)和接頭的受力、變形和穩(wěn)定性，通過(guò)計(jì)算確定。當(dāng)基坑肥槽或結(jié)構(gòu)頂覆土作業(yè)不能對(duì)稱進(jìn)行時(shí)，應(yīng)進(jìn)行偏載作用的影響分析。

3.5 拼裝誤差的影響分析

當(dāng)環(huán)內(nèi)采用分塊拼裝式結(jié)構(gòu)，且為拱形斷面時(shí)，應(yīng)在拱腳處設(shè)置具有一定剛度和穩(wěn)定性的水平限位支撐，支撐點(diǎn)的位置應(yīng)合理，支撐的剛度應(yīng)滿足拼裝階段和使用期間的各工況作用下拱頂結(jié)構(gòu)及接頭的受力和變形要求。一般情況下，由于側(cè)墻、拱頂?shù)葮?gòu)件的拼裝，以及水平限位支撐的定位不可避免地存在一定的施工誤差，使得拱部?jī)晒澳_之間的水平凈距難以達(dá)到理論設(shè)計(jì)值，這些施工誤差將對(duì)拱形結(jié)構(gòu)和接頭的內(nèi)力和變形產(chǎn)生一定的影響，并會(huì)繼承至后續(xù)階段。因此，進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析時(shí)應(yīng)計(jì)入拱腳水平允許誤差值的影響。

4 計(jì)算模型

裝配式隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型應(yīng)與實(shí)際工程的結(jié)構(gòu)型式、接頭特性、地層作用、邊界約束條件和材料特性相符合，模型的范圍應(yīng)有利于消除分析規(guī)模對(duì)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的影響，單元?jiǎng)澐謶?yīng)有利于降低結(jié)構(gòu)分析誤差。

4.1 基本要求

根據(jù)明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和施工工藝，結(jié)合拼裝階段和使用期間的實(shí)際荷載作用狀況，并計(jì)入地層抗力的作用影響，裝配式隧道結(jié)構(gòu)的整體作用效應(yīng)可采用有限元荷載-結(jié)構(gòu)模型或地層-結(jié)構(gòu)模型，按彈性地基上帶剛域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。對(duì)于同一單元的隧道結(jié)構(gòu)一般情況下可進(jìn)行二維平面結(jié)構(gòu)分析。但當(dāng)遇到下列情況之一時(shí)，還需要進(jìn)行三維空間結(jié)構(gòu)分析：

1)出入口通道、風(fēng)道等外部連接結(jié)構(gòu)開口區(qū)；

2)樓板開有較大的孔洞區(qū)；

3)裝配式結(jié)構(gòu)鄰近區(qū)域有待開挖的深大基坑、建(構(gòu))筑物或直接承受較大局部荷載和偏載作用；

4)沿縱向地層變化較大，需要分析地震作用縱向影響和地基沉降影響；

5)相鄰裝配式隧道結(jié)構(gòu)單元的過(guò)渡區(qū)。

4.2 二維平面計(jì)算模型

4.2.1 荷載-結(jié)構(gòu)桿系模型

荷載-結(jié)構(gòu)桿系模型是實(shí)際工程中較常應(yīng)用的計(jì)算模型，推薦采用梁-彈簧模型，即結(jié)構(gòu)構(gòu)件按梁?jiǎn)卧M，結(jié)構(gòu)周邊設(shè)置地層抗力彈簧，按僅受壓彈簧考慮。接頭部位通過(guò)設(shè)置法向、切向和轉(zhuǎn)角彈簧模擬接頭的力學(xué)特性。接頭剛度模型示意如圖2所示，其中法向和切向剛度可采用定值，轉(zhuǎn)角彈簧的剛度應(yīng)考慮變剛度特性的影響，由于其剛度值受接頭內(nèi)力環(huán)境的影響，因此，結(jié)構(gòu)分析時(shí)需要通過(guò)不斷迭代取得穩(wěn)定的內(nèi)力-剛度匹配值，具體剛度的計(jì)算可由經(jīng)驗(yàn)方法獲取或經(jīng)試驗(yàn)獲取。典型的樁(墻)+錨索體系下裝配式車站結(jié)構(gòu)荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型示例如圖3所示。

Kn為法向剛度，Ks為剪切剛度，Kθ為轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。

(a) 矩形結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

(b) 拱形結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

4.2.2 地層-結(jié)構(gòu)實(shí)體模型

當(dāng)裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面形式較為復(fù)雜，例如采用輕量化的閉腔薄壁構(gòu)件、槽性構(gòu)件等，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往需要分析構(gòu)件截面應(yīng)力分布特征，此時(shí)計(jì)算一般需要采用實(shí)體模型。結(jié)構(gòu)按實(shí)際構(gòu)件形式進(jìn)行三維實(shí)體建模，接頭部位也按接頭的實(shí)際構(gòu)造接觸關(guān)系建模，而接頭的剛度按實(shí)際接頭接觸關(guān)系和材料本構(gòu)特性模擬，可不進(jìn)行接頭剛度迭代。

結(jié)構(gòu)實(shí)體模型可用于荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，也可用于地層-結(jié)構(gòu)模型。地層-結(jié)構(gòu)模型的建模范圍: 水平方向結(jié)構(gòu)兩側(cè)地層模型寬度不宜小于2.5倍的結(jié)構(gòu)寬度，結(jié)構(gòu)底部地層模型高度不宜小于結(jié)構(gòu)高度的1.5倍，結(jié)構(gòu)頂部按實(shí)際埋深模擬。有限元模型兩側(cè)邊緣應(yīng)限制水平位移，模型底部應(yīng)限制垂向位移。地層-結(jié)構(gòu)實(shí)體計(jì)算模型示意如圖4所示。

圖4 地層-結(jié)構(gòu)實(shí)體計(jì)算模型示意圖

4.3 三維空間計(jì)算模型

當(dāng)需要采用三維空間模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)，可根據(jù)需要采用空間梁、板殼單元模擬結(jié)構(gòu)，或采用實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，以荷載-結(jié)構(gòu)模型或地層-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體作用效應(yīng)計(jì)算分析。

當(dāng)采用梁、板殼單元模型時(shí)，推薦采用梁/板殼-彈簧模型，結(jié)構(gòu)構(gòu)件按梁/板殼單元模擬，接頭部位通過(guò)設(shè)置法向、切向和轉(zhuǎn)角彈簧模擬接頭的力學(xué)特性(見圖2)。其中，法向和切向剛度可采用定值，轉(zhuǎn)角彈簧的剛度應(yīng)考慮變剛度特性的影響。由于其剛度值受接頭內(nèi)力環(huán)境的影響，因此，結(jié)構(gòu)分析時(shí)需要通過(guò)不斷的迭代取得穩(wěn)定的內(nèi)力-剛度匹配值，具體剛度的計(jì)算可由經(jīng)驗(yàn)方法獲取或經(jīng)試驗(yàn)獲取。

當(dāng)采用空間實(shí)體模型時(shí)，構(gòu)件和接頭部位均應(yīng)按實(shí)際構(gòu)件形式和接頭的實(shí)際構(gòu)造接觸關(guān)系建模，可不進(jìn)行接頭剛度迭代。

對(duì)于三維空間計(jì)算模型的橫向，荷載-結(jié)構(gòu)模型周邊地層抗力彈簧的設(shè)置，以及地層-結(jié)構(gòu)模型的建模范圍、模型邊界約束條件等可參照二維平面計(jì)算模型的要求執(zhí)行；而模型縱向長(zhǎng)度的確定應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況和分析需要確定，但模型縱向長(zhǎng)度不宜小于3環(huán)結(jié)構(gòu)，且縱向邊緣應(yīng)設(shè)置邊界約束條件。

4.4 樁墻支護(hù)結(jié)構(gòu)與裝配式結(jié)構(gòu)的相互作用模擬

對(duì)于明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)，當(dāng)基坑采用樁墻式支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)整體分析需要考慮兩者之間的相互作用影響。支護(hù)結(jié)構(gòu)模型應(yīng)與裝配式結(jié)構(gòu)的模型相協(xié)調(diào)，分別建立相應(yīng)的模型單元，兩者之間的相互作用可采用兩端鉸接的壓桿單元進(jìn)行模擬，壓桿材料參數(shù)應(yīng)根據(jù)側(cè)向肥槽回填的實(shí)際情況確定，并應(yīng)符合下列規(guī)定：

1)當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)與裝配式側(cè)墻之間密貼，壓桿材料參數(shù)可按支護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)參數(shù)選取。

2)當(dāng)基坑側(cè)向肥槽回填時(shí)，壓桿材料參數(shù)應(yīng)按填充層材料的實(shí)際彈性抗力參數(shù)選取。

肥槽回填為結(jié)硬性材料時(shí)，每一層回填均應(yīng)分別考慮液態(tài)和硬化后的固態(tài)兩階段特性對(duì)結(jié)構(gòu)作用的影響。當(dāng)回填材料處于液態(tài)時(shí)，應(yīng)按液態(tài)材料所產(chǎn)生的側(cè)向作用荷載進(jìn)行直接加載；回填材料固化后，應(yīng)在保留液態(tài)作用荷載的情況下，通過(guò)壓桿模擬回填材料的力學(xué)作用，此時(shí)的壓桿材料參數(shù)應(yīng)按固化后的材料彈性抗力參數(shù)取值。當(dāng)液態(tài)材料固化后，后續(xù)回填材料施作可不考慮在已固化材料范圍內(nèi)增加側(cè)壓力。

明挖基坑為內(nèi)支撐體系，施工期間結(jié)構(gòu)底板、樓板或頂板需要替換內(nèi)支撐，并在基坑側(cè)向肥槽內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的接續(xù)撐，以及拱頂結(jié)構(gòu)的拱腳設(shè)置水平限位支撐。接續(xù)撐和拱腳限位支撐采用的壓桿單元，其材料參數(shù)均應(yīng)按實(shí)際應(yīng)用構(gòu)件的材料參數(shù)選取。

5 多次迭代分析法

裝配式隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力受接頭剛度變化的影響較大，因此，進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析時(shí)提出了接頭剛度和結(jié)構(gòu)體系內(nèi)力多次迭代的分析方法。接頭剛度的迭代分析路線是基于地下結(jié)構(gòu)在外部地層荷載作用下軸力基本穩(wěn)定、數(shù)值波動(dòng)不大的特性，首先將變剛度接頭視為剛性接頭，也就是考慮無(wú)接頭的連續(xù)結(jié)構(gòu)，確定接頭相應(yīng)部位的初始內(nèi)力，由初始內(nèi)力根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法獲取或經(jīng)試驗(yàn)獲取的計(jì)算公式，確定接頭的初始剛度[9,16]； 然后將初始剛度帶入接頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析，獲取對(duì)應(yīng)每個(gè)接頭位置的內(nèi)力，用此內(nèi)力進(jìn)一步修正接頭剛度; 如此循環(huán)迭代，最終可獲取穩(wěn)定的內(nèi)力和剛度匹配數(shù)據(jù)，得到結(jié)構(gòu)體系的最終內(nèi)力值。接頭剛度的迭代可參照如圖5所示的原理進(jìn)行[16]。實(shí)際工程的迭代計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，通過(guò)3次左右的迭代分析，即可求得基本穩(wěn)定的接頭剛度值，該值與實(shí)際剛度的誤差小于5%。

圖5 接頭剛度迭代過(guò)程示意圖

6 結(jié)論與討論

接頭剛度、地層約束、基坑支護(hù)體系、基坑肥槽回填、拼裝誤差等是影響裝配式隧道結(jié)構(gòu)整體作用分析的主要因素，從施工到使用期間各階段的實(shí)際工作狀況逐一展開作用效應(yīng)分析是獲取結(jié)構(gòu)趨于實(shí)際受力特征的必要過(guò)程。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)采取合理的方法計(jì)入其影響，同時(shí)，需要結(jié)合結(jié)構(gòu)型式、接頭特性、地層作用、邊界約束條件和材料特性等因素，確定整體作用分析的計(jì)算模型及結(jié)構(gòu)分析要點(diǎn)。

由于變剛度接頭的存在，使明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)的整體作用效應(yīng)計(jì)算分析較現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)及盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)均要復(fù)雜很多。結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜、接頭變剛度特性復(fù)雜、荷載作用特性復(fù)雜、拼裝過(guò)程效應(yīng)復(fù)雜等致使結(jié)構(gòu)分析工作具有很大的挑戰(zhàn)性，目前尚無(wú)成熟的專用分析軟件，有待下一步開發(fā)，采用多次迭代分析方法能夠準(zhǔn)確和高效地完成裝配式變剛度接頭隧道結(jié)構(gòu)的整體作用分析。