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隧道衬砌接头刚度的有限元分析

发布于:2016-12-30 22:04
有限元分析

      盾构隧道技术是现代地下工程中广为采用的一种技术,由于其衬砌结构的特殊性和结构受力的复杂性,使得管片设计有很大难度。隧道衬砌是一种预制的管片构件拼装结构,环向与纵向管片仅用螺栓连接,其结构形态具有典型非线性特征。接头是装配式管片衬砌的薄弱环节,它很大程度上控制着衬砌结构整体的变形和承载力,因此接头的强度分析算是整个结构计算中的重点内容。表示管片接头处变形和受力的特征参数是接头刚度,它定义为接头产生单位转角所需的弯矩。这一特征参数的特性对于衬砌隧道的受力状态和变形具有非常大的影响,因此管片的接头刚度是设计中一个十分重要的参数。影响接头刚度的因素很多,主要有:接头的构造、连接螺栓的布置、管片与管片之间垫层材料的性能和厚度、连接螺栓的预紧力的大小与接头不同的受力状态等。
      本研究通过大型有限元分析App,对影响接头刚度的因素进行了分析研究,并对这些影响因素提出了见解。
      管片体的构成材料为钢筋混凝土,钢筋混凝土是一种典型的复合材料,其受力行为是非线性的。鉴于分析的口的,本问题可做线弹胜问题分析,具体的线弹性本构关系材料参数。
      接缝是管片的薄弱环节,故在接缝附近的单元网格应加密。为提高计算精度,混凝土及螺栓采用20节点的实体单元,用接触单元模拟混凝土管片之间以及螺栓与螺栓孔之间的接触,管片和螺栓有限元模型 ,单元类型及几何尺寸。
      混凝土管片之间不考虑垫层作用,采用接触单元模拟,在相同偏心距和弯矩的作用下,由于加载前螺栓的预紧力不同,因此产生了接缝的相对转角数值有明显变化。螺栓的预紧力越大,接缝的相对转角就越小。在相同偏心距和弯矩的作用下,加载前螺栓的预紧力越大,接头抗弯刚度K越大,预紧力越小,抗弯刚度越小。
      为了改善隧道管片接缝处接触而的应力状态,通常在接缝处加一层软垫层,垫层多采用丁晴橡胶掺软木浆等材料制作,是一种非线性高弹材料,其应力应变关系非常复杂,与加载历史有关,在此模型对它进行了简化处理,按照线弹性材料来处理,在外力较小的情况下是可行的。在两管片接缝中心设置三块截而尺寸为1.2 m x0.5 m,厚2 mm的压缩衬垫,采用单自由度弹簧单元模拟。考虑了衬垫作用的管片接头,较没有考虑衬垫作用时的接缝转角有所增加,计算所得的接头抗弯刚度减小,其结果更为合理。
      可见接缝处垫层对接头刚度影响很大。在接头断而混凝土处于弹性变形阶段,衬垫变形远比混凝土变形大,接头变形主要受衬垫变形控制,且当预紧力、偏心距、弯矩相同时,接头刚度随垫层厚度的加大而有所下降。
      一种能运用于混凝土结构空间有限元分析的退化梁单元模型。此单元在分析过程中将截而分块处理,能够对每个分块赋予不同的材料属性,所以该单元适用于分析各种截而形式梁、各向异性梁和组合梁等结构。利用退化梁单元能很方便地模拟混凝土开裂等混凝土非线性行为。所以应用此单元能够分析带螺栓截而的梁,同时将接缝处单元的材料属性设为只受拉不受压的衬垫橡胶的材料属性来分析隧道衬砌接头刚度。
      采用退化梁单元方法、ANSYS平而分析以及三维有限元分析计算所得的抗弯刚度十分接近。由此可知,用本研究所建立的模型来模拟接头性能所得的结果是合理的,这为优化接头参数提供了一条新的途径。
      通过对盾构隧道管片接头的三维有限元数值模拟计算,以及对不同训一算方法下的管片接头刚度对比分析,可得如下结论: 1)螺栓预紧力对接头刚度有一定影响。预紧力增大,接头刚度也随之增大, 2)接缝垫层对接头刚度影响较大。垫层厚度增加,管片接头刚度减小, 3)考虑衬垫后,采用平而有限元模拟对管片接头刚度研究结果与三维有限元计算结果十分近似,故在简化计算中,可采用简化二维有限元模型对管片接头刚度进行研究。
      最后,要确定管片的接头刚度,不仅需要根据结构的受力特点和变形要求,通过分析影响接头刚度的众多因素,来协调不同接缝处的接头刚度,并且还要通过模型试验加以调整和验证,从而使得结构达到比较合理的状态。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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