CN106321115B - 一种盾构隧道结构模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构隧道的结构模型构建方法，其特征在于：采用数值模拟方法构建结构模型，对盾构隧道结构按照材料和损伤性能不同在环向分区和在层向分层、采用混凝土开裂模拟管片间接触、采用螺栓孔大于螺栓直径。本发明构建的模型能够更为合理地体现材料的空间特性和结构变形性能，体现接头效应。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧道模型，具体涉及一种适用于盾构管片隧道模型构建方法。
背景技术
盾构隧道建设在城市公共交通***的发展中具有重要作用，随着盾构隧道数量的急剧增长，隧道运营安全正成为日益关注的问题。在运营期，合理隧道结构性能评估、及时治理隧道病害，是轨道交通安全的重要保障。
现有技术中，应用较广的纵向等效连续刚度模型，将隧道横向简化为一均质圆环，未考虑接缝效应。采用降低接头刚度考虑环缝影响的修正刚度模型，能够较好地体现隧道环向变形，但是不能考虑隧道接缝张开效应。多铰圆环模型、梁-弹簧模型、刚性板-弹簧模型，以铰或弹簧模拟接头作用，能较好地评价管片接头所引起的刚度下降和接缝效应，但忽略了管片的空间特性。在预应力混凝土连续梁的抗弯研究中，提出了将混凝土截面分为若干条/块的条带法模型，基于平截面假设和经典力学平衡条件，能够较好地反应多种材料性质、多种应力状态下的力学特性，其计算结果普遍认为是理论值。但是，该模型的应用目前局限于局部范围的平面解析分析中。在管片间采用接触面处理的数值模型，存在接触面的高度非线性问题，计算效率低、结果可能难以收敛。
因此，研发一种同时考虑接缝效应、材料空间特性及损伤性能，又保证计算结构准确度、计算效率的三维盾构隧道结构模型对于盾构隧道结构性能评估具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种适用于盾构隧道结构性能评估的隧道结构模型构建方法，该隧道结构模型考虑接缝效应、材料空间特性及损伤性能，又能保证计算结构准确度、计算效率。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种盾构隧道的结构模型构建方法，采用数值模拟方法构建结构模型，对盾构隧道结构按照材料和损伤性能不同在环向分区和在层向分层、采用混凝土开裂模拟管片间接触。
上述技术方案中，以相邻盾构隧道管片的接缝作为起始位置，所述环向分区依次包括接缝区、接缝分区、钢筋混凝土分区、普通混凝土区；从外至里，所述层向分层依次包括第一普通混凝土层、第一钢筋混凝土层、第二普通混凝土层、第二钢筋混凝土层、第三普通混凝土层。
上述技术方案中，接缝区材料采用William-Warnke破环模型，其抗拉强度设为零，模拟管片受拉力时管片张开效果；其抗压强度设为与钢材相同。
其中，接缝区宽度设置为5～10毫米。
上述技术方案中，接缝分区、普通混凝土区、第一普通混凝土层、第二普通混凝土层、第三普通混凝土层的材料参数根据采用的混凝土参数设置。
钢筋混凝土分区、第一钢筋混凝土层、第二钢筋混凝土层，采用整体式建模。
其中，接缝分区、钢筋混凝土分区、第一钢筋混凝土层、第二钢筋混凝土层的厚度分别为40～60mm。
上述技术方案中，在相邻的两片管片结构的连接处，对应连接螺栓位置，分别设置螺栓孔，螺栓孔略大于螺栓直径使得螺栓与混凝土不发生接触，螺栓长度等于螺栓孔的开槽长度。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、与纵向等效连续刚度模型相比，本发明针对管片接头性能建立接缝分区，更能体现接缝变形对于隧道整体变形的影响。
2、与修正刚度模型相比，本发明针对接头建立接缝分区、并且构建连接螺栓，能够更为真实地模拟接缝张开变形。
3、与多铰圆环模型、梁-弹簧模型、刚性板-弹簧模型，以铰或弹簧模拟接头作用相比，本发明采用数值模拟方法建立实体模型，能够体现材料的空间特性。
4、与混凝土条带法模型相比，本发明采用数值模拟方法建立实体模型，不仅在层向分层而且在环向进行分区，能够更为合理地体现材料的空间特性和结构变形性能。
5、与建立接触面的数值模型相比，本发明中对接头接缝材料采用William-Warnke破环模型，将其抗拉强度为零，既能模拟管片张开效果，又能避免接触面存在时的高度非线性问题。使得变形计算效率更高、结果更为准确。
6、对连接螺栓与混凝土接触问题，采用开槽孔的方法，避免了连接螺栓与混凝土材料的接触带来的计算难以收敛问题。
附图说明
图1是本发明实施例中的隧道结构模型的接头结构示意图；
图2是实施例中采用三维有限元建立的隧道结构模型；
图3是实施例中连接螺栓模型；
图4是实施例中接缝张开量的对比折线图；
图5是实施例中接头挠度的对比折线图；
图6是实施例中连接螺栓拉/压力值的对比折线图；
其中：1、接缝区，2、接缝分区，3、钢筋混凝土区，4、普通混凝土区，5、第一普通混凝土层，6、第一钢筋混凝土层、7、第二普通混凝土层，8、第二钢筋混凝土层，9、第三普通混凝土层，10、螺栓，11、螺栓孔，12、管片，13、钢支座，14、接缝。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例：
一种盾构隧道的结构模型构建方法，包括：
1、如图1对隧道结构按材料特点对管片进行分层分区处理，整体上环向划分为：接缝区1，接缝分区2、钢筋混凝土区3，普通混凝土区4。在层向分为第一普通混凝土层5，第一钢筋混凝土层6，第二普通混凝土层7，第二钢筋混凝土层8，第三普通混凝土层9。在接缝处，设有螺栓10，由螺栓孔11与其余部分分隔。采用三维有限元ANSYS建立如图2所示的隧道结构模型，其中，两侧管片12设置在钢支座13上，管片之间为接缝14。
2、混凝土单元采用solid65，混凝土材料采用William-Warnke破环模型，钢筋采用双线性等强度硬化模型。
3、钢筋采用整体式建模。
4、连接螺栓为beam188单元，螺栓长度等于有效长度11cm，等于开槽长度，见图3所示。
5、接缝区1厚度5mm，采用William-Warnke破环模型，取抗拉强度为零以模拟管片张开效应；并将其抗压强度设为与钢材相同，以避免受压时混凝土压裂造成计算不收敛。
6、接缝分区2、钢筋混凝土分区3、第一钢筋混凝土层6、第二钢筋混凝土层8的厚度为50mm。
7、图4至图6为采用本发明模型的计算值。如图4所示，本发明的接头张开量值与监测值更吻合，更能体现接缝变形效应；如图5所示，本发明的接头挠度值与监测值更吻合，更能体现接头变形对于隧道整体变形的影响；如图6，本发明考虑连接螺栓及管片材料的空间特性，不仅能螺栓拉/压力还能计算管片损伤特性。
Claims (6)
1.一种盾构隧道的结构模型构建方法，其特征在于：采用数值模拟方法构建结构模型，对盾构隧道结构按照材料和损伤性能不同在环向分区和在层向分层、采用混凝土开裂模拟管片间接触；以相邻盾构隧道管片的接缝作为起始位置，所述环向分区依次包括接缝区（1）、接缝分区（2）、钢筋混凝土分区（3）、普通混凝土区（4）；从外至里，所述层向分层依次包括第一普通混凝土层（5）、第一钢筋混凝土层（6）、第二普通混凝土层（7）、第二钢筋混凝土层（8）、第三普通混凝土层（9）；接缝区（1）材料采用William-Warnke破环模型，其抗拉强度设为零，模拟管片受拉力时管片张开效果；其抗压强度设为与钢材相同。
2.根据权利要求1所述的盾构隧道结构模型构建方法，其特征在于：接缝区（1）宽度设置为5～10毫米。
3.根据权利要求1所述的盾构隧道结构模型构建方法，其特征在于：接缝分区（2）、普通混凝土区（4）、第一普通混凝土层（5）、第二普通混凝土层（7）、第三普通混凝土层（9）的材料参数根据采用的混凝土参数设置。
4.根据权利要求1所述的盾构隧道结构模型构建方法，其特征在于：钢筋混凝土分区（3）、第一钢筋混凝土层（6）、第二钢筋混凝土层（8），采用整体式建模。
5.根据权利要求1所述的盾构隧道的结构模型构建方法，其特征在于：接缝分区（2）、钢筋混凝土分区（3）、第一钢筋混凝土层（6）、第二钢筋混凝土层（8）的厚度分别为40～60mm。
6.根据权利要求1所述的盾构隧道结构模型构建方法，其特征在于：在相邻的两片管片结构的连接处，对应连接螺栓位置，分别设置螺栓孔，螺栓孔略大于螺栓直径使得螺栓与混凝土不发生接触，螺栓长度等于螺栓孔的开槽长度。
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