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盾构衬砌管片环向接头刚度解析法及参数研究晏启祥;陈行;陈文宇;张君臣;黄希【摘要】基于接头断面的不均匀变形、接头细部构造分析在正、负弯矩作用下接头分离前后的力学特性,分别给出管片环向接头的抗拉刚度和抗弯刚度在接头分离前后的非线性解析公式,以及接头抗压刚度和抗剪刚度的线性解析公式.在此基础上,得到不同管片厚度和螺栓等级工况下线性接头和非线性接头模型的转角与弯矩的关系,并对线性接头模型和非线性接头模型的内力和变形特性进行对比分析.研究结果表明:在接头分离前,其抗弯刚度随管片厚度增大而增大;在接头分离后,接头抗弯刚度急剧减小,但不同管片厚度下的接头抗弯刚度分布规律大致相同;随着螺栓等级提高,接头分离时的突变转角与弯矩逐渐增大;在正弯矩作用下各等级螺栓的弯矩增量比负弯矩作用下的弯矩增量大,但各等级螺栓的转角增量要比负弯矩作用下的转角增量小;在荷载作用下,隧道管片弯矩随螺栓等级提高而逐渐减小;螺栓等级提高对线性与非线性模型的轴力影响较小,管片厚度变化对线性和非线性模型的剪力影响较小,但线性和非线性模型管片的剪力随螺栓等级提高而减小.%Based on the inhomogeneous deformationdetail and construction detail, and mechanism of joint separation before and after positive and negative bending moments, mechanical characteristics of the joint before and after joint separation with positive and negative moments were analyzed. Nonlinear analytic formulas for tensile stiffness and rotation stiffness of the transverse joint before and after joint separation with positive and negative moments and linear analytic formulas for compressive stiffness and shear stiffness were obtained. On this basis, the relationship between rotation angle and bending moment of both linear joint and the nonlinearjoint models under conditions of different segment thicknesses and bolt grades was obtained, and internal force and deformation characteristics of both linear joint model and the nonlinear joint models were compared and analyzed. The results show that bending stiffness of the joint increases with the increase of segment thickness, and bending stiffness of the joint changes after joint separation. However, distributions of bending stiffness of the joint with different segment thicknesses are approximately the same. With the increase of bolt grade, rotation angle and bending moment of the joint separation increase gradually. The moment increment of each grade bolt with positive bending moment is larger than that of negative bending moment, but the angle increment of each grade bolt with positive bending moment is smaller than that of negative bending moment. The bending moment of tunnel segment decreases with the increase of bolt grade under the load. The increase of bolt grade has little influence on the axial force of both linear and nonlinear models. Change of segment thickness has little effect on the shear force of both linear and nonlinear model, but the shear force of both linear and nonlinear model segment decrease with the increase of bolt grade.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(049)006【总页数】11页(P1555-1565)【关键词】盾构隧道;环向接头;接头刚度;解析方法;力学特征【作者】晏启祥;陈行;陈文宇;张君臣;黄希【作者单位】西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,四川成都,610031;西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,四川成都,610031;西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,四川成都,610031;西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,四川成都,610031;中铁二院成都勘察设计研究院有限责任公司,四川成都,610081【正文语种】中文【中图分类】U25盾构隧道管片接头是区分盾构隧道与其他类型隧道结构的显著特征。
盾构衬砌管片接头内力变形统一模型及试验分析一、内容概要随着城市地铁建设的发展，盾构施工技术已经成为地铁隧道工程的主要施工方法。
然而盾构施工过程中的管片接头是影响隧道结构安全和使用寿命的关键因素之一。
为了解决这一问题，本文对盾构衬砌管片接头内力变形进行了统一模型的研究，并通过试验分析验证了模型的有效性。
首先本文从管片接头的结构特点出发，分析了管片接头在盾构施工过程中所受到的外力作用，包括盾构机推进力、土压力、地下水压力等。
在此基础上，建立了考虑这些外力的管片接头内力变形统一模型，该模型能够全面描述管片接头在不同工况下的内力变形规律。
其次为了验证模型的有效性，本文采用实验室试验的方法，对不同类型的管片接头进行了静载荷试验。
通过对试验数据的分析，得出了管片接头在不同工况下的内力变形分布规律，以及关键参数对内力变形的影响程度。
同时根据试验结果对模型进行了修正和完善。
本文结合实际工程案例，对所建立的模型进行了验证。
通过对实际施工中的管片接头内力变形的监测数据进行分析，证实了模型的有效性和实用性。
此外本文还提出了针对不同类型管片接头的内力变形控制措施，为盾构施工提供了有针对性的技术指导。
1. 研究背景和意义随着城市化进程的加快，盾构施工技术在地下工程中的应用越来越广泛。
盾构施工过程中，管片接头是连接盾构机与隧道壁的关键部件，其性能直接影响到隧道的结构安全和使用寿命。
然而目前关于盾构衬砌管片接头内力变形的研究尚不完善，主要集中在理论分析方面，而实际应用中的效果评价和改进措施仍需进一步探讨。
因此建立一套统一的盾构衬砌管片接头内力变形模型，以指导实际工程应用，具有重要的理论和实践意义。
首先研究盾构衬砌管片接头内力变形统一模型有助于提高工程质量。
通过对管片接头内力变形规律的深入研究，可以为工程设计提供更为精确的理论依据，从而降低工程风险，确保工程质量。
此外该模型还可以为施工过程中的质量控制提供技术支持，有助于提高施工效率和降低成本。
第26卷 增2岩石力学与工程学报 V ol.26 Supp.22007年12月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec.，2007收稿日期：2006–11–16；修回日期：2006–12–27基金项目：国家自然科学基金资助项目(50304012，50674095)；教育部博士点基金项目(20060290014)；北京市优秀人才培养资助项目(2007101600700414) 作者简介：侯公羽(1965–)，男，博士，1986年毕业于西安矿业学院采矿系矿井建设专业，现任副教授，主要从事岩土工程、岩石力学方面的教学盾构管片接头模型的改进及管片内力的数值计算侯公羽1，杨 悦2，刘 波1(1. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院，北京 100083；2. 黑龙江科技学院，黑龙江 哈尔滨 150027)摘要：管片计算模型的建立主要是考虑接头和土层抗力两种因素对结构的影响。
对惯用法模型的接头简化进行改进，即将管片的各个截面处刚度按EI 处理，将其接头部位的刚度按kEI 处理，这样的管片接头模型更符合实际情况。
结合北京地铁十号线工程的实例资料，采用通用ANSYS 程序对荷载结构法的惯用法模型及改进模型和地层结构法的均质圆环模型及改进模型进行详细的管片内力计算分析。
数值计算结果表明，对盾构管片接头模型的改进是有效的、可行的，而且是必要的；可以初步确定合理的管片接头刚度折减系数取值为1/100～1/1 000。
关键词：隧道工程；管片内力；惯用法模型；均质圆环模型；改进接头模型；刚度折减；数值计算 中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)增2–4284–08IMPROVED JOINT MODEL OF SHIELD TUNNEL SEGMENTS ANDNUMERICAL CALCULATION OF INNER FORCESHOU Gongyu 1，YANG Yue 2，LIU Bo 1(1. School of Mechanics and Civil Engineering ，China University of Mining and Technology ，Beijing 100083，China ；2. Heilongjiang College of Technology ，Harbin ，Heilongjiang 150027，China )Abstract ：The key issue for establishing calculating model of segments is to consider the influence of the joint and ground resisting force to the structure. The simplification of joint in the routine method model is improved. The calculation model which treats all the cross-section stiffness of segments as EI and the joint stiffness of segments as kEI coincides with the actual situation. Combining with the real data of the project of Beijing Metro Line No.10，the segments inner forces are calculated by the routine method model and its improved model ，homogenous ring model and its improved model respectively. According to the numerical calculation results ，the improvement of the rotating stiffness of joint in shield tunnel segments are found effective and feasible and also necessary ；it can preliminarily determine that the reasonable stiffness reduction factor value of the rotating stiffness of joint in shield tunnel segments is 1/100–1/1 000.Key words ：tunneling engineering ；segments inner forces ；routine method model ；homogeneous ring model ；improved joint model ；stiffness reduction ；numerical calculation1 引 言随着地铁建设的快速发展，如何准确计算盾构衬砌管片的内力是管片设计的当务之急。
第３５卷第１２期２ ０ １ ３年１２月铁 道 学 报ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＩＮＡ ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＯＣＩＥＴＹＶｏｌ．３５ Ｎｏ．１２Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１３收稿日期：２０１０－０３－２５；修回日期：２０１３－０７－２９基金项目：国家杰出青年科学基金（５０９２５８３０）；国家重点基础研究发展计划项目（２０１０ＣＢ７３２１０５）；山东农业大学青年科技创新基金（２３６７０）作者简介：张建刚（１９７４—），男，山东郓城人，副教授，博士。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｊｇ＠ｓｄａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ文章编号：１００１－８３６０（２０１３）１２－０１０１－０５不同承压衬垫的管片接头力学性能分析张建刚１，２，何 川２（１．山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 ２７１０１８；２．西南交通大学土木工程学院，四川成都 ６１００３１）摘 要：利用能够体现管片接头承压衬垫和端面混凝土共同变形的改进条带算法，结合衬垫和混凝土非线性材料关系曲线，研究不同承压衬垫条件下管片接头端面压应力分布特征和承压衬垫对接头力学参数的影响。
研究表明：随着弯矩增大，当接缝无承压衬垫时，端面压应力分布形态从近似三角形分布向抛物线分布再向直线与抛物线组合分布形态转化；当接缝有承压衬垫时，端面压应力分布形态从近似凹弧线分布向双向弯曲弧形分布再向直线与双向曲线组合分布形态转化，并随承压衬垫厚度增大更加明显；随着承压衬垫厚度增大，管片接头抗弯刚度明显减小，螺栓拉应力有所增加，同时明显加大了接缝张开所需弯矩值水平；承压衬垫具有减弱接头弯曲刚度和减少整环衬砌接缝张开数量的作用，但基本不能改变接头承载能力和极限变形能力。
关键词：盾构隧道；管片接头；承压衬垫；力学分析中图分类号：Ｕ４５１．４ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８３６０．２０１３．１２．０１６Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｓｅｇｍｅｎｔ Ｊｏｉｎｔｓ ｗｉｔｈＤｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＰａｄｓＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ－ｇａｎｇ１，２，ＨＥ Ｃｈｕａｎ２（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔａｉａｎ ２７１０１８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｔｒｉｐ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｒｅｆｌｅｃｔｓ ｃｏｍｍｏｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｂｅａｒｉｎｇ ｐａｄｓ ａｎｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｒｉｂｓ ｏｆ ｓｅｇｍｅｎｔ ｊｏｉｎｔｓ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐａｄｓａｎｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｒｉｂｓ ａｎｄ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐａｄｓ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｅｇｍｅｎｔ ｊｏｉｎｔｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｂｅａｒｉｎｇ ｐａｄｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙｓｈｏｗｓ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ：Ｉｆ ｓｅｇｍｅｎｔ ｊｏｉｎｔｓ ｈａｖｅ ｎｏ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐａｄｓ，ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｒｉｂ ｓｕｒｆａｃｅ ｗｉｌｌ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｓｈａｐｅｓ ｆｒｏｍ ａｎ ａｐｐｒｏｘｉ－ｍａｔｅ ｔｒｉａｎｇｌｅ ｔｏ ａ ｐａｒａｂｏｌａ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｏ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｇｈｔ ｌｉｎｅ ａｎｄ ｐａｒａｂｏｌａ；ｉｆ ｓｅｇｍｅｎｔ ｊｏｉｎｔｓ ｈａｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐａｄｓ，ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅｃｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎｗｉｌｌ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｓｈａｐｅｓ ｆｒｏｍ ｓｉｎｇｌｅ ｃｏｎｃａｖｅ ａｒｃ ｔｏ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｂｅｎｄｉｎｇ ａｒｃ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｏ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｇｈｔｌｉｎｅ ａｎｄ ｐａｒａｂｏｌｉｃ，ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｅｎｄ ｗｉｌｌ ｂｅｃｏｍｅ ｍｏｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｄ ｔｈｉｃｋ－ｎｅｓｓ；ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｄ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｔｈｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ ｓｅｇｍｅｎｔａｌ ｊｏｉｎｔ ｗｉｌｌ ｒｅｄｕｃｅ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ，ｔｈｅ ｂｌｏｔ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｗｉｌｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｏ ｓｏｍｅ ｅｘｔｅｎｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ｅｓｓｅｎｔｉａｌ ｔｏ ｓｅａｍ ｏｐｅｎｉｎｇ ｗｉｌｌ ｂｅｅｎｌａｒｇｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ；ｐａｄｓ ｐｏｓｓｅｓｓ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｊｏｉｎｔ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆｇａｐｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｒｉｎｇ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｓｐｅａｋｉｎｇ，ｔｈｅｙ ｃａｎｎｏｔ ｐｌａｙ ｔｈｅ ｒｏｌｅｓ ｏｆ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｌｏａｄ ｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｌｉｍｉｔｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌ；ｓｅｇｍｅｎｔ ｊｏｉｎｔ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐａｄ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ 绝大多数盾构隧道采用装配式管片衬砌结构，对管片接头进行力学分析是装配式衬砌结构设计必不可铁 道 学 报第３５卷少的内容［１－２］。
盾构管片拼装力学模拟与强度优化在盾构工程中，盾构管片的拼装力学模拟与强度优化对于保证施工质量和工程安全至关重要。
本文将从盾构管片拼装的力学模拟和强度优化两个方面进行论述。
盾构管片的拼装力学模拟是指在施工前对管片进行力学性能仿真分析，以确定管片在施工过程中的受力状态和可能出现的问题。
盾构管片的拼装是通过将多个管片按照一定的方式组装在一起，形成一条完整的盾构隧道。
在拼装过程中，管片之间会受到各种力的作用，如挤压力、剪切力、拉伸力等。
通过力学模拟可以对管片组合后受力情况进行预测和评估，确保拼装的稳定性和安全性。
盾构管片的力学模拟主要通过有限元分析方法来实现。
有限元分析方法是运用数值方法将研究对象划分为许多小单元，通过计算每个小单元上受力的相互作用，最终得到整体受力状态的方法。
在进行盾构管片拼装力学模拟时，首先需要获取盾构管片的几何参数和材料特性，然后将其建模成有限元模型。
接下来，通过施加预设的边界条件，如固定支撑约束和加载力，模拟盾构施工过程中可能出现的力的作用。
最后，通过求解有限元模型，得到管片在施工过程中的受力状态，如应力分布、变形情况等。
通过对模拟结果的分析，可以判断管片拼装的合理性和安全性，并提供优化建议。
强度优化是在进行力学模拟的基础上，进一步对盾构管片的结构进行优化设计，以提高其强度和稳定性。
优化设计的目标是在满足工程要求的前提下，以最经济的方式使盾构管片具有更好的结构性能。
在盾构管片的设计过程中，需要考虑多个因素，如材料的强度特性、结构的几何形状、连接方式等。
在盾构管片的强度优化中，通常可以从以下几个方面入手。
首先是材料的选择。
合理选择适应工程要求的材料，具有良好的强度和耐久性。
其次是结构的设计。
通过优化管片的几何形状和薄弱部位的加强设计，以提高整体的强度和抗变形能力。
其中，结构的几何形状可以通过参数化建模和有限元优化方法进行优化。
最后，是连接方式的改进。
盾构管片在拼装过程中需要通过连接件进行组合，在连接方式的选择和设计上进行优化，以确保连接的可靠性和强度。
