[发明专利]一种盾构管片环向接头缩尺试验设计及计算方法

说明书

本发明公开了一种盾构管片环向接头缩尺试验设计及计算方法，该方法将原型盾构管片的螺栓接头功能分解为抗拉、抗剪切、抗弯曲能力，并对应设计出一种“外接弹簧连接构件、内设套筒螺栓”的组合型接头模型。而后以等效刚度假设理论、相似理论为基准计算得出组合模型接头各个部件需要的等效条件表达式，再依据具体情况与构造要求确定各个部件具体物理力学参数。由该方法设计计算的环向接头缩尺模型可以准确、有效地同时模拟原型管片螺栓环向接头的抗剪切、抗拉伸、抗弯曲能力，能较大程度上还原实际情况下具有非连续性的盾构管片接头力学特性，从而为各类盾构隧道模型试验提供参考和依据。

技术领域

本发明涉及地下空间工程技术领域，特别是涉及一种盾构管片环向接头缩尺试验设计及计算方法。

背景技术

绝大部分地铁是由盾构法隧道衬砌环拼装而成，每个衬砌环是由若干块弧形管片拼装而成的装配式结构，各块管片间多以环向螺栓接头进行连接。随着全国各城市地铁盾构隧道的长期运营，盾构隧道存在的各种问题也接踵而至，各学者及专家对其相关方面的研究也逐步深入。目前，学者对盾构隧道的力学性能、防水性能及结构性态等方面都进行了深入探索，且取得了相当的成果。而在盾构隧道的研究当中，管片环向接头的研究始终处于极其重要的位置。

针对盾构隧道管片接头问题，国内外学者采用数值模拟、理论分析、缩尺模型试验、原型试验等方法开展大量研究，而缩尺模型试验由于其能够较为真实、准确地模拟管片在不同环境中的受力条件与响应规律，广泛被学者采用。但缩尺模型管片接头影响因素复杂繁多，如管片材料、接头螺栓的抗弯、抗压及抗剪刚度、螺栓的预紧力等，均会对管片接头刚度产生较大影响。而且经大量实验证明，在采用小尺寸(如1：10)的模型试验时，模拟效果极差，尤其是在环向螺栓接头部分，管片材料与螺栓的缩尺使得模型无法契合原有的混凝土- 钢螺栓的接触力。并且小尺寸模型管片常常是采用强度比较低的石膏作为骨料进行配置行，其脆性强、易折裂，这使得螺栓在充分受拉前石膏管片本身就产生了脆裂，同时由于接触难以契合原型管片，接头处螺栓与石膏管片还会产生滑移与磨损。所以对于缩尺模型实验，仅仅采用相似尺寸的螺栓接头是无法准确模拟盾构管片环向接头的，其试验误差往往是数量级的。

为此，国内外采用不同功能、种类的环向接头对盾构隧道管片受力特性进行模型试验探究，其中最为常见且最广泛被使用的接头类型为开槽模型接头，其是通过在接头位置进行管片切削，来达到接头刚度削弱的目的。然而，开槽法虽可使环向接头抗弯刚度等效于螺栓接头，但其管片材料在环向接头处依旧是连续的，并未考虑接缝处管片块与块之间的相互作用以及环向接头非连续性造成的影响。实际上，每环盾构管片都或多或少存在若干处拼接缝，这使得管片在环向上是复杂且非连续的，采用开槽法的模型管片无法准确模拟原型盾构管片的实际受力及变形情况。

因此，若能设计出一种可以准确、定量模拟盾构管片环向接头的方法，使盾构管片缩尺试验模型能在接头性能、接头刚度上与原型管片达到设定比例的、满足相似定理及等效刚度假设的精准模拟，则能有效、准确地模拟实际情况下盾构管片接头的力学特性，可望为各类盾构隧道模型试验提供参考和依据。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有方法与技术的不足，基于模型试验相似理论及等效刚度假设理论，提出一种盾构管片环向接头缩尺模型设计及计算方法，该方法设计计算出的盾构隧道管片环向接头为“外接弹簧、内设螺栓”的组合型接头模型，以准确、有效地模拟原型管片螺栓接头的抗剪切能力、预紧力及抗拉伸能力、抗弯曲能力，较大程度上还原实际情况下具有非连续性的盾构管片接头力学特性，从而为各类盾构隧道模型试验提供参考和依据。

本发明目的实现由以下步骤完成：

(1)确定盾构隧道管片原型尺寸、拼装形式以及环向接头类型，依据具体情况以及相似准则、定理设定合理的相似常数，而后进一步确定模型管片主体骨料的需求强度，再按要求比选出合适的材料作为模型管片的主体骨料。