[发明专利]隧洞管片衬砌内力分析方法

说明书

本发明公开了一种隧洞管片衬砌内力分析方法，包括：步骤1，构建管片衬砌的梁‑弹簧‑接触模型；步骤2，根据工程资料计算计算各接头处第一弹簧单元的环向刚度、绕Z轴转动的转动刚度，以及第二弹簧单元的弹性刚度；步骤3，根据工程资料计算点‑点接触单元的刚度；步骤4，采用步骤2和步骤3计算所得的刚度计算管片衬砌的内力。本发明考虑了管片节之间、管片之间的相互作用效果，以及管片衬砌与围岩的联合承载特性，能更好地分析出管片衬砌的受力特性。

技术领域

本发明属于水工建筑物结构计算技术领域，特别涉及一种隧洞管片衬砌内力分析方法。

背景技术

在深埋长距离输水隧洞施工过程中，采用TBM(Tunnel Boring Machine，隧道掘进机)法时，普遍采用预制混凝土管片衬砌的方法进行支护，管片衬砌在隧洞运行期的结构安全问题是工程上关心的主要问题之一。针对管片衬砌的内力计算问题，现有的分析方法有惯用法、修正惯用法、多铰圆环法、梁-弹簧模型法、壳-弹簧模型法、壳-弹簧-接触模型法等。

惯用法采用均质圆环模型，将管片作为刚度均匀的环，而不考虑管片接头刚度下降的影响，计算时简单易行，但计算结果偏于安全。修正惯用法采用等效刚度圆环模型，在惯用法的基础上，引入弯曲刚度有效率η(η＜1)和弯矩增加率ξ(ξ＜1)，假定管片是均质圆环，且其刚度是衬砌混凝土抗弯刚度E的η倍，主截面设计弯矩是计算得到的实际弯矩值M的(1+ξ)倍，接头设计弯矩为(1-ξ)M，从而改善均质圆环模型的普遍性。但在确定参数η和ξ时，主要根据试验结果或经验，具有随意性和不确定性。多铰圆环法将管片接头作为铰接结构，并假设沿管片有均匀分布的地基抗力，由于模型本身为不稳定结构，依靠地层反力变为稳定结构，因此其对地层条件的依赖性较强，较适用于弹性抗力系数较高的地层。梁-弹簧模型法以梁单元模拟管片部分，以弹簧单元模拟管片间的接头部分，弹簧的轴向、剪切和转动效应分别用轴向、剪切、转动刚度来描述，该方法较修正惯用法和多铰圆环法更接近实际，接头转动刚度对管片衬砌的内力有一定的影响，目前主要通过理论解析、接头试验、数值计算等方法来确定刚度取值。采用这四种方法分析管片衬砌内力时，将围岩视为作用在衬砌结构上的荷载，对应于衬砌结构设计中的荷载-结构计算模式。

壳-弹簧模型法采用壳单元模拟衬砌管片，用接头单元模拟管片间的接头，以此模拟衬砌结构的不连续性，同时考虑土层与衬砌之间的共同作用，用土弹簧单元来模拟地层对衬砌的作用效果。壳-弹簧模型法虽然将管片衬砌内力分析拓展到三维结构，但仍采用荷载-结构模式，没有考虑围岩和衬砌共同变形的作用。壳-弹簧-接触模型法采用壳单元模拟管片，在管片间螺栓连接处建立弹簧单元来模拟螺栓作用，采用实体单元模拟岩土体；荷载-结构模式的壳-弹簧-接触模型将地层对结构的主动荷载分解后直接施加在衬砌上，而地层对结构的被动抗力由实体单元通过接触单元提供；地层-结构模式的壳-弹簧-接触模型则通过在壳单元和实体单元间建立面-面弹性接触单元，来考虑管片与围岩的挤压与摩阻作用及开挖后荷载传递与变形协调作用，从而达到模拟衬砌与岩土体共同变形的目的。

因此，进行隧洞管片衬砌内力分析的现有方法主要存在问题：(1)没有考虑管片接头引起的管片局部刚度降低；(2)将围岩视作施载体而非承载体，没有考虑围岩与衬砌的联合承载。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种隧洞管片衬砌内力分析方法。

本发明通过建立梁-弹簧-接触模型来分析隧洞管片衬砌在内水压力作用下的受力特性，包括步骤：

步骤1，构建管片衬砌的梁-弹簧-接触模型，具体为：

构建坐标系，铅直向上为Y轴正方向，沿隧洞轴线方向为Z轴方向，指向上游为Z轴正方向，X轴正方向通过右手法则确定，管片衬砌圆心为原点；

采用梁单元模拟管片，每个梁单元有两个节点，多个梁单元拼接构成管片衬砌；

在每个相邻管片接头处，利用接头处的两个梁单元节点建立六个第一弹簧单元，分别对应六个自由度；