專利名稱：盾構隧道襯砌連續-非均勻剛度模型結構計算方法
技術領域：
本發明涉及一種盾構隧道襯砌結構的計算方法。
背景技術：
盾構隧道裝配式襯砌結構由管片拼裝而成，由于接頭的存在，使襯砌結構的計算顯得復雜。 如何考慮接頭的影響并依此確定結構的力學計算模型是保證計算合理、設計可靠的關鍵。目 前提出的襯砌結構力學模型有以下幾類
(1) .均質圓環模型又分為慣用法和修正慣用法，如圖1所示。
慣用法假設管片環是彎曲剛度均勻的環，不考慮管片接頭部分的柔性特征和彎曲剛度下 降，管片環是具有和管片主截面同樣剛度￡/，并且彎曲剛度均勻的環(完全均勻剛性環)的 方法。這種方法計算出的管片環變形量偏小，導致在軟弱地基中計算出的管片截面內力過小， 而在良好地基條件下計算出的內力又過大。地層反力假設僅在水平方向上下45°范圍內按三 角形規律分布，這種模型可以計算出解析解。
修正慣用法在慣用法的基礎上，引入剛度有效系數/7來評價接頭的存在造成的襯砌結構剛
度的降低，將管片環看作具有7f/，并且彎曲剛度均勻的環(平均剛度均勻環)的方法。進
一步考慮到錯接頭部位彎矩的分配，引入彎矩提高率《，取接頭的彎矩為(1-《)M，管片主截 面的彎矩為(1 +《)M， #為按照平均剛度均勻環計算得到的彎矩值。根據試驗統計結果，7/== 0.6-0.8、《=0, 3~0. 5。
(2) .多鉸圓環模型。
多鉸圓環模型剛好與均質圓環模型相反，它將接頭視作鉸連接。這種模型比較適合于無螺 栓連接的由砌塊組成的襯砌環，只有在良好地基中，依賴周圍土層的反力才能形成穩定的結 構， 一般在英國、俄羅斯等地基條件好的工程中采用。在裝配式管片環計算中采用這種模型 將使變形量偏大，截面內力偏小。
(3) .梁一彈簧非連續模型，如圖2所示。
梁一彈簧模型是介于上述兩種模型之間的一種模型，它用彈簧模擬接頭，梁(直梁或曲梁) 模擬管片。彈簧主要采用旋轉彈簧(如彈性鉸法)，也有采用由旋轉彈簧、剪切彈簧和壓縮彈
簧(彈簧的軸向、剪切和轉動效應分別用軸向剛度&、剪切剛度^和轉動剛度^來描述)構
成的組合彈簧，它能夠模擬接頭的各種性能。
從力學上看可以認為梁一彈簧模型是一種靈活有效的模型。目前彈簧系數主要是根據接頭 受力試驗確定，且大都把彈簧系數看成常數。但實際上，接頭的力學性能是很復雜的，各種 彈簧的系數是變化的。如接頭的抗彎剛度系數，除了和接頭構造、螺栓的預緊力有關外，還 和接頭部位的軸力、彎矩有關，這從接頭受力試驗結果可得到證實。
(4) .梁一接頭模型。
接頭部分采用考慮接頭變形不連續的接頭模型而形成的一種襯砌環結構計算模型。該模型 將管片離散成梁單元，將兩管片間的接頭考慮成接頭單元，用以模擬襯砌接頭處變形的不連 續性。
(5) .實體模型。
隨著計算機技術和計算力學的發展，出現了以襯砌結構實體模型進行計算的方法。利用實 體模型進行分析時，可以采用平面二維模型或三維實體模型，線性或非線性有限元方法進行 分析。大型有限元分析軟件(Marc、 Ansys等)均提供混凝土單元、鋼筋和混凝土的組合單元 選用；接頭部位可以設定接觸單元；螺栓等連接件可以采用梁單元或桿單元，并可施加預緊 力。
綜上所述，現有的計算方法都不能準確地反映盾構隧道襯砌管片環的剛度分布特點，從而 給結構設計帶來偏差。

發明內容
本發明要解決的技術問題是采用一種新的計算模型來進行盾構隧道襯砌的結構計算，使計 算結果更加準確。
為了解決上述技術問題，本發明一種盾構隧道襯砌連續一非均勻剛度模型結構計算方法， 包括以下步驟-
(1) .荷載計算按照常用的荷載結構法中隧道荷載的確定方法計算襯砌結構承受的水土壓 力、自重等荷載和作用，其中和隧道變形相關的地層抗力荷載可以先按照慣用法或修正慣用 法的情況確定；
(2) .結構內力的初步計算釆用慣用法或修正慣用法初步計算結構的內力，為接頭區域等 效剛度的計算和結構連續一非均勻剛度模型的確定提供依據；
(3).接頭計算根據計算出的內力，按照目前常用的計算方法確定接頭的張角^，根據公
式7',、忍 ，i十算Hi接頭區域等效^度系數纊,，式中M為接頭&的彎矩，h為管片厚
度，E為管片材料的彈性模量；I為管片截面慣性矩；
(4) .根據計算出的變形確定結構的地層抗力荷載；
(5) .確定盾構隧道襯砌的連續一非均勻剛度模型設定襯砌為連續結構，設定接頭區域的 中心弧長度為2h，且其等效剛度為7 五/，其它區域的剛度為￡/;
(6) .將步驟(4沖的地層抗力荷載及步驟(1沖的其它荷載作用在步驟(5)所確定的連續一非均
勻剛度結構模型上，計算結構的內力和變形；
(7) .根據步驟(6)計算出的變形重新計算地層抗力荷載，并與步驟(4)的結果比較，若相差較 大，貝'J回到步驟(4)進行迭代計算；若相差不大，則進入下一步；
(8) .根據步驟(6)計算出的接頭處的內力，重新計算各接頭的接頭區域等效剛度，若相差較 大，則回到步驟(3)進行迭代計算；若相差不大，則給出最終的內力、變形計算結果。
本發明采用了一種連續一非均勻剛度模型來進行盾構隧道襯砌結構的設計計算，和襯砌結 構的其它計算模型比較起來，連續非均勻剛度模型有如下特點-
(1) .和連續均勻剛度比較來看，連續一非均勻剛度模型可以體現接頭部位剛度的降低引起 的結構內力的重分布，使得結構計算的內力與實際情況更為符合；另外，不同接頭部位的等 效剛度和結構的內力相關，可能是不一樣的，所以連續非均勻剛度模型還可以體現接頭位置 的變化對結構相應的影響。
(2) .和梁一彈簧模型比較來看，連續一非均勻剛度模型接頭部位的等效剛度考慮了預應力 作用對接頭張角的影響，即可以反映預應力對接頭的有利作用；而梁一彈簧模型中接頭部位 的抗彎剛度&僅能體現接頭的張角隨彎矩的變化，而不能反映預應力對接頭張角的限制作用。
本發明中，接頭部位的等效剛度可以通過計算獲得，避免了接頭抗彎剛度估算或按照經驗取 值的不確定性。
(3) .和梁一接頭模型比較來看，連續一非均勻剛度模型接頭部位等效剛度和接頭的張角相 關，可以體現出接頭部位彎矩一剛度的非線性關系，反映接頭部位變形不連續對結構相應的 影響，且該模型形式簡單。
(4) .由于接頭部位彎矩一剛度的非線性關系，且這種關系隨著荷載的變化而變化，同時結
構的內力又隨著結構的剛度分布變化，因此在計算過程中需要逐次迭代或其它近似方法來求 得結構的相應，此時接頭的內力和接頭部位等效剛度應互相匹配。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。
圖1是現有的一種連續均勻剛度計算模型的示意圖。
圖2是現有的一種梁一彈簧非連續模型的示意圖。
圖3是本發明中的連續一非均勻剛度計算模型的示意圖。
圖4是本發明連續一非均勻剛度計算模型中接頭區域的等效模型示意圖。
圖5是本發明計算方法的流程圖。
具體實施例方式
本發明的盾構隧道襯砌結構計算方法采用了一種全新的連續結構模型，如圖3所示，在這 種計算模型中，襯砌管片環的剛度為非均勻分布，由于接頭的影響，在接頭附近一定范圍內 剛度較管片主體部分降低；假定接頭部位剛度降低的區域的中心弧長為管片厚度的2倍，即 將管片接縫兩側各1倍管片厚度的小段區域內的剛度等效為均勻分布的，該區域的彎矩等于
接頭處的彎矩；而該接頭區域的剛度;/'五/ (7'^1，為接頭區域等效剛度系數)根據彎矩作用
下區域兩端的截面轉角相等求出，其余區域的剛度仍為^7。
圖4給出了接頭區域剛度等效的具體情況，依據上述假定內容，可以求得剛度降低區域 的剛度。由等效前后截面A' -A'對B' -B'在彎矩的作用下的轉角相同，可得<formula>formula see original document page 6</formula>
從而 (2)
式中M—接頭處的彎矩；力一管片厚度；^一接頭張角；< 一/號接頭的等效抗彎剛度；f
為管片材料的彈性模量；/為管片截面慣性矩。
如圖5所示，本發明的計算方法，包括以下步驟
(1).荷載計算按照常用的荷載結構法中隧道荷載的確定方法計算襯砌結構承受的水土壓
力、自重等荷載和作用，其中和隧道變形相關的地層抗力荷載可以先按照慣用法或修正慣用 法的情況確定；
(2) .結構內力的初步計算采用慣用法或修正慣用法初步計算結構的內力，為接頭區域等 效剛度的計算和結構連續一非均勻剛度模型的確定提供依據；
(3) .接頭計算根據計算出的內力，按照目前常用的計算方法確定接頭的張角e，代入公
式(2)中，計算出接頭區域等效剛度系數"',；
(4) .根據計算出的變形確定結構的地層抗力荷載；
(5) .確定盾構隧道襯砌的連續一非均勻剛度模型分別計算出各接頭區域的等效剛度 W五/，以及其它區域的剛度五/;
(6) .將步驟(4)中的地層抗力荷載及步驟(1)中的其它荷載作用在步驟(5)所確定的連續一非均
勻剛度結構模型上，計算結構的內力和變形；
(7) .根據步驟(6)計算出的變形重新計算地層抗力荷載，并與步驟(4)的結果比較，若相差較 大，則回到步驟(4)進行迭代計算；若相差不大，則進入下一步；
(8) .根據步驟(6)計算出的接頭處的內力，重新計算各接頭的接頭區域等效剛度，若相差較 大，則回到步驟(3)進行迭代計算；若相差不大，則給出最終的內力、變形計算結果。
權利要求
1.一種盾構隧道襯砌連續一非均勻剛度模型結構計算方法，其特征是包括以下步驟 (1).荷載計算按照常用的荷載結構法中隧道荷載的確定方法計算襯砌結構承受的水土壓力、自重等荷載和作用，其中和隧道變形相關的地層抗力荷載可以先按照慣用法或修正慣用法的情況確定； (2).結構內力的初步計算采用慣用法或修正慣用法初步計算結構的內力，為接頭區域等效剛度的計算和結構連續—非均勻剛度模型的確定提供依據； (3).接頭計算根據計算出的內力，按照目前常用的計算方法確定接頭的張角θ，根據公式　計算出接頭區域等效剛度系數η′i，式中M為接頭處的彎矩，h為管片厚度，E為管片材料的彈性模量；I為管片截面慣性矩； (4).根據計算出的變形確定結構的地層抗力荷載； (5).確定盾構隧道襯砌的連續—非均勻剛度模型設定襯砌為連續結構，設定接頭區域的中心弧長度為2h，且其等效剛度為η′iEI，其它區域的剛度為EI； (6).將步驟(4)中的地層抗力荷載及步驟(1)中的其它荷載作用在步驟(5)所確定的連續—非均勻剛度結構模型上，計算結構的內力和變形； (7).根據步驟(6)計算出的變形重新計算地層抗力荷載，并與步驟(4)的結果比較，若相差較大，則回到步驟(4)進行迭代計算；若相差不大，則進入下一步； (8).根據步驟(6)計算出的接頭處的內力，重新計算各接頭的接頭區域等效剛度，若與上次計算結果相比相差較大，則回到步驟(3)進行迭代計算；若相差不大，則給出最終的內力、變形計算結果。
全文摘要
本發明公開了一種盾構隧道襯砌連續-非均勻剛度模型結構計算方法，包括以下步驟首先按照常規方法進行荷載計算，初步計算結構內力，接著計算出接頭區域等效剛度系數，根據計算出的變形確定結構的地層抗力荷載；并確定盾構隧道襯砌的連續-非均勻剛度模型，將地層抗力荷載及其它荷載作用在所確定的連續-非均勻剛度結構模型上，計算結構的內力和變形；然后根據計算出的變形迭代計算地層抗力荷載，直至前后兩次的結果足夠接近；接下來根據接頭處的內力，迭代計算各接頭區域的等效剛度，直至前后兩次的結果足夠接近，最終輸出內力、變形計算結果。本發明采用的計算模型更接近真實，因此計算結果更加準確。
文檔編號G06F17/50GK101364241SQ20071004466
公開日2009年2月11日 申請日期2007年8月8日 優先權日2007年8月8日
發明者劉豐軍, 廖少明, 朱合華, 閆治國 申請人:同濟大學