摘要：盾構(gòu)管片的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法有多種，本文針對(duì)修正慣用法和彈性地基梁的基本原理和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比和分析。

關(guān)鍵詞：管片設(shè)計(jì) 修正慣用法 彈性地基梁 比較

0 引言

盾構(gòu)技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使其在地鐵建設(shè)和越江隧道方面得到了廣泛的運(yùn)用。關(guān)于盾構(gòu)管片的設(shè)計(jì)還沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法，很多時(shí)候是用經(jīng)驗(yàn)類的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。無(wú)論在結(jié)構(gòu)荷載或者在模型建立方面都還沒(méi)有形成系統(tǒng)的理論和方法。為了更好的認(rèn)識(shí)修正慣用法和彈性地基梁法，本文以獅子洋襯砌設(shè)計(jì)為背景，用上述兩種方法進(jìn)行原理及內(nèi)力計(jì)算方面的對(duì)比和分析。

1 修正慣用法

針對(duì)慣用法沒(méi)有解決接頭對(duì)圓環(huán)對(duì)抗彎剛度的影響。引入η-ξ對(duì)錯(cuò)縫拼裝的襯砌進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，即為修正慣用法。此法按均質(zhì)圓環(huán)計(jì)算，但考慮環(huán)向接頭的存在，圓環(huán)整體的彎曲剛度降低，取圓環(huán)的抗彎剛度為ηEI。考慮錯(cuò)縫拼裝對(duì)整體補(bǔ)強(qiáng)效果，進(jìn)行彎矩重分配。將計(jì)算出的彎矩增大即(l+ξ)M，得到管片處的彎矩；將求出的彎矩減少即(1-ξ)M，得到接頭處的彎矩。其中η稱為彎曲剛度有效率，ξ稱為彎矩增加率。它為傳遞給鄰環(huán)的彎矩與計(jì)算彎矩之比。管片接頭由于存在一些鉸的作用，所以可以認(rèn)為彎矩并不是全部經(jīng)由管片接頭傳遞，其一部分是利用環(huán)接頭的剪切阻力傳遞給錯(cuò)縫拼裝起來(lái)的鄰接管片，參見(jiàn)圖1。

2 彈性地基圓環(huán)法

彈性地基圓環(huán)法是在自由變形圓環(huán)法的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，這種方法充分考慮了周圍地層的強(qiáng)度和剛度。周圍地層的作用可分為兩種:全周彈簧和局部彈簧，全周彈簧模型在360°范圍內(nèi)地層以抗壓或抗拉彈簧模式和管片相互作用，局部彈簧模型在拱頂90°范圍內(nèi)沒(méi)有彈簧作用，這種模型充分考慮了圓形隧道的起拱作用。彈性地基圓環(huán)法將管片看作為一個(gè)整體，假定管片環(huán)是彎曲剛度均勻的環(huán)，不考慮管片接頭部分的彎曲剛度下降，管片主截面模擬成圓弧梁。

3 計(jì)算斷面的選取

襯砌橫斷面的設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)按下列控制斷面進(jìn)行：①上覆地層厚度最大的橫斷面；上覆地層厚度最小的橫斷面；②地下水位最低的橫斷面；地下水位最高的橫斷面；③地面超載最大的橫斷面；有偏壓的橫斷面；④地表有突變的橫斷面；附近現(xiàn)有或?qū)?lái)擬建新隧道的橫斷面；根據(jù)《珠江獅子洋隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告》選擇了四個(gè)斷面，分別為：地下水位最低、最高的橫斷面；上覆地層厚度最大、最小的橫斷面。

4 建立計(jì)算模型

4.1 基于彈性地基梁的ANSYS模型 綜合考慮計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算量，將圓周劃分為90個(gè)單元，在ANSYS中用Beam3模擬。地基彈簧用LINK10模擬，并將其性質(zhì)設(shè)為只受壓（KEYOPT，2，3，1），地基彈簧的剛度k=EA，E表示混凝土的彈性模量（對(duì)于C60，E=3.6×1010Pa），A表示每個(gè)梁段所對(duì)應(yīng)的沿隧道縱向單位長(zhǎng)度的土柱截面面積，即A=1×L。

4.2 修正慣用法模型 在修正慣用法中，為了使兩種模型能夠?qū)Ρ龋∶?o劃分一個(gè)單元。由于結(jié)構(gòu)和外荷載對(duì)稱，則彎矩和軸力呈對(duì)稱分布，剪力為反對(duì)成分布，為減少工作量，在修正慣用法中只計(jì)算0～180O 。

5 截面內(nèi)力計(jì)算

情況一：埋深最小斷面內(nèi)力結(jié)果和水位最高斷面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果分布形式相似；情況二：埋深最大斷面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果和水位最低斷面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果相似。

6 計(jì)算結(jié)果分析及結(jié)論：

6.1 對(duì)于同樣的截面，修正慣用法和ANSYS結(jié)果的彎矩、軸力、剪力之間的關(guān)系為：

1

對(duì)于混凝土而言抗拉性能很差，抗壓性能較好，而鋼筋抗拉壓性能幾乎一樣，故采用彎矩較大，而對(duì)應(yīng)軸力較小的修正慣用法分析結(jié)果來(lái)進(jìn)行配筋計(jì)算相對(duì)保守。

6.2 對(duì)于圍巖性質(zhì)一般的地層來(lái)說(shuō)，兩種受力模型結(jié)算結(jié)果比較吻合，但修正慣用法分析結(jié)果還是比ANSYS的結(jié)果稍大。

6.3 ANSYS計(jì)算模型證明，地基的側(cè)向力分布會(huì)因地層性質(zhì)而異，抗力的分布范圍與傳統(tǒng)的均質(zhì)圓環(huán)解析法中的范圍（45°～135°）不一致，還說(shuō)明了拱頂脫空區(qū)隨圍巖性質(zhì)變好而變小。

6.4 無(wú)論地層性質(zhì)怎樣，側(cè)向地基抗力對(duì)垂直土壓力所產(chǎn)生的彎矩和剪力都起到抵消作用，對(duì)軸力而言起增大作用，而軸力的增大以環(huán)頂和環(huán)底最為明顯。地層性質(zhì)越好這種抵消作用和增大作用越明顯，總之是有利的。但是

當(dāng)?shù)貙有再|(zhì)好到一定程度時(shí)，水平直徑處砌內(nèi)側(cè)受拉，如本設(shè)計(jì)中的水位最低和埋深最大斷面。

參考文獻(xiàn)：

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。