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        盾構(gòu)設(shè)備不同拼裝方式下的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究

        2020-12-22 08:46:26
        設(shè)備管理與維修 2020年22期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

        韓 崗

        (中鐵十九局集團(tuán)第五工程有限公司,遼寧大連 116100)

        0 引言

        在盾構(gòu)工程中,盾構(gòu)管片不同拼裝方式對(duì)盾構(gòu)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為具有顯著影響。對(duì)此,基于有限元計(jì)算軟件ANSYS 建立盾構(gòu)管片不同拼裝方式下的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,分別計(jì)算通縫拼裝與錯(cuò)縫拼裝兩種拼裝方式下,盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)縱向軸力及彎矩、環(huán)向軸力及彎矩、盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)豎向及水平位移等物理量,獲得不同工況下的各參數(shù)分布規(guī)律。

        1 數(shù)值計(jì)算模型

        1.1 數(shù)值計(jì)算模型構(gòu)建

        盾構(gòu)模型的數(shù)值計(jì)算采用ANSYS 有限元分析軟件,用solid45 單元模擬地層,用shell63 單元模擬管片結(jié)構(gòu),用combine14單元模擬管片接頭,用CONTA173 和TARGET170 模擬地層-管片接觸單元。

        管片結(jié)構(gòu)的外形尺寸根據(jù)依托工程選取,管片外徑6.2 m,管片共6 分塊,封頂塊18°,兩個(gè)鄰接塊均為64°,3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊分別為65°、84°和65°,管片結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

        盾構(gòu)管片計(jì)算模型如圖2 所示,模型左右邊界為距離管片4.5 倍外徑(28 m),下邊界距離管片3.5 倍外徑(22 m),沿盾構(gòu)隧道縱向取5 環(huán)管片進(jìn)行計(jì)算,管片寬度1 m,計(jì)算模型總長(zhǎng)56 m,寬6 m,高38 m。

        1.2 數(shù)值計(jì)算工況

        計(jì)算兩種拼裝方式下盾構(gòu)隧道管片的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能,分別為通縫拼裝與錯(cuò)縫拼裝兩種工況。通縫拼裝方式計(jì)算不同封頂塊位置對(duì)管片結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響(表1);錯(cuò)縫拼裝方式計(jì)算相鄰兩環(huán)管片之間的錯(cuò)縫角度對(duì)管片結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響(表2)。

        2 通縫拼裝下管片結(jié)構(gòu)力學(xué)行為

        2.1 環(huán)向軸力、彎矩計(jì)算結(jié)果

        圖1 管片結(jié)構(gòu)

        通縫拼裝不同工況下的環(huán)向軸力、環(huán)向彎矩計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4(工況1)所示。計(jì)算結(jié)果顯示,封頂塊位置不同時(shí),管片結(jié)構(gòu)環(huán)向軸力及彎矩分布規(guī)律有相同點(diǎn)也有不同點(diǎn)。相同點(diǎn)是拱頂和拱腰處的環(huán)向軸力及彎矩均相對(duì)較大;不同點(diǎn)是當(dāng)封頂塊位置不同時(shí),管片接縫處沿環(huán)向軸力及彎矩的分布存在一定的區(qū)別。

        2.2 縱向軸力、彎矩計(jì)算結(jié)果

        通縫拼裝不同工況下的縱向軸力、縱向彎矩計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6(工況1)所示。計(jì)算結(jié)果顯示,封頂塊位置的移動(dòng)對(duì)縱向軸力、縱向彎矩分布規(guī)律均影響不大,但是對(duì)具體數(shù)值存在影響。

        圖2 盾構(gòu)管片計(jì)算模型

        表1 通縫拼裝下的數(shù)值計(jì)算工況

        表2 錯(cuò)縫拼裝下的數(shù)值計(jì)算工況

        2.3 水平、豎向位移計(jì)算結(jié)果

        通縫拼裝不同工況下的水平位移、豎向位移計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8(工況1)所示。計(jì)算結(jié)果顯示,封頂塊位置的移動(dòng)對(duì)于管片結(jié)構(gòu)水平位移、豎向位移分布規(guī)律影響不大,管片結(jié)構(gòu)的豎向變形主要為隨著地層變形而產(chǎn)生的變形,其本身的豎向相對(duì)變形很小。

        圖3 管片結(jié)構(gòu)環(huán)向軸力(工況1)

        圖4 管片結(jié)構(gòu)環(huán)向彎矩(工況1)

        圖5 管片結(jié)構(gòu)縱向軸力(工況1)

        圖6 管片結(jié)構(gòu)縱向彎矩(工況1)

        圖7 管片結(jié)構(gòu)水平位移(工況1)

        圖8 管片豎向位移(工況1)

        3 錯(cuò)縫拼裝下管片結(jié)構(gòu)力學(xué)行為

        3.1 環(huán)向軸力、彎矩計(jì)算結(jié)果

        錯(cuò)縫拼裝不同工況下的環(huán)向軸力、環(huán)向彎矩計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10(工況1)所示,計(jì)算結(jié)果顯示,錯(cuò)縫拼裝下的管片環(huán)向軸力分布與環(huán)向彎矩分布相比通縫拼裝工況更為復(fù)雜,由于兩個(gè)相鄰管片的接頭不連續(xù),造成了環(huán)向軸力、環(huán)向彎矩空間分布的波動(dòng)性。錯(cuò)縫角度變化對(duì)環(huán)向軸力及環(huán)向彎矩的空間分布規(guī)律整體影響不明顯,在拱頂和拱腰位置,隧道管片結(jié)構(gòu)的環(huán)向軸力均比較大。不同錯(cuò)縫角度僅對(duì)隧道管片結(jié)構(gòu)環(huán)向軸力及環(huán)向彎矩的數(shù)值產(chǎn)生影響。

        圖9 管片結(jié)構(gòu)環(huán)向軸力(工況1)

        圖10 管片結(jié)構(gòu)環(huán)向彎矩(工況1)

        3.2 縱向軸力、彎矩計(jì)算結(jié)果

        錯(cuò)縫拼裝不同工況下的縱向軸力、縱向彎矩計(jì)算結(jié)果如圖11、圖12(工況1)所示。計(jì)算結(jié)果顯示,隧道盾構(gòu)結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)接縫處的縱向軸力及縱向彎矩較大,沿縱向的軸力及彎矩在數(shù)值大小上差異不明顯,這是由隧道結(jié)構(gòu)的整體狀態(tài)和地層狀態(tài)相關(guān)。

        圖11 管片結(jié)構(gòu)縱向軸力(工況1)

        圖12 管片結(jié)構(gòu)縱向彎矩(工況1)

        3.3 水平、豎向位移計(jì)算結(jié)果

        錯(cuò)縫拼裝不同工況下的水平位移、豎向位移計(jì)算結(jié)果如圖13、圖14(工況1)所示。計(jì)算結(jié)果顯示,在盾構(gòu)管片錯(cuò)縫角度不同時(shí),管片水平位移與豎向位移的空間分布規(guī)律具有很好的相似性,錯(cuò)縫角度的變化對(duì)水平位移及豎向位移的空間分布影響不顯著,盾構(gòu)管片的豎向位移在21~23 mm 波動(dòng)。管片結(jié)構(gòu)的豎向變形主要為隨著地層變形而產(chǎn)生的變形,其本身的豎向相對(duì)變形較小。

        圖13 管片結(jié)構(gòu)水平位移(工況1)

        圖14 管片結(jié)構(gòu)豎向位移(工況1)

        4 結(jié)論

        (1)封頂塊位置的移動(dòng)對(duì)縱向軸力、縱向彎矩分布規(guī)律均影響不大,但對(duì)具體數(shù)值有影響。縱向最大壓應(yīng)力變化范圍44~120 kN,最大拉應(yīng)力30~86 kN,縱向最大正彎矩4~5 kN·m,縱向最大負(fù)彎矩-4.3~-2 kN·m。

        (2)錯(cuò)縫角度變化對(duì)環(huán)向軸力及環(huán)向彎矩的空間分布規(guī)律整體影響不明顯,在拱頂和拱腰位置,隧道管片結(jié)構(gòu)的環(huán)向軸力均比較大,不同錯(cuò)縫角度僅僅對(duì)隧道管片結(jié)構(gòu)環(huán)向軸力及環(huán)向彎矩的數(shù)值有影響。

        (3)盾構(gòu)管片錯(cuò)縫角度不同時(shí),管片水平位移與豎向位移的空間分布規(guī)律具有很好的相似性,錯(cuò)縫角度的變化對(duì)水平位移及豎向位移的空間分布影響不顯著。

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