管片接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的一般變化規(guī)律

管片接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的一般變化規(guī)律

1接頭力學(xué)模型的建立在軟土層中，隧道的形狀是由幾個(gè)預(yù)制管制成的。管道之間可以制作不同形狀的連接，并通過(guò)螺釘連接。圖1所示是上海地鐵2#線(xiàn)所用管片的縱向接頭形式。工程經(jīng)驗(yàn)表明，管片接頭(以下簡(jiǎn)稱(chēng)接頭)的剪切剛度和軸向剛度對(duì)于結(jié)構(gòu)受力的影響很小，在計(jì)算中通常忽略，而接頭的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度Kè卻對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的受力性狀的影響極為敏感，因此，Kè一直是工程界備受關(guān)注及爭(zhēng)論的焦點(diǎn)問(wèn)題。考慮盾構(gòu)法隧道接頭影響的計(jì)算模型中，對(duì)于接頭的處理，較早是采用襯砌結(jié)構(gòu)剛度均勻分布的連接襯砌環(huán)梁?jiǎn)卧Ｐ?，即通常所說(shuō)的慣用設(shè)計(jì)法。目前，普遍采用梁-彈簧模型來(lái)模擬其力學(xué)性態(tài)。但是梁-彈簧模型不能直接和精確地得到接頭的內(nèi)力和張開(kāi)位移。鑒于此，近來(lái)同濟(jì)大學(xué)朱合華教授提出了梁-接頭模型?？紤]了接頭的非對(duì)稱(chēng)特征以及受力的非線(xiàn)性特征，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的表達(dá)式，但表達(dá)式中的一些參數(shù)仍需進(jìn)行針對(duì)性實(shí)驗(yàn)。對(duì)此，人們做過(guò)模型實(shí)驗(yàn)和足尺實(shí)驗(yàn)以探求Kè的取值問(wèn)題。文通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為轉(zhuǎn)角è與接頭彎矩之間不呈線(xiàn)形關(guān)系，建議實(shí)際工程中接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的取值范圍為1000～10000kN·m/rad。盡管人們可以采取實(shí)驗(yàn)的方法，但由于不可能模擬各種管片厚度以及接頭的構(gòu)造形式，加之實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等原因，因此，從理論上先行對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行探討是很有必要的。文將接頭簡(jiǎn)化為一對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)模型，從理論上探討了Kè的變化，但這一模型并不能真實(shí)反映圖1所示接頭的非對(duì)稱(chēng)構(gòu)造形式，且不能模擬接頭外緣混凝土接觸而導(dǎo)致擠壓破壞的情形。文基于以上考慮，針對(duì)圖1接頭形式建立了圖2所示的接頭力學(xué)模型。圖中C0,C1,C2,Bolt分別代表接頭外緣混凝土、彈性密封墊、受力襯墊以及聯(lián)結(jié)螺栓。該模型除了能夠模擬接頭的構(gòu)造形式之外，還能夠反映接頭在任一組合力(接頭彎矩、軸力、聯(lián)結(jié)螺栓預(yù)應(yīng)力)下的受力及變形性狀。2接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度根據(jù)圖2力學(xué)模型編寫(xiě)程序進(jìn)行分析，計(jì)算參數(shù)采用目前上海地鐵隧道管片及其接頭的相關(guān)參數(shù)。計(jì)算中將聯(lián)結(jié)螺栓預(yù)應(yīng)力以及接頭作用軸力1次施加完畢，而對(duì)彎矩則采用增量法施加。根據(jù)接頭作用的軸力以及聯(lián)結(jié)螺栓預(yù)應(yīng)力，采用靜力平衡法求出彈性密封墊以及受力襯墊上的作用力，再根據(jù)襯墊材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系求出當(dāng)前力作用下彈性密封墊以及受力襯墊的彈性模量值，并將其作為在隨后施加增量彎矩計(jì)算接頭變形時(shí)的初始值，參與迭代計(jì)算過(guò)程。取聯(lián)結(jié)螺栓預(yù)應(yīng)力為20,60,100kN，接頭作用軸力為500kN，接頭作用彎矩為-100～+100kN·m時(shí)的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。通過(guò)圖示可以直觀地看出，在相同作用軸力及聯(lián)結(jié)螺栓預(yù)應(yīng)力的條件下，接頭負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度要比同等條件下正彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度要低。隨接頭彎矩絕對(duì)值的增大，接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度降低，且趨于穩(wěn)定。接頭作用軸力及聯(lián)結(jié)螺栓預(yù)應(yīng)力對(duì)接頭的轉(zhuǎn)角都有一定的抑制作用，二者都會(huì)使接頭的正、負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度值增加，當(dāng)彎矩增加到相當(dāng)大值后，由于聯(lián)結(jié)螺栓本身的應(yīng)變也已經(jīng)較大，它對(duì)接頭轉(zhuǎn)角的抑制作用與彎矩對(duì)轉(zhuǎn)角擴(kuò)展作用相比已微不足道了，但應(yīng)當(dāng)關(guān)注接頭軸力對(duì)接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的影響。表1中列出了在幾種荷載工況下接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度計(jì)算值。從表1中可以看出，負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與正彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度之比為0.3～0.45，正、負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度取值分別為2200～5500kN·m/rad及560～2500kN·m/rad，接頭軸力為200kN時(shí)取下限值，接頭軸力為900kN時(shí)取上限值。另外，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著接頭軸力的變化，正彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度均呈線(xiàn)性變化。因此，當(dāng)接頭作用軸力為200～900kN時(shí)，可以通過(guò)線(xiàn)性插值法來(lái)得出正、負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。3由于導(dǎo)管厚度和連接螺釘位置的變化，影響閉合旋轉(zhuǎn)可靠性的因素3.1管片厚度對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的影響在給定了地鐵隧道埋深后，管片的合理厚度應(yīng)當(dāng)考慮地層特性、水土壓力、管片厚度與接頭受力及防水性能的相互關(guān)系等。其中，管片厚度與接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的關(guān)系是一個(gè)重要問(wèn)題，可通過(guò)掌握管片厚度變化后在相同接頭作用力下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的變化規(guī)律來(lái)了解接頭的力學(xué)及防水性能的變化?，F(xiàn)以上海地鐵現(xiàn)行設(shè)計(jì)350mm厚管片的構(gòu)造形式為基礎(chǔ)，按比例將管片厚度減薄，通過(guò)本文建立的模型及相應(yīng)的程序計(jì)算分析管片厚度變化會(huì)對(duì)接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的影響。以350mm厚管片的正彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為參照，則管片厚度減薄后的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度降低百分比經(jīng)計(jì)算如圖4所示。從圖中可以看出4種工況下管片厚度與接頭正彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度降低百分比的關(guān)系。在接頭承受負(fù)彎矩時(shí)，經(jīng)計(jì)算可以看出，當(dāng)管片厚度由350mm降至320mm時(shí)，接頭負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度由1366.8kN·m/rad下降至1064.3kN·m/rad，降低了22%；對(duì)比之下，相應(yīng)正彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度由3619kN·m/rad下降至2936.6kN·m/rad，降低了18.9%。由此可見(jiàn)，管片厚度的減小對(duì)于負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的影響更大一些。由此可以推斷，管片厚度的降低將使得正、負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度之差值更大，這對(duì)于接頭的力學(xué)及防水性能是不利的。3.2串聯(lián)螺栓位置的影響減小管片厚度帶來(lái)的正、負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度值差距拉大的主要原因是，在接頭的構(gòu)造上，聯(lián)結(jié)螺栓處在一種偏心位置。這種偏心越大，聯(lián)結(jié)螺栓作用力臂越短，則負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度越小，因此，可以考慮適當(dāng)將聯(lián)結(jié)螺栓位置向管片厚度中心靠近一些，通過(guò)增大接頭負(fù)彎矩作用時(shí)的力臂以增大負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，從而減小正、負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度值之差距。在此以原設(shè)計(jì)管片厚度350mm、聯(lián)結(jié)螺栓距離接頭厚度中心55mm為基礎(chǔ)，將聯(lián)結(jié)螺栓與管片中心的距離減小為50,45,40,35,30mm等幾種情況來(lái)研究聯(lián)結(jié)螺栓位置變化對(duì)接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度影響的程度。正彎矩下聯(lián)結(jié)螺栓位置變化對(duì)接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的影響如圖5(a)所示。隨著聯(lián)結(jié)螺栓與接頭中心的距離越近，正彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度隨彎矩變化的速率越快，非線(xiàn)性衰減規(guī)律越明顯。由于變化速率的不同，在接頭正彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與聯(lián)結(jié)螺栓位置變化的關(guān)系上存在一彎矩下轉(zhuǎn)折點(diǎn)(圖5(a)中為46kN·m)，這就使得正彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度依接頭承受力的不同而變化復(fù)雜。接頭正彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度隨螺栓位置的變化規(guī)律依賴(lài)于接頭所承受的荷載水平。圖5(b)為接頭作用與圖5(a)相同的聯(lián)結(jié)螺栓預(yù)應(yīng)力及軸力時(shí)不同的螺栓位置下接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度隨負(fù)彎矩的變化情形。從圖中可以看出，當(dāng)聯(lián)結(jié)螺栓的位置距離接頭中心越近，則負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度隨著彎矩變化而降低的速率越小，這一點(diǎn)與正彎矩作用時(shí)是完全相反的。由于變化速率的不同，負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與聯(lián)結(jié)螺栓位置的關(guān)系上也同樣存在一個(gè)彎矩轉(zhuǎn)折點(diǎn)。由于彎矩轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在負(fù)彎矩絕對(duì)值相對(duì)較小的情況下，而實(shí)際工程接頭設(shè)計(jì)的彎矩值要比該值大，一般情況下總會(huì)表現(xiàn)為聯(lián)結(jié)螺栓距離接頭中心越近，負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度越大的情況。例如，當(dāng)管片厚度為350mm，接頭作用軸力為500kN、聯(lián)結(jié)螺栓預(yù)應(yīng)力為60kN時(shí)，相關(guān)計(jì)算值列于表2。從表2提供的數(shù)值可以看出，隨著聯(lián)結(jié)螺栓位置向接頭中心的推進(jìn)，負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與正彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度之比值在逐漸增大。這說(shuō)明二者之間的差值在縮小，這對(duì)于改善接頭在承受負(fù)彎矩這一不利工況時(shí)的性能是有利的。4串聯(lián)螺栓對(duì)接頭振動(dòng)的影響通過(guò)以上計(jì)算分析，可以得出以下結(jié)論：(1)對(duì)于給定的管片厚度以及接頭構(gòu)造，接頭的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度值是接頭作用力水平的函數(shù)。接頭作用軸力及聯(lián)結(jié)螺栓預(yù)應(yīng)力對(duì)接頭的轉(zhuǎn)角都有一定的抑制作用，二者都使得接頭的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度值增大，但聯(lián)結(jié)螺栓的影響程度明顯低于增加接頭作用軸力時(shí)的情形。(2)負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與正彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度之比值為0.3～0.45。正彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度取值為2200～5500kN·m/rad，負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)動(dòng)剛度取值為500～2500kN·m/rad。(3)管片厚度的減小將導(dǎo)致接頭正、負(fù)彎矩下轉(zhuǎn)