一種沉管隧道接頭剪力鍵剪力的剛度影響線分析方法
【專利摘要】一種沉管隧道接頭剪力鍵剪力的剛度影響線分析方法：1）構(gòu)建沉管隧道縱向模型；2）計(jì)算任意彈簧的沉降δ及豎向剛度k；3）計(jì)算全長(zhǎng)范圍內(nèi)n個(gè)彈簧的平均剛度及剛度變化比例αi，繪制剛度變化分布圖；4）整體升溫工況下用無(wú)限長(zhǎng)彈性地基梁模型代替沉管縱向模型。5）將q均布荷載下某一微段[-X0,X0]內(nèi)剛度支撐由變?yōu)閗2的無(wú)限長(zhǎng)彈性地基梁模型，等效為集中力q1作用下平均剛度支撐的無(wú)限長(zhǎng)梁模型。6）利用公式求得集中力q1與q的關(guān)系。7）利用q1求解任意截面位置的剪力數(shù)值。8）繪制所考察接頭位置處剪力鍵剪力的剛度影響線。利用剛度影響線與地基剛度變化分布圖相乘，得到地基剛度變化所引起的接頭剪力鍵剪力數(shù)值。
【專利說(shuō)明】一種沉管隧道接頭剪力鍵剪力的剛度影響線分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于沉管隧道設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種沉管隧道接頭剪力鍵剪力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，特別是一種利用剛度影響線求解地基剛度變化引起的沉管隧道接頭剪力鍵剪力的分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]沉管隧道的受力是上覆荷載、沉管結(jié)構(gòu)、接頭及基礎(chǔ)土層共同作用的高次超靜定問(wèn)題。根據(jù)縱向結(jié)構(gòu)體系組成的不同，沉管隧道可分為兩類，一類是整體式管節(jié)沉管隧道，一類是節(jié)段式管節(jié)沉管隧道。整體式管節(jié)沉管隧道縱向由若干個(gè)管節(jié)及相鄰管節(jié)之間的管節(jié)接頭組成。管節(jié)接頭包括周圈起止水作用的GINA止水帶及若干傳遞豎向及水平向剪力的剪力鍵組成。節(jié)段式管節(jié)是在整體式管節(jié)的基礎(chǔ)上，每個(gè)管節(jié)又由若干個(gè)節(jié)段組成，相鄰節(jié)段間的接頭稱為節(jié)段接頭，節(jié)段接頭包括周圈OMEGA止水帶、可注漿止水帶及若干傳遞豎向及水平向剪力的剪力鍵組成(請(qǐng)參閱圖1)。
[0003]在上覆荷載作用下，由于沉管底部基礎(chǔ)層的壓縮，沉管隧道將會(huì)產(chǎn)生變形。如果上覆荷載均勻，管底土層分布及基礎(chǔ)處理也是均勻的，那么整個(gè)沉管隧道縱向?qū)?huì)均勻變形，在這種情況下不管是管節(jié)接頭還是節(jié)段接頭均不會(huì)發(fā)生差異變形的趨勢(shì)，因此接頭不會(huì)產(chǎn)生剪力。
[0004]而實(shí)際工程中，由于管底土層縱向分布不均勻、基礎(chǔ)處理縱向也很難保持一致，隧道基礎(chǔ)施工或多或少存在施工誤差，因此沉管隧道將會(huì)支撐在不均勻的地基剛度上，接頭兩側(cè)差異變形的趨勢(shì)將使接頭出現(xiàn)剪力。大量計(jì)算分析表明，在靜力荷載作用下沉管隧道接頭剪力鍵的剪力，主要是由地基剛度的變化引起的。
[0005]以往對(duì)地基剛度變化引起的沉管隧道接頭剪力鍵剪力的分析，多采用數(shù)值計(jì)算來(lái)進(jìn)行。通過(guò)不同的彈簧分別模擬地基剛度、接頭GINA剛度、接頭剪力鍵的連接剛度，建立沉管隧道縱向結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，采用SAP2000或ANSYS等大型有限元軟件進(jìn)行計(jì)算。這種方法，建模過(guò)程復(fù)雜，參數(shù)眾多，計(jì)算周期較長(zhǎng)。
[0006]沉管隧道縱向模型的大量計(jì)算表明，剪力鍵剪力的最不利受力狀態(tài)，出現(xiàn)在隧道整體升溫工況。在整體升溫工況時(shí)，GINA、OMEGA等接頭止水構(gòu)造均于壓緊狀態(tài)，沉管隧道縱向受力模型接近二階連續(xù)彈性地基梁模型，使得利用常規(guī)彈性地基梁理論分析沉管隧道接頭剪力的計(jì)算成為可能。目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)專利中，尚未見到有關(guān)求解地基剛度變化引起的沉管隧道接頭剪力鍵剪力的簡(jiǎn)化分析方法的報(bào)道。
[0007]此外，影響線作為土木工程中分析移動(dòng)荷載作用下某一特定截面內(nèi)力或位移的分析方法，在橋梁工程、鐵路工程中得到廣泛應(yīng)用。具體繪制方法是通過(guò)單位力沿結(jié)構(gòu)跨長(zhǎng)移動(dòng)，將移動(dòng)過(guò)程中某一考察截面的截面內(nèi)力、位移或支座反力等數(shù)值，繪制在荷載作用點(diǎn)的位置，從而形成一條沿結(jié)構(gòu)跨長(zhǎng)的曲線，稱為影響線。由于移動(dòng)的是單位力，因此也稱為荷載影響線。目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)專利中，尚未見到有關(guān)剛度影響線的文獻(xiàn)報(bào)道。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種沉管隧道接頭剪力鍵剪力的剛度影響線分析方法，以解決沉管隧道接頭剪力鍵剪力的簡(jiǎn)化計(jì)算，方便剪力鍵設(shè)計(jì)，快速判斷基礎(chǔ)方案可行性等問(wèn)題。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的沉管隧道接頭剪力鍵剪力的剛度影響線分析方法，包括如下步驟:
[0010]I)構(gòu)建沉管隧道縱向計(jì)算模型，該模型包括模擬隧道結(jié)構(gòu)的梁?jiǎn)卧?、模擬隧道接頭剪力鍵的接頭單元、縱向每隔單位長(zhǎng)度設(shè)置的模擬地基支撐作用的彈簧以及作用在隧道上的荷載；
[0011]2)計(jì)算沉管隧道任意彈簧位置在基底均布荷載P作用下的基底平均沉降δ，得到縱向單位長(zhǎng)度彈簧的豎向剛度k ；
[0012]3)計(jì)算隧道全長(zhǎng)范圍內(nèi)η個(gè)彈簧的平均剛度?,以及地基剛度變化比例a i，根據(jù)ai的分布繪制地基剛度變化模式圖；
[0013]4)當(dāng)所有彈簧剛度均取|時(shí)，整個(gè)隧道將均勻下沉，均勻沉降忑= ?/#，此時(shí)任意截面位置均不產(chǎn)生剪力；
[0014]5)改變某一微段長(zhǎng)度[-X。，X0]區(qū)間內(nèi)的剛度，將[-X。，X0]區(qū)間內(nèi)彈簧剛度取k2、其余區(qū)間彈簧剛度取?、全長(zhǎng)q均布荷載作用下的彈性地基梁模型定義為A模型；將全長(zhǎng)范圍彈簧剛度均取I,僅在[_X，X]區(qū)間作用均布荷載Q1的彈性地基梁模型定義為B模型；
[0015]6)當(dāng)X。一 O時(shí)，
【權(quán)利要求】
1.一種沉管隧道接頭剪力鍵剪力的剛度影響線分析方法，包括如下步驟: 1)構(gòu)建沉管隧道縱向計(jì)算模型，該模型包括模擬隧道結(jié)構(gòu)的梁?jiǎn)卧?、模擬隧道接頭剪力鍵的接頭單元、縱向每隔單位長(zhǎng)度設(shè)置的模擬地基支撐作用的彈簧以及作用在隧道上的荷載； 2)計(jì)算沉管隧道任意彈簧位置在基底均布荷載P作用下的基底平均沉降δ，得到縱向單位長(zhǎng)度彈簧的豎向剛度k ； 3)計(jì)算隧道全長(zhǎng)范圍內(nèi)η個(gè)彈簧的平均剛度?,以及地基剛度變化比例Cii，根據(jù)Cii的分布繪制地基剛度變化模式圖； 4)當(dāng)所有彈簧剛度均取i時(shí)，整個(gè)隧道將均勻下沉，均勻沉降3= /1，此時(shí)任意截面位置均不產(chǎn)生剪力； 5)改變某一微段長(zhǎng)度[-Xtl,XJ區(qū)間內(nèi)的剛度，將[-Xtl, XJ區(qū)間內(nèi)彈簧剛度取k2、其余區(qū)間彈簧剛度取1、全長(zhǎng)q均布荷載作用下的彈性地基梁模型定義為A模型；將全長(zhǎng)范圍彈簧剛度均取I，僅在[-X，X]區(qū)間作用均布荷載Q1的彈性地基梁模型定義為B模型； 6)當(dāng)X。一O時(shí)，(6, = q(l-k2 /F)，此時(shí)A模型任意位置的剪力與B模型任意位置的剪力相同，可采用B模型代替A模型，用于剪力鍵剪力的求解； 7)根據(jù)集中荷載作用下彈性地基上的無(wú)限長(zhǎng)梁模型，得到=￡y(l — Α2/)作用下任意截面位置的剪力數(shù)值； 8)繪制出沿縱向每根彈簧單位剛度變化，即=丨時(shí)，接頭位置處接頭剪力的剛度影響線；將剛度影響線與步驟3)中的地基剛度變比例模式圖相乘，得到由地基剛度變化所引起的接頭處的剪力數(shù)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其中，步驟I)中的沉管隧道縱向計(jì)算模型采用彈性地基上的無(wú)限長(zhǎng)梁模型代替；當(dāng)所有彈簧剛度均取?時(shí)，整個(gè)隧道將均勻下沉，均勻沉降l= q!k，此時(shí)任意截面位置均不產(chǎn)生剪力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其中，步驟2)中縱向單位長(zhǎng)度彈簧的豎向剛度k的公式為k=p.B/ δ，式中B為沉管隧道的橫向?qū)挾取?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其中，步驟3)中是利用公式
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其中，步驟7)中
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其中，步驟8)中剛度影響線兩側(cè)的O點(diǎn)位置到考察接頭的水平距離為零點(diǎn)長(zhǎng)度U，計(jì)算公式為
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其中，適用于節(jié)段式沉管隧道和整體式管節(jié)沉管隧道。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的分析方法，其中，對(duì)于節(jié)段式沉管隧道適用于節(jié)段接頭未張開的情況。
【文檔編號(hào)】E02D29/073GK103455660SQ201310314135
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月24日
【發(fā)明者】徐國(guó)平, 李毅, 付佰勇, 劉洪洲, 張志剛, 陳越 申請(qǐng)人:中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司