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《盾构隧道管片衬砌内力计算方法比较_丁春林》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第21卷第3期地下空间Vol.21No.32001年9月UNDERGROUNDSPACESept.2001文章编号:1001-831X(2001)-03-0208-07盾构隧道管片衬砌内力计算方法比较1112丁春林,刘建国,宫全美,肖广智(1.同济大学沪西校区铁建系,上海200331;2.中铁隧道集团设计院,洛阳471000)摘要:针对广州地铁二号线三元里～越秀公园区间盾构隧道,采用弹性铰法和弹性地基梁法对管片衬砌内力进行了计算,并与自由变形圆环法的计算结果作比较,得出一些对设计有参考价值的结论。关键词:盾构隧道;衬砌;力学模型;内力+中图分类
2、号:U451.4文献标识码:B1前言早期地下工程的建设完全依据经验,十九世纪才逐渐形成自己的计算理论,开始用于指导地下结构的设计与施工。目前地下结构的设计方法有:①经验类比法②荷载结构法③地层结构法④收敛限制法。其中常用的计算方法是荷载结构法和地层结构法。荷载结构法认为地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载,以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形。地层结构法认为衬砌与地层一起构成受力变形的整体,并可按连续介质力学原理来计算衬砌和周边地层的内力和变形。地层结构法的特点是不仅计算衬砌结构的内力,而且计算洞室周围地层的应力。由于地层结构法尚处
3、于发展阶段,目前一般仅用于一些主要的或大型工程的研究和分析,对于具体的盾构隧道管片衬砌设计仍以荷载结构法为主,而在荷载结构法中又以自[1-2]由变形圆环法为主。但自由变形圆环法没有考虑盾构隧道管片接头的影响,并且土体抗力只考虑作用在拱腰。本文针对广州地铁二号线三元里～越秀公园区间隧道的管片衬砌采用荷载结构法中的弹性铰法和弹性地基梁法对管片衬砌进行计算,在弹性铰法中考虑了管片衬砌接头刚度对结构内力的影响,在弹性地基梁法中考虑了隧道衬砌周边围岩对管片衬砌内力的影响,并将它们的计算结果与自由变形圆环法的计算结果作比较,得出一些对设计有参考价值的结论。
4、2计算理论简介2.1自由变形圆环法自由变形环法是传统、实用、至今已被广大设计者广泛应用于盾构隧道结构设计的一种经收稿日期:2001-02-28作者简介:丁春林(1968-),男,安徽人,工学硕士,讲师,主要从事隧道与地下结构、岩土工程及工程数值计算等方面研究。2001年第3期丁春林等:盾构隧道管片衬砌内力计算方法比较209典计算方法,该方法假定圆形衬砌在土体中为自由变形的弹性均质圆环,荷载计算图式如图[1]1。自由变形圆环内力求解采用弹性中心法,取力学模型的基本结构如图2。根据弹性中心处的相对角变位和相对水平位移为零的条件,列出力法方程,求出多
5、余未知力,再根据多余未知力求出圆环任意截面上的内力。建立的力法方程为:W11x1+Δ1p=0(1)W22x2+Δ2p=0其中:W11、W22、Δ1p、Δ2p分别为cc1212W11=M1Rdh;W22=M2RdhE∫I0E∫I0c2c1RΔ1p=MpRdh;Δ2p=-MpRdhE∫I0E∫I0由(1)式可得:Δ1pΔ2px1=-x2=-(2)W11W22图1荷载计算图式图2基本结构图上述公式中,M1、M2为基本结构在单位荷载作用下的弯矩;MP为基本结构在荷载作用下的弯矩。则任意截面的内力为:Mh=M11x1+M2x2+Mp=x1-x2Rcosh
6、+Mp(3)Nh=N1x1+N22x2+Np=x2cosh+Np(3)2.2弹性铰法与自由变形环法相比,弹性铰法在假定管片是一个自由变形的圆环外,还考虑了管片接头对结构内力的影响。由于盾构隧道管片衬砌是通过多块圆弧管片用螺栓拼装起来的,各圆弧管片的接头处存在一个能承担一部分弯矩的弹性铰,它既非刚接,也不是完全铰,其承担弯矩的多少,与接头刚度的大小成正比。因此,管片各接头假定是一个理想弹性铰,弹性铰接圆形管片的荷载计算图式同图1。由于结构荷载对称于竖直轴,取一半结构用结构力学方法进行分析,210地下空间第21卷[3]力学模型的基本结构如图3,计算
7、中忽略轴力、剪力对变位的影响。建立的力法方程为:W11x1+W12x2+Δ1p=0(4)W21x1+W22x2+Δ2p=0式中:W11、W12、W21、W21、Δ1p、Δ2p分别为c412ii1W11=M1Rdh+∑M1M1iE∫I0i=1Kθ4c1ii1W12=W21=M1M2Rdh+∑M2M2iE∫I0i=1Kθ4c12ii1W22=M2Rdh+∑M2M2iE∫I0i=1Kθhh4cM1Mp(j)ii1Δ1p=∑∫Rdh+∑∑M1Mp(j)ij=10EIj=1i=1Kθhch4M2Mp(j)ii1Δ2p=∑∫0EIRdh+∑∑M2Mp(j)
8、Kθi图3基本结构图j=1j=1i=1[1]上式中:i表示管片接头个数,j表示荷载作用类型数用行列式求解可得:Δ=W11W22-W12W21;Δx=W
