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盾構(gòu)隧道技術(shù)是現(xiàn)代地下工程中廣為采用的一種技術(shù)，由于其襯砌結(jié)構(gòu)的特殊性和結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜性，使得管片設(shè)計(jì)有很大難度。隧道襯砌是一種預(yù)制的管片構(gòu)件拼裝結(jié)構(gòu)，環(huán)向與縱向管片僅用螺栓連接，其結(jié)構(gòu)形態(tài)具有典型非線性特征。接頭是裝配式管片襯砌的薄弱環(huán)節(jié)，它很大程度上控制著襯砌結(jié)構(gòu)整體的變形和承載力，因此接頭的強(qiáng)度分析算是整個(gè)結(jié)構(gòu)計(jì)算中的重點(diǎn)內(nèi)容。表示管片接頭處變形和受力的特征參數(shù)是接頭剛度，它定義為接頭產(chǎn)生單位轉(zhuǎn)角所需的彎矩。這一特征參數(shù)的特性對于襯砌隧道的受力狀態(tài)和變形具有非常大的影響，因此管片的接頭剛度是設(shè)計(jì)中一個(gè)十分重要的參數(shù)。影響接頭剛度的因素很多，主要有：接頭的構(gòu)造、連接螺栓的布置、管片與管片之間墊層材料的性能和厚度、連接螺栓的預(yù)緊力的大小與接頭不同的受力狀態(tài)等。
本研究通過大型有限元分析軟件，對影響接頭剛度的因素進(jìn)行了分析研究，并對這些影響因素提出了見解。
管片體的構(gòu)成材料為鋼筋混凝土，鋼筋混凝土是一種典型的復(fù)合材料，其受力行為是非線性的。鑒于分析的口的，本問題可做線彈勝問題分析，具體的線彈性本構(gòu)關(guān)系材料參數(shù)。
接縫是管片的薄弱環(huán)節(jié)，故在接縫附近的單元網(wǎng)格應(yīng)加密。為提高計(jì)算精度，混凝土及螺栓采用20節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元，用接觸單元模擬混凝土管片之間以及螺栓與螺栓孔之間的接觸，管片和螺栓有限元模型 ，單元類型及幾何尺寸。
混凝土管片之間不考慮墊層作用，采用接觸單元模擬，在相同偏心距和彎矩的作用下，由于加載前螺栓的預(yù)緊力不同，因此產(chǎn)生了接縫的相對轉(zhuǎn)角數(shù)值有明顯變化。螺栓的預(yù)緊力越大，接縫的相對轉(zhuǎn)角就越小。在相同偏心距和彎矩的作用下，加載前螺栓的預(yù)緊力越大，接頭抗彎剛度K越大，預(yù)緊力越小，抗彎剛度越小。
為了改善隧道管片接縫處接觸而的應(yīng)力狀態(tài)，通常在接縫處加一層軟墊層，墊層多采用丁晴橡膠摻軟木漿等材料制作，是一種非線性高彈材料，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系非常復(fù)雜，與加載歷史有關(guān)，在此模型對它進(jìn)行了簡化處理，按照線彈性材料來處理，在外力較小的情況下是可行的。在兩管片接縫中心設(shè)置三塊截而尺寸為1.2 m x0.5 m，厚2 mm的壓縮襯墊，采用單自由度彈簧單元模擬。考慮了襯墊作用的管片接頭，較沒有考慮襯墊作用時(shí)的接縫轉(zhuǎn)角有所增加，計(jì)算所得的接頭抗彎剛度減小，其結(jié)果更為合理。
可見接縫處墊層對接頭剛度影響很大。在接頭斷而混凝土處于彈性變形階段，襯墊變形遠(yuǎn)比混凝土變形大，接頭變形主要受襯墊變形控制，且當(dāng)預(yù)緊力、偏心距、彎矩相同時(shí)，接頭剛度隨墊層厚度的加大而有所下降。
一種能運(yùn)用于混凝土結(jié)構(gòu)空間有限元分析的退化梁單元模型。此單元在分析過程中將截而分塊處理，能夠?qū)γ總�(gè)分塊賦予不同的材料屬性，所以該單元適用于分析各種截而形式梁、各向異性梁和組合梁等結(jié)構(gòu)。利用退化梁單元能很方便地模擬混凝土開裂等混凝土非線性行為。所以應(yīng)用此單元能夠分析帶螺栓截而的梁，同時(shí)將接縫處單元的材料屬性設(shè)為只受拉不受壓的襯墊橡膠的材料屬性來分析隧道襯砌接頭剛度。
采用退化梁單元方法、ANSYS平而分析以及三維有限元分析計(jì)算所得的抗彎剛度十分接近。由此可知，用本研究所建立的模型來模擬接頭性能所得的結(jié)果是合理的，這為優(yōu)化接頭參數(shù)提供了一條新的途徑。
通過對盾構(gòu)隧道管片接頭的三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算，以及對不同訓(xùn)一算方法下的管片接頭剛度對比分析，可得如下結(jié)論: 1)螺栓預(yù)緊力對接頭剛度有一定影響。預(yù)緊力增大，接頭剛度也隨之增大， 2)接縫墊層對接頭剛度影響較大。墊層厚度增加，管片接頭剛度減小， 3)考慮襯墊后，采用平而有限元模擬對管片接頭剛度研究結(jié)果與三維有限元計(jì)算結(jié)果十分近似，故在簡化計(jì)算中，可采用簡化二維有限元模型對管片接頭剛度進(jìn)行研究。
最后，要確定管片的接頭剛度，不僅需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和變形要求，通過分析影響接頭剛度的眾多因素，來協(xié)調(diào)不同接縫處的接頭剛度，并且還要通過模型試驗(yàn)加以調(diào)整和驗(yàn)證，從而使得結(jié)構(gòu)達(dá)到比較合理的狀態(tài)。
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