一种盾构隧道钢板加固接头抗弯承载力计算方法技术

本发明专利技术涉及一种盾构隧道钢板加固接头抗弯承载力计算方法，包括以下步骤：1)计算获得钢板加固时接缝面内缘的虚拟应变以及截面失效时螺栓屈服的临界受压区高度和钢板屈服的临界受压区高度；2)假设接缝面处于某种失效状态，基于该失效状态下的轴力平衡方程，试算获得对应的钢板加固接头接缝面受压区高度；3)判断接缝面受压区高度是否满足当前失效状态的范围要求，若是，则执行步骤4)，若否，则替换另一种失效状态，返回步骤2)；4)将步骤2)获得的钢板加固接头接缝面受压区高度代入当前失效状态下的弯矩平衡方程，计算获得极限弯矩。与现有技术相比，本发明专利技术具有有效减少工作量，提高效率等优点。高效率等优点。高效率等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构隧道钢板加固接头抗弯承载力计算方法


[0001]本专利技术属于盾构隧道工程结构加固设计领域，涉及一种结构抗弯承载力计算，尤其是涉及一种盾构隧道钢板加固接头抗弯承载力计算方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着城市盾构隧道工程的持续快速发展，盾构管片衬砌结构的安全性能问题日趋严重。管片衬砌结构是一种由多组管片和螺栓通过多环错缝连接构成的预制装配式混凝土结构，广泛应用于城市地下盾构隧道工程领域。在隧道盾构施工和运营过程中，管片衬砌结构主要承受外部土压力、地下水压力、地面超载以及开挖动态工况等外部围压作用。因而，作为隧道外部结构支撑体系，管片衬砌结构在外部围压作用下的力学承载性能及破坏模式对于隧道的整体安全保障至关重要。因此，针对发生病害的盾构隧道管片环，必须采取有效的修复加固措施，以确保地铁隧道的运营安全并满足耐久性要求。
[0003]目前，针对横向变形过大的盾构隧道，常采用内张钢板的加固手段来限制衬砌结构病害的继续发展。在盾构隧道结构加固设计领域，常采用数值仿真计算来分析钢板加固接头的抗弯承载力，需要预先建立三维仿真模型，工作量较大，难以快速确定钢板加固接头的抗弯承载力。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服为了现有数值仿真存在的低效缺陷而提供一种盾构隧道钢板加固接头抗弯承载力计算方法。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种盾构隧道钢板加固接头抗弯承载力计算方法，包括以下步骤：
[0007]1)获取接缝面的构造参数、材料参数和接缝面力学参数，计算获得钢板加固时接缝面内缘的虚拟应变ε
sp,0
以及截面失效时螺栓屈服的临界受压区高度x
cb1
和钢板屈服的临界受压区高度x
cb2
；
[0008]2)基于步骤1)获得的数据，假设接缝面处于某种失效状态，基于该失效状态下的轴力平衡方程，试算获得对应的钢板加固接头接缝面受压区高度x
c
；
[0009]3)判断步骤2)获得的接缝面受压区高度x
c
是否满足当前失效状态对x
c
的范围要求，若是，则执行步骤4)，若否，则替换另一种失效状态，返回步骤2)，直至遍历所有失效状态；
[0010]4)将步骤2)获得的钢板加固接头接缝面受压区高度代入当前失效状态下的弯矩平衡方程，计算获得极限弯矩。
[0011]进一步地，所述构造参数包括：螺栓至接缝面外缘距离、接缝面高度、接缝面宽度、接缝面外缘高度、外缘承压区高度、防水区高度、核心承压区高度、接缝内缘高度、螺栓截面积和钢板截面积；
[0012]所述材料参数包括混凝土轴心抗压强度设计值、混凝土屈服应变、混凝土极限压
应变、螺栓的屈服应变、钢板的屈服应变、螺栓的屈服应力、钢板的屈服应力、螺栓的弹性模量和钢板的弹性模量；
[0013]所述接缝面力学参数钢板加固时接缝面的轴力和弯矩。
[0014]进一步地，所述钢板加固时接缝面内缘的虚拟应变ε
sp,0
根据以下公式求得：
[0015][0016]式中，ε
c,0
为钢板加固时接缝面外缘的混凝土压应变，x0为钢板加固时接缝面受压区高度，h为接缝面高度；
[0017]ε
c,0
和x0通过联立以下公式求得：
[0018][0019][0020][0021][0022]式中，σ
c
为混凝土应力，ε
c
为混凝土应变，f
c
为混凝土轴心抗压强度设计值，ε
c0
为混凝土屈服应变，b为接缝面宽度，d1为接缝外缘，d2为外缘承压区，d3为防水区，d4为核心承压区，d5为接缝内缘，p为积分变量，N0为钢板加固时接缝面的轴力，M0为钢板加固时接缝面的弯矩，σ
m,0
为钢板加固时的螺栓应力，A
m
为螺栓横截面积，E
m
为螺栓弹性模量。
[0023]进一步地，所述截面失效时螺栓屈服的临界受压区高度x
cb1
和钢板屈服的临界受压区高度x
cb2
根据以下公式求得：
[0024][0025][0026]式中，ε
cu
为混凝土极限压应变，f
my
为螺栓的屈服应力，E
m
为螺栓的弹性模量，d为螺栓至接缝面外缘距离，f
spy
为钢板的屈服应力，E
sp
为钢板的弹性模量，h为接缝面高度。
[0027]进一步地，所述失效状态包括螺栓屈服且钢板未屈服S
‑
a、螺栓和钢板均屈服S
‑
b、螺栓未屈服且钢板屈服S
‑
c和螺栓和钢板均未屈服S
‑
d；
[0028]各失效状态下的轴力平衡方程表示为：
[0029]失效状态S
‑
a：
[0030][0031]失效状态S
‑
b：
[0032][0033]失效状态S
‑
c：
[0034][0035]失效状态S
‑
d：
[0036][0037]式中，σ
sp
为截面失效时的钢板应力，ε
sp
为截面失效时的钢板应变，σ
m
为截面失效时的螺栓应力，b为接缝面宽度，p为积分变量，σ
c
为混凝土应力，ε
cu
为混凝土极限压应变，A
m
为螺栓截面积，A
sp
为钢板截面积，f
my
为螺栓的屈服应力，f
spy
为钢板的屈服应力，N
i
为各失效状态对应的截面轴力，x
ci
为各失效状态对应的接缝面受压区高度，i＝1,2,3,4，d
i
中：d1为接缝面外缘高度，d2为外缘承压区高度，d3防水区高度，d4为核心承压区高度，d5为接缝内缘高度，n＝接缝面区域分块数
‑
1；
[0038]各失效状态对应的弯矩平衡方程如下：
[0039]失效状态S
‑
a：
[0040][0041]失效状态S
‑
b：
[0042][0043]失效状态S
‑
c：
[0044][0045]失效状态S
‑
d：
[0046][0047]式中，M
i
为各失效状态对应的极限弯矩，h为接缝面高度，d为螺栓至接缝面外缘距离。
[0048]进一步地，步骤3)中，若在失效状态S
‑
c或失效状态S
‑
d下，所述接缝面受压区高度x
c
大于螺栓至接缝面外缘距离d，则取消轴力平衡方程中的σ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构隧道钢板加固接头抗弯承载力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：1)获取接缝面的构造参数、材料参数和接缝面力学参数，计算获得钢板加固时接缝面内缘的虚拟应变ε
sp,0
以及截面失效时螺栓屈服的临界受压区高度x
cb1
和钢板屈服的临界受压区高度x
cb2
；2)基于步骤1)获得的数据，假设接缝面处于某种失效状态，基于该失效状态下的轴力平衡方程，试算获得对应的钢板加固接头接缝面受压区高度x
c
；3)判断步骤2)获得的接缝面受压区高度x
c
是否满足当前失效状态对x
c
的范围要求，若是，则执行步骤4)，若否，则替换另一种失效状态，返回步骤2)，直至遍历所有失效状态；4)将步骤2)获得的钢板加固接头接缝面受压区高度代入当前失效状态下的弯矩平衡方程，计算获得极限弯矩。2.根据权利要求1所述的盾构隧道钢板加固接头抗弯承载力计算方法，其特征在于，所述构造参数包括：螺栓至接缝面外缘距离、接缝面高度、接缝面宽度、接缝面外缘高度、外缘承压区高度、防水区高度、核心承压区高度、接缝内缘高度、螺栓截面积和钢板截面积；所述材料参数包括混凝土轴心抗压强度设计值、混凝土屈服应变、混凝土极限压应变、螺栓的屈服应变、钢板的屈服应变、螺栓的屈服应力、钢板的屈服应力、螺栓的弹性模量和钢板的弹性模量；所述接缝面力学参数钢板加固时接缝面的轴力和弯矩。3.根据权利要求1所述的盾构隧道钢板加固接头抗弯承载力计算方法，其特征在于，所述钢板加固时接缝面内缘的虚拟应变ε
sp,0
根据以下公式求得：式中，ε
c,0
为钢板加固时接缝面外缘的混凝土压应变，x0为钢板加固时接缝面受压区高度，h为接缝面高度；ε
c,0
和x0通过联立以下公式求得：联立以下公式求得：联立以下公式求得：联立以下公式求得：式中，σ
c
为混凝土应力，ε
c
为混凝土应变，f
c
为混凝土轴心抗压强度设计值，ε
c0
为混凝土屈服应变，b为接缝面宽度，d1为接缝外缘，d2为外缘承压区，d3为防水区，d4为核心承压区，d5为接缝内缘，p为积分变量，N0为钢板加固时接缝面的轴力，M0为钢板加固时接缝面的弯矩，
σ
m,0
为钢板加固时的螺栓应力，A
m
为螺栓横截面积，E
m
为螺栓弹性模量。4.根据权利要求1所述的盾构隧道钢板加固接头抗弯承载力计算方法，其特征在于，所述截面失效时螺栓屈服的临界受压区高度x
cb1
和钢板屈服的临界受压区高度x
cb2
根据以下公式求得：公式求得：式中，ε
cu
为混凝土极限压应变，f
my
为螺栓的屈服应力，E
m
为螺栓的弹性模量，d为螺栓至接缝面外缘距离，f
spy
为钢板的屈服应力，E
sp
为钢板的弹性模量，h为接缝面高度。5.根据权利要求1所述的盾构隧道钢板加固接头抗弯承载力计算方法，其特征在于，所述失效状态包括螺栓屈服且钢板未屈服S
‑
a、螺栓和钢板均屈服S
‑
b、螺栓未屈服且钢板屈服S
‑
c和螺栓和钢板均未屈服S
‑
d；各失效状态下的轴力平衡方程表示为：失效状态S
‑
a：失效状态S
‑
b：失效状态S
‑
c：失效状态S
‑
d：式中，σ
sp
为截面失效时的钢板应力，ε
sp
为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘学增，李振，杨芝璐，杨学良，
申请(专利权)人：上海同岩土木工程科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：