一种盾构隧道纵缝接头抗弯刚度反演计算方法技术

本发明专利技术属于地下工程领域，尤其涉及一种盾构隧道纵缝接头抗弯刚度反演计算方法。该方法包括：逐次旋转法、转角求解程序、接头力学模型和中性轴位置参数迭代程序，通过迭代的方法来确定各接头中性轴位置参数，最终建立起各接头抗弯刚度与隧道结构整体收敛变形之间的关系。本发明专利技术实现了对隧道纵缝接头抗弯刚度的反演，为确定接头抗弯刚度提供了新的方法。本方法中抗弯刚度的反演值基于隧道结构实际监测到的收敛变形，具有真实性；而且模型计算效率较高，无需安装任何监测元件，节省监测成本。节省监测成本。节省监测成本。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构隧道纵缝接头抗弯刚度反演计算方法


[0001]本专利技术属于地下工程领域，涉及一种接头抗弯刚度反演计算方法，尤其是涉及一种盾构隧道纵缝接头抗弯刚度反演计算和分析方法。

技术介绍

[0002]随着我国基础设施建设的发展，全国各大重点城市普遍修建了多条地铁线路，其中拼装式盾构隧道结构在地铁中得到了广泛的应用。
[0003]然而，在已经服役的地铁隧道结构中，观测到了各种各样的病害，如收敛变形，接头张开、渗漏水、螺栓外露和混凝土压溃等等。此外，盾构隧道纵缝接头的抗弯刚度也会随着隧道服役期的增长而逐渐退化，这对隧道结构的内力影响显著，而抗弯刚度恰恰是工程界和学术界一直关心的问题。
[0004]但是，目前的研究中接头刚度普遍基于接头足尺实验，而足尺实验中接头的加载方式、边界条件及变形模式均与整环隧道结构存在差异，无法直接应用于整环隧道结构中，因此也无法确定隧道结构在既有变形情况下的各接头的抗弯刚度，无法完整有效地开展隧道结构服役状态的评估工作。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有研究的不足，提出一种方便快捷、准确实用的盾构隧道纵缝接头抗弯刚度反演计算方法。
[0006]本专利技术的盾构隧道纵缝接头抗弯刚度反演计算方法，以日常监测的隧道竖向收敛变形为输入条件，采用逐次旋转法将隧道结构变形分解为接头的转动，通过MATLAB编程实现接缝转角的求解，再结合中性轴位置求解出各接头的内力(轴力和弯矩)，最后根据弯矩
‑
转角曲线求得了接头抗弯刚度，并建立了接头抗弯刚度与隧道竖向收敛变形的关系。针对接头中性轴位置参数难以确定的问题，采用了迭代计算的方法进行求解，通过假定各接头到达峰值应力所对应的隧道竖向收敛变形b
0i
，与接头力学模型中计算出的b
00i
值进行收敛性判断，最终迭代获得较为准确的中性轴位置参数值b
fi
。本专利技术实现了对隧道纵缝接头抗弯刚度的反演，为确定接头抗弯刚度提供了新的方法，阐述了抗弯刚度随隧道结构变形发展的退化特性，提高了人们对隧道结构接头力学特性的认知，为上海地区通缝拼装式隧道结构接头抗弯刚度的取值提供了理论依据。本方法中抗弯刚度的反演值基于隧道结构实际监测到的收敛变形，具有真实性；而且模型计算效率较高，无需安装任何监测元件，节省监测成本。
[0007]本专利技术提出了一种盾构隧道纵缝接头抗弯刚度反演计算方法，包括：逐次旋转法、转角求解程序、接头力学模型和中性轴位置参数迭代程序。通过迭代的方法来确定各接头中性轴位置参数，最终建立起各接头抗弯刚度与隧道结构整体收敛变形之间的关系，如图1所示。以隧道竖向收敛变形为例，首先，监测并获得隧道收敛变形值，在隧道定期监测中采用竖向或水平为参考指标，其次，以隧道竖向收敛变形为输入条件，采用逐次旋转法将隧道
结构变形分解为各接头的转动，从而实现了接头转角的求解；结合中性轴位置求解出各接头的轴力和弯矩；最后，根据弯矩
‑
转角曲线求得接头抗弯刚度。
[0008]本专利技术的技术方案中，所述的逐次旋转法，可以针对上海地区通缝拼装式盾构隧道结构，将管片结构视为刚体，隧道结构整体变形可分解为各管片之间的转动，相邻管片结构之间的旋转点为接头的中性轴，如图2所示。隧道结构底部的管片结构在旋转过程中被认为是固定的，旋转过程如下：首先管片2～6绕接头A的中性轴位置A
‑
1处发生第一次旋转，此时管片1、2的几何位置被确定；然后管片3～6绕接头B的中性轴位置B
‑
2处发生第二次旋转，此时管片1、2、3的几何位置被确定；待第五次旋转之后，所有管片的几何位置均被确定，则隧道结构整体的变形也被确定，如图3所示。
[0009]本专利技术的技术方案中，针对上海地区通缝拼装式盾构对称隧道结构的，由逐次旋转法可知，只有三个接头的转角θ1、θ2、θ3为未知量，规定接头内侧张开(正弯矩)转角为正，接头外侧张开(负弯矩)转角为负，如图2所示。θ1、θ2、θ3通过联立3个方程组进行求解：
[0010]①
θ1+θ2+θ3＝0
[0011]②
D
v
＝b1b2‑
c1c2[0012]③
x
b2
＝x
c2
[0013]上述方程分别代表几何条件、隧道结构竖向收敛变形条件和封顶块位移条件，如图2所示。其中，θ1、θ2、θ3分别是接头A(D)，B(E)和C(F)的转角，Dv是指隧道竖向收敛变形，b1b2是隧道变形前0
°
与180
°
之间的距离，c1c2是隧道变形后0
°
与180
°
之间的距离，x
b2
和x
c2
分别是封顶块中心位置变形前后的x轴坐标位置，如图2所示。
[0014]本专利技术的技术方案中，所述的接头的中性轴，逐次旋转法求解出各接头转角θ1、θ2、θ3，结合各接头中性轴位置yn1、yn2、yn3即可求出各接头的内
[0015][0016]外侧张开量(压缩量)，如下式：
[0017]其中x1和x2分别为接头内侧和外侧的张开量(压缩量)，h为管片厚度，yni为中性轴位置。
[0018]将接头的变形x1、x2以及中性轴位置代入接头力学模型，即可最终求解纵缝接头位置处的螺栓、混凝土和密封垫的应力值，其内力也可相应得出。
[0019]本专利技术的技术方案中，所述的中性轴位置参数迭代程序，根据接头力学模型的假定，当接头位置处的混凝土或螺栓到达峰值应力时，此时接头将要产生塑性变形，进入弹塑性阶段；当接头位置处的混凝土压溃或螺栓屈服时，此时接头被认为处于屈服状态；根据相关接头的足尺实验可知，中性轴的移动主要集中在加载前期，因此本专利技术归纳并提出以下假定：
[0020](1)隧道结构变形前，各接头完全闭合，各接头中性轴位于初始位置a0。
[0021](2)对于承受正弯矩(内侧张开)的接头，中性轴向外移动，对于承受负弯矩(外侧张开)的接头，中性轴向内移动。
[0022](3)当接头达到塑性阶段时，接头的中性轴停止移动，并保持在最终位置a2。
[0023](4)中性轴的移动主要发生在接头的弹性阶段，当接头进入弹塑性阶段时，中性轴的位置a1已经非常接近最终位置a2。
[0024]本专利技术的技术方案中，所述的中性轴位置，结合所提出的假定，中性轴位置采用指数函数表示：
[0025][0026][0027]各参数通过下式确定：
[0028]其中a0i和a2i分别为中性轴位置的上下限，取值可通过接头足尺实验中获得；a1i与a2i非常接近；bfi为接头进入弹塑性阶段时隧道结构的竖向收敛变形；Ai，ti，y0iymi和bfi分别指各接头中性轴位置的参数；i为各接头数字编号，分别代表接头A～F。
[0029]本专利技术的技术方案中，所述逐次旋转法是将隧道结构的整体变形分解为管片之间的相对转动，该方法的假定有：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构隧道纵缝接头抗弯刚度反演计算方法，其特征在于，所述的盾构隧道纵缝接头抗弯刚度反演计算方法包括但不限于：逐次旋转法、转角求解程序、接头力学模型和中性轴位置参数迭代程序；首先，监测并获得隧道收敛变形值，在隧道定期监测中采用竖向或水平为参考指标，本专利以隧道竖向收敛变形为例，其次，以隧道竖向收敛变形为输入条件，采用逐次旋转法将隧道结构变形分解为各接头的转动，从而实现了接头转角的求解；结合中性轴位置求解出各接头的轴力和弯矩；最后，根据弯矩
‑
转角曲线求得接头抗弯刚度。2.如权利要求1所述的盾构隧道纵缝接头抗弯刚度反演计算方法，其特征在于，所述的逐次旋转法，针对通缝拼装式盾构隧道结构，将管片结构视为刚体，隧道结构整体变形可分解为各管片之间的转动，相邻管片结构之间的旋转点为接头的中性轴；隧道结构底部的管片结构在旋转过程中被认为是固定的，旋转过程如下：首先，管片2～6绕接头A的中性轴位置A
‑
1处发生第一次旋转，此时管片2`具有新的位置；然后，管片3～6绕接头B的中性轴位置B
‑
2处发生第二次旋转，此时管片1、2`、3`的几何位置被确定；第三
‑
五次旋转以此类推；待第五次旋转之后，所有管片的几何位置均被确定，则隧道结构整体的变形也被确定；所述的逐次旋转法，根据上海地区通缝拼装式盾构隧道结构的对称性，只有三个接头的转角θ1、θ2、θ3未知，规定接头内侧张开转角为正，接头外侧张开转角为负；θ1、θ2、θ3通过联立3个方程组进行求解：
①
θ1+θ2+θ3＝0
②
D
v
＝b1b2‑
c1c2③
x
b2
＝x
c2
上述方程分别代表几何条件、隧道结构竖向收敛变形条件和封顶块位移条件。3.如权利要求1所述的盾构隧道纵缝接头抗弯刚度反演计算方法，其特征在于，所述的接头的中性轴，逐次旋转法求解出各接头转角θ1、θ2、θ3，结合各接头中性轴位置y
n1
、y
n2
、y
n3
即可求出各接头的内外侧张开量，如下式：其中x1和x2分别为接头内侧和外侧的张开量，h为管片厚度，y
ni
为中性轴位置；将接头的变形x1、x2以及中性轴位置代入接头力学模型，最终求解纵缝接头位置处的螺栓、混凝土和密封垫的应力值和内力。4.如权利要求1所述的盾构隧道纵缝接头抗弯刚度反演计算方法，其特征在于，所述的中性轴位置参数迭代程序，根据接头力学模型的假定，当接头位置处的混凝土或螺栓到达峰值应力时，此时接头将要产生塑性变形，进入弹塑性阶段；
当接头位置处的混凝土压溃或螺栓屈服时，此时接头被认为处于屈服状态；根据相关足尺实验可知，接头中性轴的移动主要集中在加载前期。5.如权利要求1所述的盾构隧道纵缝接头抗弯刚度反演计算方法，其特征在于，中性轴位置采用指数函数表示：位置采用指数函数表示：其中，a
0i
和a
2i
分别为中性轴位置的上下限，取值可通过接头足尺实验中获得；a
1i
与a
2i
非常接近；b...

【专利技术属性】
技术研发人员：亓立志，张小会，许浩然，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：