一种盾构隧道管片非均质等效梁单元模型结构计算方法与流程

：本发明涉及盾构隧道管片结构的计算方法，特别是涉及一种盾构隧道管片非均质等效梁单元模型结构计算方法。

背景技术：
：在盾构隧道设计施工以及运营过程中，如何进行盾构隧道管片结构的内力计算是当前的研究热点和难点。近几十年来，伴随城市轨道交通的大规模发展，针对盾构隧道管片结构的计算模型研究取得了长足的发展和进步，衍生出了包括匀质圆环模型、等效刚度圆环模型、自由铰圆环模型、梁—弹簧模型和梁—接头模型在内的多种计算结构模型。然而，由于结构本身的以及赋存环境的复杂性，当前应用在盾构隧道管片结构力学计算的几种模型中，仍存在一定的不足和缺陷，如：匀质圆环模型完全忽略了管片接头的影响，显然与实际情况不符，导致硬质地层内力计算结果偏大，造成浪费；软弱地层变形偏小，导致安全风险增大。而修正的惯用法模型本身仍是通过人为折减整个管片环接头刚度以及弯矩增大系数来体现，具有较大的随意性和不确定性；自由铰圆环模型将接头作为单铰结构，不仅没有反映出接头的截面传力性质，而且其本身是非静定体系，需借助隧道围岩的支撑作用才能进行静力求解，而隧道围岩的支撑力依然没有确切可靠的计算参数，故该模型也具有较大的局限性和不确定性；梁—弹簧和梁—接头模型能够较好地反映管片接头对整个环结构的刚度影响，但其弹簧系数的取得依然没有成熟的理论基础，大多是需要通过具体试验获取或工程经验来设置，其计算结果不可避免地存在一定的任意性。中国发明专利公开号CN101364241A公开的盾构隧道衬砌连续—非均匀刚度模型结构计算方法，在处理管片接头等效刚度时，仅采用了一个通过接头转角反算得到的综合等效刚度系数，并没有分别考虑等效梁单元受压区高度、宽度以及材料弹性模量的等效性及其实际受力状态，事实上，这三者以及等效刚度与管片结构的实际受力状态息息相关，且三者之间并非为线性变化关系，因此采用综合的等效刚度系数在某种程度上仍不足以表征接头的实际受力状态和以反映接头的刚度影响。可见，尽管广大科技工作者针对盾构隧道管片结构的内力计算做了大量的研究工作，取得了丰富的成果，但仍存在诸多难解之题，仍需进一步广泛研究。

技术实现要素：
：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新的计算模型来进行盾构隧道管片的结构计算，使得计算结果更加准确。为了解决上述技术问题，本发明一种盾构隧道管片非均质等效梁单元模型结构计算方法，包括以下步骤：（1）收集基本资料，建立惯用法模型并计算，提取各接头位置截面内力值，即弯矩M和轴力N；（2）根据接头等效截面受力类型及内力值大小，计算等效截面力学参数，即混凝土等效受压区高度h′、等效受压区宽度b′及等效弹性模量E′e；（3）建立非均质等效梁单元模型，将步骤（2）得到的等效截面力学参数作为初始值输入该模型，并进行结构计算；（4）提取步骤（3）计算得到的等效梁单元截面内力值，再次计算其截面等效参数；（5）比较步骤（3）输入的等效截面力学参数与步骤（4）输出的截面力学参数，看是否满足误差精度要求，若不满足，则回到步骤（3），再次迭代计算，重复步骤（3）～步骤（5）；若满足，则输出最终计算结果。进一步地，所述步骤（2）在不同受力类型条件下，等效力学参数计算公式如下：①正弯矩小偏心受压其中，λ1＝nT0+N；式中，b′、h′、E′e分别为等效梁单元截面的等效受压区宽度、高度、弹性模量及等效截面计算受压区高度；b、h、M、N、n、σc,max、σc,min、分别为原管片接头截面宽度、管片厚度、弯矩、轴力、单位宽度管片内横向螺栓根数、管片上缘混凝土应力、管片下缘混凝土应力；Ee为接头梁单元等效抗压弹性模量，采用Ee＝EcEp(l1+l2)/(Ecl1+Epl2)计算，Ec、Ep分别为管片混凝土和止水橡胶条（传力衬垫）的弹性模量；T0为螺栓的初始预紧力；h0为螺栓轴线离管片內缘的距离；K为螺栓的抗拉刚度；②正弯矩大偏心受压式中，x′为等效梁单元截面的等效截面计算受压区高度；αcs为螺栓横截面积与管片内侧钢筋面积之比；Tb为考虑了初始预紧力后的原接头截面螺栓拉力，Tb＝T0+(h-h0-x)σc,maxK/EeL；L为螺栓的有效计算长度；x为原管片接头截面计算受压区高度，按式Ax2+Bx+C＝0——关于受压区高度x的一元二次方程求得的在[0,h]范围的解取值；σc,max按式或计算其中，A＝λ2λ5；B＝λ3λ5-λ1λ6；C＝λ4λ5-λ1λ7；λ2＝-b/6；λ5＝N+nT0；③负弯矩小偏心受压其中，λ1＝nT0+N；④负弯矩大偏心受压负弯矩大偏心受压条件下的等效截面高度和宽度的计算方法同正弯矩大偏心受压情况。进一步地，负弯矩大偏心受压中的原接头截面混凝土受压区高度x和混凝土下缘最大应力σc,max分别按以下两种情况计算确定：第一种情况：原接头截面混凝土受压区高度x由式计算确定，且x∈(h0,h]，混凝土下缘最大应力σc,max由式计算确定，其中，λ5＝λ2h0；第二种情况：原接头截面混凝土受压区高度x由式λ3x2-λ4x+λ5＝0计算确定，且x∈[0,h0]，求得x后，混凝土下缘最大应力σc,max由式计算确定，其中，λ3＝bλ1；λ5＝λ2h0。与现有技术相比，本发明的有益效果是：考虑了管片接头及螺栓初始预紧力对结构体系的刚度影响，使得结构计算结果与实际情况更为吻合；分别针对等效梁单元的等效高度、宽度和弹性模量进行了推导分析，并给出了具体的计算公式，摒弃了采用单一综合等效刚度的做法，使得等效力学截面的受力特征更为明确、具体，更能反映接头及螺栓预紧力对接头刚度的影响。附图说明：图1为现有的盾构隧道管片惯用法结构计算模型。图2为本发明正弯矩小偏心受压条件接头截面力学分析图。图3为本发明接头截面等效弹性模量分析图。图4为本发明正弯矩小偏心条件下等效梁单元截面受力分析图。图5为本发明正弯矩大偏心受压条件接头截面力学分析图。图6为本发明正弯矩大偏心条件下等效梁单元截面受力分析图。图7为本发明负弯矩小偏心受压条件接头截面力学分析图。图8为本发明负弯矩小偏心条件下等效梁单元截面受力分析图。图9为本发明负弯矩大偏心受压条件接头截面力学分析图。图10为本发明负弯矩大偏心受压条件接头截面力学分析图。图11为本发明盾构隧道管片接头非均质等效梁单元模型。图12为本发明盾构隧道管片结构非均质等效梁结构计算模型。图13为本发明盾构隧道管片结构非均质等效梁模型计算流程图。具体实施方式：下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：（1）采用惯用法模型（图1）建立盾构隧道管片结构计算模型，按相关规范要求计算各荷载即模型边界，进行计算，提取各接头截面的内力值——弯矩M和轴力N。（2）根据接头等效截面受力类型及内力值大小，计算等效截面力学参数，即混凝土等效受压区高度h′、等效受压区宽度b′及等效弹性模量E′e。不同受力类型条件下，等效力学参数计算公式如下：①正弯矩小偏心受压（图2、图4）其中，λ1＝nT0+N；式中，b′、h′、E′e分别为等效梁单元截面的等效受压区宽度、高度、弹性模量及等效截面计算受压区高度；b、h、M、N、n、σc,max、σc,min、分别为原管片接头截面宽度、管片厚度、弯矩、轴力、单位宽度管片内横向螺栓根数、管片上缘混凝土应力、管片下缘混凝土应力；Ee为接头梁单元等效抗压弹性模量（图3），采用Ee＝EcEp(l1+l2)/(Ecl1+Epl2)计算，Ec、Ep分别为管片混凝土和止水橡胶条（传力衬垫）的弹性模量；T0为螺栓的初始预紧力；h0为螺栓轴线离管片內缘的距离；K为螺栓的抗拉刚度。上述参数符号意义同样适用于以下内容。②正弯矩大偏心受压（图5、图6）式中，x′为等效梁单元截面的等效截面计算受压区高度；αcs为螺栓横截面积与管片内侧钢筋面积之比；Tb为考虑了初始预紧力后的原接头截面螺栓拉力，Tb＝T0+(h-h0-x)σc,maxK/EeL；L为螺栓的有效计算长度；x为原管片接头截面计算受压区高度，按式（3）——关于受压区高度x的一元二次方程求得的在[0,h]范围的解取值。σc,max按式（4）计算。Ax2+Bx+C＝0（3）或其中，A＝λ2λ5；B＝λ3λ5-λ1λ6；C＝λ4λ5-λ1λ7；λ2＝-b/6；λ5＝N+nT0；③负弯矩小偏心受压（图7、图8）其中，λ1＝nT0+N；④负弯矩大偏心受压（图9、图10）负弯矩大偏心受压条件下的等效截面高度和宽度的计算方法同正弯矩大偏心受压情况。式（6）中原接头截面混凝土受压区高度x和混凝土下缘最大应力σc,max分别按以下两种情况计算确定。第一种情况（图9a）：原接头截面混凝土受压区高度x由式（7）计算确定，且x∈(h0,h]，混凝土下缘最大应力σc,max由式（8）计算确定。其中，λ5＝λ2h0。第二种情况（图9b）：原接头截面混凝土受压区高度x由式（9）计算确定，且x∈[0,h0]，求得x后，混凝土下缘最大应力σc,max由式（10）计算确定。λ3x2-λ4x+λ5＝0（9）其中，λ3＝bλ1；λ5＝λ2h0。实际计算过程中为一试算过程，首先按第一种情况计算得到x值，若x∈(h0,h]，即为第一种情况，若则再按第二种情况计算。（3）将管片接头视为一受压区高度、宽度及弹性模量均不同于管片主截面的梁单元（图11），等效梁单元长度为L=2l1+l2，建立非均质等效梁单元模型，将步骤（2）得到的等效截面力学参数作为初始值输入该模型（图12），并进行结构计算。（4）提取步骤（3）计算得到的等效梁单元截面内力值，再次计算其截面等效参数。（5）比较步骤（3）输入的等效截面力学参数与步骤（4）输出的截面力学参数，是否满足误差精度要求？若不满足，则回到步骤（3），再次迭代计算，重复步骤（3）～步骤（5）；若满足，则输出最终计算结果。