沉管隧道接頭水平壓彎數(shù)值模擬研究

鄭 學(xué) 平

(南昌市政公用投資控股有限責(zé)任公司，江西 南昌 330009)

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沉管隧道接頭水平壓彎數(shù)值模擬研究

鄭 學(xué) 平

(南昌市政公用投資控股有限責(zé)任公司，江西 南昌 330009)

以紅谷隧道為例，通過(guò)有限元軟件建立精細(xì)化的沉管隧道管節(jié)及接頭的力學(xué)模型，研究分析了接頭在水平壓彎情況下的力學(xué)性能，結(jié)果表明：接頭轉(zhuǎn)角隨彎矩的增大而增大，隨軸向壓力的增大而減??；接頭水平抗彎剛度隨軸壓力的增加而增大。

沉管隧道，接頭，彎曲工況，抗彎剛度

沉管隧道目前已經(jīng)在許多國(guó)家得到了應(yīng)用，并逐漸成為了修建水下隧道的首要選擇。然而，接頭是沉管隧道中最重要的部分，同時(shí)也是相對(duì)整個(gè)沉管而言的薄弱部分。因此，研究接頭的力學(xué)性能對(duì)評(píng)價(jià)沉管隧道結(jié)構(gòu)的安全性有重要價(jià)值。

對(duì)沉管隧道進(jìn)行研究，數(shù)值模擬分析是一個(gè)重要的手段。黃帆[1]引用橡膠材料本構(gòu)模型、Mooney-Rivlin模型和蠕應(yīng)變率方程建立數(shù)學(xué)模型對(duì)GINA進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并對(duì)GINA止水帶的防水性能及耐久性的長(zhǎng)期效應(yīng)進(jìn)行了分析。Wu Ching等人[2]針對(duì)在地震作用下，不均勻回淤情況對(duì)沉管隧道的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。劉正根等[3]在數(shù)值模型中考慮GINA止水帶和管端混凝土的非線性接觸，以歷年監(jiān)測(cè)的沉管位移作為邊界條件，分析了GINA止水帶在接頭處于壓縮、剪切和扭轉(zhuǎn)等變形及復(fù)合狀態(tài)下的力學(xué)性態(tài)，并得到了接頭斷面上接觸應(yīng)力的分布規(guī)律。劉鵬等[4]建立了三維實(shí)體連續(xù)有限元沉管隧道模型，并著重研究了沉管接頭在地震作用下的內(nèi)力和位移以及GINA止水帶的壓縮與變形。劉建飛等[5]通過(guò)數(shù)值模擬，研究分析了沉管接頭結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、位移變化以及變形規(guī)律。

在上述的研究當(dāng)中，學(xué)者們通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)沉管接頭防水性能相關(guān)的軸向壓縮性能及豎向或水平向剪切性能進(jìn)行了分析研究，但大多數(shù)的研究?jī)H針對(duì)單一構(gòu)件或者試驗(yàn)規(guī)模較小又或者研究對(duì)象不夠深入，并且并沒(méi)有涉及到接頭在彎曲情況下的受力研究。因此，本文以南昌紅谷隧道為背景，根據(jù)實(shí)際工程中沉管隧道的管節(jié)及接頭的構(gòu)造，進(jìn)行了1∶5縮尺沉管隧道模型數(shù)值模擬，著重研究沉管接頭的水平壓彎性能。

1 模型概況

1.1 工程背景

紅谷隧道位于中國(guó)江西省南昌市，在南昌大橋及八一大橋之間，從中山橋—中山西路往西位置開(kāi)始修建，穿越贛江與紅谷六路相連，將連通紅谷灘新區(qū)與東岸老城區(qū)。紅谷隧道工程全長(zhǎng)2 635 m，其中沉管段全長(zhǎng)1 305 m，右岸側(cè)連續(xù)3節(jié)管段均為90 m，其他管段均為115 m。

1.2 模型構(gòu)建

根據(jù)實(shí)際工程管段接頭構(gòu)造，選擇模型幾何比尺為1∶5，基于結(jié)構(gòu)試驗(yàn)相似比理論，設(shè)計(jì)模型配筋、水平剪力鍵、豎向剪力鍵及GINA橡膠止水帶?；炷凉芄?jié)及水平混凝土剪力鍵均采用C40混凝土材料，管節(jié)中的所有鋼筋類型均采用HRB400，豎向鋼剪力鍵及其他一些預(yù)埋件等均采用Q235B的鋼材，GINA橡膠止水帶采用超彈性材料。

本文使用ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，接頭模型包括兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)：管節(jié)1和管節(jié)2。單個(gè)管節(jié)模型中，其隧道斷面長(zhǎng)6 000 mm，高1 660 mm，單個(gè)管節(jié)沿軸向長(zhǎng)度為1 800 mm。模型中包括豎向鋼剪力鍵A和B，A類鋼剪力鍵共兩組，分別位于接頭兩邊側(cè)墻處，B類鋼剪力鍵共兩組，分別位于接頭中隔墻處。同時(shí)包括兩類水平混凝土剪力鍵N和S，每四榫剪力鍵與三榫剪力鍵對(duì)接作為一組。各管節(jié)構(gòu)件布置圖如圖1和圖2所示。

模型中的GINA橡膠止水帶的斷面形狀與實(shí)際工程基本一致，尺寸為實(shí)際工程的1/5，縮尺后GINA橡膠帶寬度為10.4 cm，高度為5.7 cm，總長(zhǎng)為14.27 m。GINA橡膠帶的橫斷面設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖3。本次數(shù)值模擬在已有GINA橡膠帶材性試驗(yàn)曲線的前提下，通過(guò)GINA壓縮試驗(yàn)得到擬合后的GINA止水帶的力學(xué)曲線(見(jiàn)圖4)。圖5為兩個(gè)管節(jié)模型對(duì)接后的示意圖。

1.3 加載工況

水平彎曲模擬主要研究不同軸力下管節(jié)接頭在不同彎矩幅值下發(fā)生壓縮—彎曲變形時(shí)，接頭的變形規(guī)律，包括接頭的張開(kāi)/壓縮量，彎曲剛度等。因此，在一定軸向力下，通過(guò)改變水平彎矩值，以研究接頭抗彎力學(xué)性能，其加載示意圖可見(jiàn)圖6，各軸力加載值如表1所示。

表1 水平彎曲工況軸力加載表

水壓/kN36046050060070080011001200初始?jí)嚎s量/mm10．7613．1513．9315．5616．5717．4419．7820．49

2 結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，可得到不同軸壓下管節(jié)接頭處的彎矩—轉(zhuǎn)角曲線。圖7為各軸向壓力下，管節(jié)接頭的彎矩轉(zhuǎn)角曲線。由圖7可以看出，不同軸壓下，接頭的轉(zhuǎn)角隨彎矩的逐漸增大而增大，且基本呈線性規(guī)律增長(zhǎng)。隨著軸壓的提高，在相同彎矩荷載下接頭轉(zhuǎn)角不斷減小，并且在荷載級(jí)別較低的時(shí)候，變化速率較快。圖8為各軸向壓力下，管節(jié)接頭的水平抗彎剛度曲線。由圖8可得，接頭的水平抗彎剛度初期隨軸向荷載增大而增大，并且變化速率有增大趨勢(shì)。同時(shí)，隨著軸向荷載的增大，抗彎剛度的增大

速率有所減緩。

3 結(jié)語(yǔ)

本文建立了沉管隧道接頭的三維精細(xì)化有限元模型，并通過(guò)數(shù)值模擬研究接頭的平面彎曲性能，得到以下主要結(jié)論：1)接頭的轉(zhuǎn)角隨彎矩的逐漸增大而線性增大；2)隨著軸向壓力的增大，接頭的轉(zhuǎn)角隨之而減小；3)接頭水平抗彎剛度隨軸壓力的增加而基本呈線性增長(zhǎng)，且彎矩施加前期對(duì)接頭的抗彎剛度影響較大。

[1] 黃 帆.沉管隧道GINA橡膠止水帶數(shù)值模擬分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2010(1)：96-102.

[2] Ching Wu,Eric Fok,George Fotinos,et al.Seismic assessment and retrofit concepts of the BART transbay tube[J].American Society of Civil Engineers,2003(25):203-212.

[3] 劉正根,黃宏偉,張冬梅.沉管隧道接頭三維非線性數(shù)值模擬[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2011,7(4):691-694.

[4] 劉 鵬，丁文其，楊 波.深水超長(zhǎng)沉管隧道接頭及止水帶地震響應(yīng)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，41(7)：984-988.

[5] 劉建飛,賀維國(guó),曾進(jìn)群.靜力作用下沉管隧道三維數(shù)值模擬[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2007,44(1):5-9.

Numerical simulation study of immersed tunnel joint under horizontal bending condition

Zheng Xueping

(NanchangMunicipalPublicGroupCo.,Ltd,Nanchang330009,China)

Taking the Red Valley tunnel as an example, this paper established refined immersed tunnel pipe section and joint mechanical model through the finite element software, researched and analyzed the mechanical properties of joints in level bending situation, the results showed that the joint angle increased with the increase of bending moment, decreased with the increase of axial pressure, the joint level bending stiffness increased with the increase of axial pressure.

immersed tunnel, joint, bending condition, bending rigidity

1009-6825(2017)14-0157-02

2017-03-03

鄭學(xué)平(1966- )，男，高級(jí)工程師

U452.2

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