沉管隧道接頭水平壓彎數值模擬研究

鄭 學 平

(南昌市政公用投資控股有限責任公司，江西 南昌 330009)

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沉管隧道接頭水平壓彎數值模擬研究

鄭 學 平

(南昌市政公用投資控股有限責任公司，江西 南昌 330009)

以紅谷隧道為例，通過有限元軟件建立精細化的沉管隧道管節及接頭的力學模型，研究分析了接頭在水平壓彎情況下的力學性能，結果表明：接頭轉角隨彎矩的增大而增大，隨軸向壓力的增大而減小；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

沉管隧道目前已經在許多國家得到了應用，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，同時也是相對整個沉管而言的薄弱部分。因此，研究接頭的力學性能對評價沉管隧道結構的安全性有重要價值。

對沉管隧道進行研究，數值模擬分析是一個重要的手段。黃帆[1]引用橡膠材料本構模型、Mooney-Rivlin模型和蠕應變率方程建立數學模型對GINA進行數值模擬分析，并對GINA止水帶的防水性能及耐久性的長期效應進行了分析。Wu Ching等人[2]針對在地震作用下，不均勻回淤情況對沉管隧道的影響進行了數值模擬分析。劉正根等[3]在數值模型中考慮GINA止水帶和管端混凝土的非線性接觸，以歷年監測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、剪切和扭轉等變形及復合狀態下的力學性態，并得到了接頭斷面上接觸應力的分布規律。劉鵬等[4]建立了三維實體連續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力和位移以及GINA止水帶的壓縮與變形。劉建飛等[5]通過數值模擬，研究分析了沉管接頭結構的力學性能、位移變化以及變形規律。

在上述的研究當中，學者們通過數值模擬對沉管接頭防水性能相關的軸向壓縮性能及豎向或水平向剪切性能進行了分析研究，但大多數的研究僅針對單一構件或者試驗規模較小又或者研究對象不夠深入，并且并沒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，根據實際工程中沉管隧道的管節及接頭的構造，進行了1∶5縮尺沉管隧道模型數值模擬，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始修建，穿越贛江與紅谷六路相連，將連通紅谷灘新區與東岸老城區。紅谷隧道工程全長2 635 m，其中沉管段全長1 305 m，右岸側連續3節管段均為90 m，其他管段均為115 m。

1.2 模型構建

根據實際工程管段接頭構造，選擇模型幾何比尺為1∶5，基于結構試驗相似比理論，設計模型配筋、水平剪力鍵、豎向剪力鍵及GINA橡膠止水帶。混凝土管節及水平混凝土剪力鍵均采用C40混凝土材料，管節中的所有鋼筋類型均采用HRB400，豎向鋼剪力鍵及其他一些預埋件等均采用Q235B的鋼材，GINA橡膠止水帶采用超彈性材料。

本文使用ABAQUS軟件進行數值模擬，接頭模型包括兩個標準管節：管節1和管節2。單個管節模型中，其隧道斷面長6 000 mm，高1 660 mm，單個管節沿軸向長度為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墻處，B類鋼剪力鍵共兩組，分別位于接頭中隔墻處。同時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接作為一組。各管節構件布置圖如圖1和圖2所示。

模型中的GINA橡膠止水帶的斷面形狀與實際工程基本一致，尺寸為實際工程的1/5，縮尺后GINA橡膠帶寬度為10.4 cm，高度為5.7 cm，總長為14.27 m。GINA橡膠帶的橫斷面設計圖見圖3。本次數值模擬在已有GINA橡膠帶材性試驗曲線的前提下，通過GINA壓縮試驗得到擬合后的GINA止水帶的力學曲線(見圖4)。圖5為兩個管節模型對接后的示意圖。

1.3 加載工況

水平彎曲模擬主要研究不同軸力下管節接頭在不同彎矩幅值下發生壓縮—彎曲變形時，接頭的變形規律，包括接頭的張開/壓縮量，彎曲剛度等。因此，在一定軸向力下，通過改變水平彎矩值，以研究接頭抗彎力學性能，其加載示意圖可見圖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初始壓縮量/mm10．7613．1513．9315．5616．5717．4419．7820．49

2 結果分析

根據數值模擬結果，可得到不同軸壓下管節接頭處的彎矩—轉角曲線。圖7為各軸向壓力下，管節接頭的彎矩轉角曲線。由圖7可以看出，不同軸壓下，接頭的轉角隨彎矩的逐漸增大而增大，且基本呈線性規律增長。隨著軸壓的提高，在相同彎矩荷載下接頭轉角不斷減小，并且在荷載級別較低的時候，變化速率較快。圖8為各軸向壓力下，管節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。同時，隨著軸向荷載的增大，抗彎剛度的增大

速率有所減緩。

3 結語

本文建立了沉管隧道接頭的三維精細化有限元模型，并通過數值模擬研究接頭的平面彎曲性能，得到以下主要結論：1)接頭的轉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，且彎矩施加前期對接頭的抗彎剛度影響較大。

[1] 黃 帆.沉管隧道GINA橡膠止水帶數值模擬分析[J].結構工程師，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值模擬[J].地下空間與工程學報,2011,7(4):691-694.

[4] 劉 鵬，丁文其，楊 波.深水超長沉管隧道接頭及止水帶地震響應[J].同濟大學學報(自然科學版)，2013，41(7)：984-988.

[5] 劉建飛,賀維國,曾進群.靜力作用下沉管隧道三維數值模擬[J].現代隧道技術,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

鄭學平(1966- )，男，高級工程師

U452.2

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