盾構管片接頭三維數值模擬與研究

張 龍

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，地下盾構管片工程的需求日益增多，這使得盾構管片結構形式越來越多樣，管片接頭的數量和結構越來越多樣，管片接頭的受力也越來越復雜。管片接頭作為管片分塊的連接部分，是盾構管片結構中最為薄弱的局部結構，其在荷載工況下的力學性能直接影響著盾構管片結構整體受力和正常工作的安全性。因此非常有必要對盾構管片接頭的受力性能進行精細的計算和分析。

基于文獻調研[1-4]，目前已有一些學者和工程設計人員對管片接頭結構進行了試驗研究和數值模擬。試驗研究是目前管片結構抗彎性能研究中最常用的手段，而且管片接頭試驗手段也較為成熟。在具體的工程項目中，設計研究人員對工程中使用的管片接頭構件開展力學試驗，檢驗接頭結構的力學性能。但由于時間、人力、物力的限制，往往只能進行有限組的試驗，只能考慮有限的工況情況，同時試驗測量手段也是有限的，可采集的試驗數據也非常有限，因此尋求有效的數值模擬模擬研究也是非常重要的[5-7]。張力[8]等采用實體單元建立了精細化接頭數值模型并用足尺試驗驗證了數值模型計算結果的準確性，研究了螺栓連接狀態對接頭抗彎性能的影響。葛世平[9]等基于管片接頭結構的受力和構造特點對管片接頭及其附近區域進行了剛度修正，提出了局部剛度修正的簡化管片接頭結構模型。FENG K等[10]用梁單元模擬螺栓和忽略螺栓與管片混凝土之間的接觸建立了管片接頭的三維有限元模型，開展了管片接頭的抗彎試驗，并對有限元模擬結果和試驗結果進行了對比驗證，研究結果說明三維有限元模型對管片接頭力學性能的計算模擬有足夠的精度。莊曉瑩等[11]對盾構管片接縫面細部構造進行簡化建立了盾構管片接頭三維有限元模型，并利用模型模擬了正負彎矩作用下管片接頭結構壓彎破壞全過程。綜上所述，管片接頭的三維數值模型能有效的計算管片接頭的力學性能，既有研究往往為了計算簡便而不同程度的對接頭結構進行了簡化，因此難以準確反應管片接頭局部構造的受力特征和局部結構對接頭受力性能的影響。

因此，本論文針對上海某兩污水廠連通管工程的盾構管片項目，采用實體建模軟件Solidworks 結合有限元分析軟件ANSYS-workbench 建立了管片接頭三維精細化模型，采用實體單元模擬了管片接頭的鑄鐵件接頭、螺栓、錨筋以及墊片等，進而精細的計算和研究了盾構管片接頭的力學性能。

1 工程概況

本論文項目是上海某兩污水廠連通管工程。本工程管徑約為3.5 m，管頂覆土埋深約為11～16 m，管內水壓力可達0.35 MPa。盾構管片結構采用疊合式雙襯砌結構。管片厚度為300 mm，內襯厚度取250 mm。

本工程圓形盾構管片模型見圖1，管片設計成由5 塊管片塊拼接而成，每塊管片之間通過管片接頭連接。管片接頭結構見圖1。管片設計考慮施工階段工況和運營階段工況。施工階段工況包括管片自重、施工荷載、全部外水土；運營階段工況主要包括內水壓力。

圖1 盾構管片結構示意圖

2 計算與設計

2.1 計算模型

（1）模型信息

根據管片設計計算結果，最不利控制工況下接頭位置處的管片內力為：彎矩M=115 kN·m，軸力N=405 kN（拉力），根據內力結果管片接頭螺栓可采用10.9 級M39 螺栓，管片接頭材料采用鑄鐵件。取如圖2 所示的管片接頭結構為例進行計算，結構模型主要由鑄鐵件接頭、連接螺栓、連接錨筋、以及螺栓墊片組成。鑄鐵件接頭上留有3 個錨筋接孔，位于鑄鐵件3 邊；連接螺栓采用10.9 級M39 螺栓，位于鑄鐵件中間位置，直徑為60 mm；螺栓墊片采用M42 墊片。鑄鐵件接頭材料采用QT500-7 球墨鑄鐵，彈性模量為169 GPa，泊松比為0.275，密度為7 100 kg/m3。計算時螺栓墊片采用鋼墊片進行模擬。螺栓和墊片材料的彈性模量為206 GPa，密度為7 850 kg/m3。

圖2 鑄鐵件管片接頭模型

（2）有限元模型

如圖3 所示，模型采用Solidworks 三維建模和ANSYS-workbench 進行有限元分析。鑄鐵件接頭設計時，鑄鐵件的破壞不先于螺栓破壞，鑄鐵件接頭承受最大的荷載工況是:螺栓應力達到最大抗拉強度500 MPa 而同時鑄鐵件不發生屈服，所以在螺栓頭表面處施加500 MPa 拉力荷載，錨筋位置處模擬為固定約束。螺栓與墊片之間的連接模擬為剛性面連接，墊片與鑄鐵件之間的連接考慮為剛性連接。

圖3 有限元模型

2.2 計算結果

基于有限元模型，鑄鐵件計算結果見圖4 和圖5。

圖4 鑄鐵件變形分布

圖5 鑄鐵件應力分布

從圖4 和圖5 中可以看出：

（1）結構變形

鑄鐵件接頭變形主要集中在中部螺栓洞口位置，結構變形從中部螺栓位置到錨筋位置逐步變小，錨筋位置變形最小。鑄鐵件結構最大變形為0.19 mm。

（2）結構應力分布

鑄鐵件接頭應力主要集中在中部螺栓洞口位置、錨筋中部及邊緣位置處。最大應力位置發生在中部螺栓與墊片的連接處，連接處的應力集中現象可以通過橡膠螺栓墊片來緩解，而且邊緣位置處的圓角也可以減緩應力集中現象。最大應力大小為370 MPa。

（3）支座反力

錨筋位置處支座反力的大小影響著錨筋的尺寸設計。鑄鐵件三處錨筋位置的支座反力見表1。

表1 錨筋支座反力

從表1 和圖6 可以看出，3 個錨筋的合力大小相當，這有利于錨筋的統一設計；3 個錨筋合力都與平面有夾角，鑄鐵件的錨筋位置設計應考慮這個角度；錨筋受力以Z 向受力為主，合力大小與螺栓上施加的荷載總和相等。錨筋合力大小約為240 kN，通過計算可采用直徑為32 mm 的錨筋。

圖6 錨筋支座反力

3 錨筋位置的影響

在盾構管片接頭結構設計中，錨筋位置的確定對管片接頭的設計尤為重要，它直接影響了錨筋的直徑尺寸以及錨筋的錨固長度等情況，從而影響了管片接頭的結構形式和工程造價。

如圖7 所示，設計了三組錨筋位置模型：（a）31.9°、（b）23.3°、（c）13.4°，變量是兩側錨筋圓心螺栓圓心連線與水平線的夾角，夾角大小的變化使得錨筋高度位置發生改變。

圖7 三組錨筋位置

表2 展示了錨筋位置對鑄鐵件力學性能的影響，錨筋位置會影響管片接頭結構應力場和變形場，但對最大變形和最大應力影響不大。

表2 錨筋位置對鑄鐵件最大變形和最大應力的影響

表3 展示了錨筋位置對支座反力的影響。從表3中看出，（b）組上端和左右端錨筋合力相當，而（a）、（c）組上端和左右端錨筋合力相差較大；當錨筋位置從31.9°變化到13.4°，上端錨筋支座反力從大逐漸變小，左右端錨筋支座反力從小逐漸變大。因此，存在一個錨筋位置使得上端錨筋支座反力和左右端相等，經過計算這個錨筋位置靠近于23.3°。在這個錨筋位置時，各錨筋可以采用相同的錨筋設計。

表3 錨筋位置對錨筋支座反力的影響

4 結語

本論文利用有限元方法建立了精細化的盾構管片接頭三維有限元數值模型，模型中采用實體單元模擬了鑄鐵件管片接頭、螺栓、錨筋以及墊片結構，計算了在螺栓荷載作用下的盾構管片接頭結構的力學性能和錨筋支座反力，并通過3 組情況討論分析了錨筋位置對管片接頭結構力學性能以及錨筋支座反力的影響。主要可以得到如下結論：

（1）利用三維有限元軟件能有效的計算和分析盾構管片接頭的力學性能，盾構管片結構的設計和研究中可以利用這種計算方法。

（2）盾構管片接頭的最大變形和最大應力發生在螺栓位置附近，尤其是螺孔位置附近會有應力集中現象，在設計中應充分考慮這一情況，采用合理的手段，比如彈簧橡膠墊片，來減緩螺孔位置處的應力過大現象。

（3）在盾構管片接頭結構中，錨筋連接位置的改變會明顯的影響錨筋合力大小，從影響錨筋的設計和造價成本。當錨筋位置從下往上移動時，上端錨筋支座反力逐漸變小，左右兩端錨筋支座反力逐漸變大。在實際設計中，建議找到合適的錨筋位置使得各錨筋受力相當，從而簡化錨筋和盾構管片接頭的設計。