[发明专利]一种多环盾构衬砌结构的三维仿真计算方法

权利要求书

1.一种多环盾构衬砌结构的三维仿真计算方法，其特征在于所述计算方法包括以下步骤：

（S1）通过计算机建模软件构建物理几何模型，分别为开孔的盾构管片、盾构管片环之间的环间连接螺栓、所述盾构管片环内衬砌块间的环内连接螺栓、所述盾构管片开孔处的接头结构以及与所述接头结构相连接的外接结构；

（S2）对所述物理几何模型建立有限元模型，确立各单元和节点；

S21：针对S1中开孔的所述盾构管片，采用板或壳单元建立有限元模型；

若所述盾构管片为混凝土管片，设定所述混凝土管片的厚度为hc、混凝土弹性模量为Ec、泊松比为μc；设定所述混凝土管片的每延米抗弯刚度Ic，计算式为Ic=hc³/12；设定每延米所述混凝土管片的剪切模量Gc，计算式为Gc=Ec/2(1+μc）；

若所述盾构管片为钢管片，设定等截面钢管片等效高度hs、钢材弹性模量为Es、泊松比为μs；所述钢管片等效高度hs的计算式为hs = (12*Is)^1/3，其中Is为所述钢管片的每延米惯性矩，Is根据所述钢管片的实际截面计算获得；设定所述钢管片的剪切模量Gs，计算式为Gs = Es/2(1+μs）；

S22：针对S1中所述盾构管片环之间的所述环间连接螺栓，采用弹簧单元建立有限元模型，所述弹簧单元具有沿所述盾构管片径向的抗剪刚度以及沿所述盾构管片环向的抗剪刚度；

每延米沿所述盾构管片径向的剪切刚度Ksr的计算式为Ksr = 24EI/b³，其中，E为所述盾构管片的弹性模量；b为所述盾构管片的宽度；I为所述盾构管片截面积的惯性矩，I的计算式为I=s*h³/12，式中h为所述盾构管片的厚度，s为所述盾构管片环上相邻所述环间连接螺栓的弧线距离，s的计算式为s=C/n，C为所述盾构管片环的周长，n为所述环间连接螺栓在所述盾构管片环上的设置数量；

每延米沿所述盾构管片环向的剪切刚度Kst的计算式为Kst=s*h*E/b(1+μ），其中，s为所述盾构管片环上相邻所述环间连接螺栓的弧线距离，h为所述盾构管片的厚度，E为所述盾构管片的弹性模量，μ为所述盾构管片的泊松比；

S23: 针对S1中所述盾构管片环内衬砌块间的所述环内连接螺栓，采用弹簧单元建立有限元模型，环内连接弹簧单元具有沿所述盾构隧道横断面法向的抗弯刚度：

所述环内连接弹簧单元沿盾构隧道横断面法向的抗弯刚度假定为双线性：第一段表示从零作用状态到所述盾构管片全断面受压临界状态，大小设定为无穷大， Km₁ =∞；第二段表示所述盾构管片从全断面受压开始，出现断面局部受拉，直到所述盾构管片最大受压侧出现破坏，计算公式为：

其中，M₁、θ₁表示所述盾构管片全断面受压临界状态时的弯矩；

M₂、θ₂表示受压侧的所述盾构管片受压破坏时所述盾构管片断面上的弯矩；

其中：

σ为所述盾构管片上的最大压应力，b为所述盾构管片断面宽度，h为所述盾构管片断面有效高度，N为所述盾构管片断面轴力，E为所述盾构管片弹性模量；

其中：

C为所述盾构管片断面压力，T为所述环内连接螺栓拉力，σ₀为所述盾构管片承受最大压应力，E为所述盾构管片弹性模量，h为所述盾构管片断面有效高度，d为所述环内连接螺栓至受压面距离；

其中：

K_j为所述环内连接螺栓的弹性系数、N为所述盾构管片断面轴力、x为所述盾构管片受压区高度；

S24：针对S1中的所述外接结构，采用板或壳单元建立有限元模型，设定所述外接结构的厚度hj、材料弹性模量Ej、材料泊松比μj；设定所述外接结构每延米的抗弯刚度Ij，计算式为Ij=hj³/12；设定所述外接结构每延米的剪切模量Gj，计算式为Gj=Ej/2(1+μj）；

S25：针对S1中的所述接头结构，采用梁单元建立有限元模型，设定所述梁单元高度ht、所述梁单元宽度bt、材料弹性模量Et、材料博泊松比μt；设定所述接头结构每延米的抗弯刚度It，计算式为It=bt*ht³/12；设定所述接头结构每延米的剪切模量Gt，计算式为Gt=Et/2(1+μt）；

S26：所述接头结构的梁单元刚性连接于S21中所述盾构管片的壳单元上以及S24中所述外接结构的壳单元上；

S27：S21中采用壳单元模拟单个所述盾构管片内部时，所述盾构管片的壳单元与壳单元之间采用刚性连接；

S28: S21中采用的壳单元模拟单个所述盾构管片边缘时，且位于与同一盾构管片环内相邻单个盾构管片的边缘壳单元时，若位于物理几何模型环内螺栓布置位置处，则所述盾构管片的壳单元与相邻其他单个盾构管片的壳单元之间采用S23中所述的弹簧单元连接，若没有处于物理几何环内螺栓布置位置处，则仅设置受压刚度，刚度等于管片壳单元的受压刚度；

S29：S21中采用的壳单元模拟单个所述盾构管片边缘，且位于与另一盾构管片环的边缘壳单元时，若处于物理几何模型环间螺栓布置处，则与其它所述盾构管片的壳单元之间采用S22中所述弹簧单元连接；若没有处于物理几何模型环间螺栓布置处，则仅设置受压刚度，刚度等于管片壳单元的受压刚度；

S30：所述壳单元模拟所述盾构管片上的开孔边缘时，壳单元刚性连接于S25中所述接头结构的所述梁单元上；

（S3）针对S21中所述盾构管片的壳单元、S25中所述接头结构的梁单元输入荷载；

（S4）针对S21中所述盾构管片的壳单元、S25中所述接头结构的梁单元设定边界条件；

（S5）将S1-S4中所述盾构管片的壳单元、所述环间连接螺栓的弹簧单元、所述环内连接螺栓的弹簧单元、所述外接结构的壳单元以及所述接头结构的梁单元所涉及的参数、荷载、边界条件导入，进行三维仿真计算。