[发明专利]一种多环盾构衬砌结构的三维仿真计算方法

说明书

本发明公开了一种多环盾构衬砌结构的三维仿真计算方法，包括以下步骤：（S1）通过计算机建模软件构建物理几何模型，分别为开孔和不开孔的盾构管片、环内和环间连接螺栓、接头结构以及外接结构；（S2）对物理几何模型建立有限元模型，确立各自的单元类型和参数；（S3）针对盾构管片和外接结构的壳单元、接头结构的梁单元输入荷载；（S4）针对盾构管片的壳单元、接头结构的梁单元设定边界条件；（S5）将S1‑S4中全部单元、参数、荷载、边界条件导入，进行三维仿真计算。本发明的优点是：通过对盾构衬砌、外接结构、开孔连接构造和环内、环间的连接螺栓四部分构造分别采用合适的单元建立有限元仿真模型进行计算，有效验证结构开孔后的受力情况。

技术领域

本发明属于有限元仿真模拟计算技术领域，具体涉及一种多环盾构衬砌结构的三维仿真计算方法。

背景技术

随着计算机水平的不断发展，有限元仿真模拟计算方法在结构工程领域的应用越来越广。在盾构隧道领域，现今有基于匀质圆环法、弹性铰法、梁-弹簧法、三维板壳法的盾构隧道有限元仿真模拟计算，但以上各方法均有其使用的局限性：匀质圆环、弹性铰法多运用于盾构隧道结构断面内计算，并不能反映盾构隧道在纵向相邻管片环间的相互作用；梁-弹簧法可以反映相邻环间的相互作用，但是不能反映单环管片内衬砌沿隧道纵向的受力分布情况；现今存在的三维板壳法则并无体现盾构衬砌间、盾构环间的螺栓连接。同时以上方法在遇到盾构隧道开孔等结构异型的情况下并无较高的通用性。基于以上方法的局限性，目前针对多环盾构衬砌的受力仿真计算存在较多难点。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有方法的局限性，提供了一种多环盾构衬砌结构的三维仿真计算方法，同时可适用于盾构衬砌结构的开孔计算。该计算方法通过分别为盾构管片、环间和环内连接螺栓建立物理几何模型（若存在开孔，还应建立接头结构和外接结构），从而实现盾构衬砌多环结构的三维仿真模拟计算。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

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；