[发明专利]一种模拟盾构隧道环缝的有限元单元模型

说明书

本发明公开了一种模拟盾构隧道环缝的有限元单元模型，该单元为一维两节点单元，其中单元刚度矩阵随环缝接头不连续变形量的发展而变化，分为三个阶段。各阶段单元刚度矩阵的元素直接对应于环缝接头的轴向拉压刚度，抗剪刚度和抗弯刚度，具有明确的物理意义。本发明提出的有限元单元模型，能够很好地模拟盾构隧道环缝位置的不连续变形，使得计算获得的隧道纵向变形模式贴近于隧道实际纵向变形模式，达到实际应用的水平。

技术领域

本发明属于建筑结构技术领域，涉及用于模拟盾构隧道环缝受力性能的有限元单元模型及其算法。

背景技术

工程实际表明，盾构隧道环缝接头处的不连续变形是盾构隧道纵向变形的主要组成部分。为模拟盾构隧道环缝的受力变形特征，国内外学者提出了多种不同类型的有限元单元模型。

西野健三、小泉淳等率先采用弹簧单元模拟环缝的受力性能。弹簧单元的轴向拉压刚度，抗剪刚度和抗弯刚度由环缝接头的轴向拉压刚度、抗剪刚度和抗弯刚度决定。此后学者们提出的单元模型大多由弹簧单元模型改进而来。例如，刘学山等提出，弹簧单元实质上表达的是其所连接节点的节点力和节点位移的关系。因此，可以直接采用矩阵的方式表达节点力与节点位移的关系，采用矩阵单元代替弹簧单元。又如，朱合华等提出，采用弹簧单元模拟环缝接头，不能够反映出环缝接头位置的不连续变形。朱合华等借用了不连续介质力学中古德曼单元的建模思想，建立了环缝位置位移不连续的两节点接头单元用于模拟环缝的受力变形特征。

目前各类弹簧单元模型和改进弹簧单元模型尚有两点不足。

其一，各类弹簧单元模型和改进弹簧单元模型缺乏可靠的计算参数。目前弹簧单元模型和改进的弹簧单元模型的计算参数基本来源于环缝接头足尺试验。而现有的环缝接头足尺试验常在管片环上截取一定宽度的管片作为试验构件。因此，实际只能得到环缝局部的受力性能参数。此参数直接应用于模拟整个环缝面受力性能的弹簧单元模型中尚存在一定的不匹配问题。

其二，各类弹簧单元模型和改进弹簧单元模型的刚度矩阵形式不随环缝接头变形的发展而变化，不能够反映盾构隧道环缝接头受力性能随环缝接头变形发展分阶段变化的特征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟盾构隧道环缝的有限元单元模型，既能够反应环缝接头受力变形特征，又比较容易获取计算参数。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于模拟盾构隧道环缝的有限元单元模型，该单元为一维两节点单元，单元刚度矩阵随环缝接头不连续变形量的发展而变化，分为三个阶段。

进一步，所述各阶段单元刚度矩阵的元素直接对应于环缝接头的轴向拉压刚度、抗剪刚度和抗弯刚度。

设i为阶段的编号，i＝1，2，3，则第i阶段对应的单元刚度矩阵K_i如下：

其中，K_n(Δu)、K_S(Δv)、K_θ(Δθ)均为有界函数，其物理意义是环缝接头的轴向拉压刚度，抗剪刚度和抗弯刚度，其分别为环缝接头的轴向拉压变形、剪切变形(错台)和弯曲变形(张开)的函数。

以下结合附图进一步加以阐述。

拟建立的接头单元是一个两节点单元，如图1所示。