[发明专利]一种沉管隧道接头剪力键剪力的刚度影响线分析方法

说明书

技术领域

本发明属于沉管隧道设计技术领域，具体涉及一种沉管隧道接头剪力键剪力的简化计算方法，特别是一种利用刚度影响线求解地基刚度变化引起的沉管隧道接头剪力键剪力的分析方法。

背景技术

沉管隧道的受力是上覆荷载、沉管结构、接头及基础土层共同作用的高次超静定问题。根据纵向结构体系组成的不同，沉管隧道可分为两类，一类是整体式管节沉管隧道，一类是节段式管节沉管隧道。整体式管节沉管隧道纵向由若干个管节及相邻管节之间的管节接头组成。管节接头包括周圈起止水作用的GINA止水带及若干传递竖向及水平向剪力的剪力键组成。节段式管节是在整体式管节的基础上，每个管节又由若干个节段组成，相邻节段间的接头称为节段接头，节段接头包括周圈OMEGA止水带、可注浆止水带及若干传递竖向及水平向剪力的剪力键组成（请参阅图1）。

在上覆荷载作用下，由于沉管底部基础层的压缩，沉管隧道将会产生变形。如果上覆荷载均匀，管底土层分布及基础处理也是均匀的，那么整个沉管隧道纵向将会均匀变形，在这种情况下不管是管节接头还是节段接头均不会发生差异变形的趋势，因此接头不会产生剪力。

而实际工程中，由于管底土层纵向分布不均匀、基础处理纵向也很难保持一致，隧道基础施工或多或少存在施工误差，因此沉管隧道将会支撑在不均匀的地基刚度上，接头两侧差异变形的趋势将使接头出现剪力。大量计算分析表明，在静力荷载作用下沉管隧道接头剪力键的剪力，主要是由地基刚度的变化引起的。

以往对地基刚度变化引起的沉管隧道接头剪力键剪力的分析，多采用数值计算来进行。通过不同的弹簧分别模拟地基刚度、接头GINA刚度、接头剪力键的连接刚度，建立沉管隧道纵向结构计算模型，采用SAP2000或ANSYS等大型有限元软件进行计算。这种方法，建模过程复杂，参数众多，计算周期较长。

沉管隧道纵向模型的大量计算表明，剪力键剪力的最不利受力状态，出现在隧道整体升温工况。在整体升温工况时，GINA、OMEGA等接头止水构造均于压紧状态，沉管隧道纵向受力模型接近二阶连续弹性地基梁模型，使得利用常规弹性地基梁理论分析沉管隧道接头剪力的计算成为可能。目前国内外文献专利中，尚未见到有关求解地基刚度变化引起的沉管隧道接头剪力键剪力的简化分析方法的报道。

此外，影响线作为土木工程中分析移动荷载作用下某一特定截面内力或位移的分析方法，在桥梁工程、铁路工程中得到广泛应用。具体绘制方法是通过单位力沿结构跨长移动，将移动过程中某一考察截面的截面内力、位移或支座反力等数值，绘制在荷载作用点的位置，从而形成一条沿结构跨长的曲线，称为影响线。由于移动的是单位力，因此也称为荷载影响线。目前国内外文献专利中，尚未见到有关刚度影响线的文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种沉管隧道接头剪力键剪力的刚度影响线分析方法，以解决沉管隧道接头剪力键剪力的简化计算，方便剪力键设计，快速判断基础方案可行性等问题。

为实现上述目的，本发明提供的沉管隧道接头剪力键剪力的刚度影响线分析方法，包括如下步骤：

1）构建沉管隧道纵向计算模型，该模型包括模拟隧道结构的梁单元、模拟隧道接头剪力键的接头单元、纵向每隔单位长度设置的模拟地基支撑作用的弹簧以及作用在隧道上的荷载；

2）计算沉管隧道任意弹簧位置在基底均布荷载p作用下的基底平均沉降δ，得到纵向单位长度弹簧的竖向刚度k；

3）计算隧道全长范围内n个弹簧的平均刚度以及地基刚度变化比例α_i，根据α_i的分布绘制地基刚度变化模式图；

4）当所有弹簧刚度均取时，整个隧道将均匀下沉，均匀沉降此时任意截面位置均不产生剪力；

5）改变某一微段长度[-X₀,X₀]区间内的刚度，将[-X₀,X₀]区间内弹簧刚度取k₂、其余区间弹簧刚度取全长q均布荷载作用下的弹性地基梁模型定义为A模型；将全长范围弹簧刚度均取仅在[-X,X]区间作用均布荷载q₁的弹性地基梁模型定义为B模型；

6）当X₀→0时，此时A模型任意位置的剪力与B模型任意位置的剪力相同，可采用B模型代替A模型，用于剪力键剪力的求解；

7）根据集中荷载作用下弹性地基上的无限长梁模型，得到作用下任意截面位置的剪力数值；