[发明专利]基于模拟接头模型的盾构隧道内力计算方法

权利要求书

1.一种基于模拟接头模型的盾构隧道内力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在MATLAB中输入盾构隧道结构参数以及隧道所在地层参数；所述盾构隧道结构参数包括管片标准块数量n、封顶块对应的圆心角度数α、邻接块对应的圆心角度数β、标准块对应的圆心角度数γ、隧道外径D、管片厚度d、幅宽l、混凝土重度γ_c和隧道埋深h₀；所述地层参数包括地下水位深度h_w、地层层数n_s、地层厚度h_i、地层自重γ_i和地层侧压力系数λ_i，地层自重指的是单位体积地层的重量；

S2、通过MATLAB，根据地层厚度h_i与地下水位深度h_w，确定位于地下水位的地层，将该地层划分为两层，分别为位于地下水位上方的地层和位于地下水位下方的地层，地层层数n_s增1并更新为n_s1，地层厚度h_i、地层侧压力系数λ_i和地层自重γ_i分别更新为地层厚度h_j、地层侧压力系数λ_j和地层自重γ_j，更新后的各地层中，与地下水位最接近的两层地层厚度之和等于被划分地层的原厚度，其它层地层的厚度分别等于各自对应的原厚度，与地下水位最接近的两层地层的侧压力系数均等于被划分地层的原侧压力系数，其它层地层的侧压力系数分别等于各自对应的原侧压力系数；

S3、通过MATLAB，根据地下水位深度h_w、地层自重γ_j和地层厚度h_j，确定重分层之后的各地层重度重分层后位于地下水位上方的各地层重度分别等于各自对应的原地层自重，位于地下水位下方的各地层重度分别等于各自对应的原地层自重减去水重度，水重度指的是单位体积水的重量；

S4、通过MATLAB，根据地层侧压力系数λ_j、地层厚度h_j、地层重度以及隧道埋深h₀，计算得到隧道顶部垂直荷载p₁、隧道顶部侧压力q₁和隧道底部侧压力q₂；

S5、通过MATLAB，根据封顶块对应的圆心角度数α、邻接块对应的圆心角度数β和标准块对应的圆心角度数γ，对封顶块、邻接块和标准块进行单元划分，得到封顶块的计算单元对应的圆心角度数θ_k和计算单元数n_K、邻接块的计算单元对应的圆心角度数θ_B和计算单元数n_B、标准块的计算单元对应的圆心角度数θ_A和计算单元数n_A；

S6、通过MATLAB，根据n_K、n_B和n_A，对1+2+n管片拼装方式对应的接头进行定位，得到各接头位置对应的计算节点号N₁、N₂……N_n+3；

S7、将管片标准块数量n、封顶块对应的圆心角度数α、邻接块对应的圆心角度数β、标准块对应的圆心角度数γ、隧道外径D、管片厚度d、幅宽l、混凝土重度γ_c、隧道顶部垂直荷载p₁、隧道顶部侧压力q₁、隧道底部侧压力q₂、封顶块的计算单元对应的圆心角度数θ_k和计算单元数n_K、邻接块的计算单元对应的圆心角度数θ_B和计算单元数n_B、标准块的计算单元对应的圆心角度数θ_A和计算单元数n_A、各接头位置对应的计算节点号全部导出到txt文件中；

S8、在MATLAB中调用ANSYS，将txt文件所记录的各项参数导入ANSYS，使用BEAM3单元定义管片单元，使用LINK10单元定义地层弹簧单元，使用COMBIN14单元模拟管片之间的弹簧，模拟环向连接螺栓对管片内力起到的影响，构建隧道管片结构模型；

S9、按照隧道顶部垂直荷载p₁、隧道顶部侧压力q₁和隧道底部侧压力q₂，对隧道管片结构模型的每个管片单元节点施加荷载；

S10、通过ANSYS计算并输出各隧道管片单元的内力至txt文件中，完成盾构隧道内力的计算；

所述步骤S4中，隧道顶部垂直荷载p₁、隧道顶部侧压力q₁和隧道底部侧压力q₂的计算方法如下：

隧道顶部垂直荷载p₁的计算：

p₁＝p_e1+p_w1

p_w1＝γ_w×h_wj

其中，j＝1,2...k表示位于隧道顶部以上的各地层的编号；γ_w表示水重度；h_wj表示地下水位至隧道顶部的竖直距离；p₀表示地面初始交通荷载；p_e1表示隧道顶部垂直方向的土荷载，其数值等于地面初始交通荷载p₀与位于隧道顶部上侧的所有地层重量之和；p_w1表示作用在隧道顶部垂直方向的水荷载；

隧道顶部侧压力q₁的计算：

q₁＝q_e1+q_w1

其中，q_e1、q_w1分别表示隧道顶部水平方向的土荷载和水荷载；d表示隧道管片的厚度；λ_j|j＝t表示隧道顶部所在的第t地层的侧压力系数；表示隧道顶部所在的第t地层的地层重度；

隧道底部侧压力q₂的计算：

q₂＝q_e2+q_w2

q_w2＝γ_w×(h_wj+D-d)

其中，q_e2、q_w2分别表示隧道底部水平方向的土荷载和水荷载；D表示隧道外径；λ_j|j＝b表示隧道底部所在的第b地层的侧压力系数；表示隧道底部所在的第b地层的地层重度；

所述步骤S5中，对封顶块、邻接块和标准块进行单元划分的具体方法为：

首先将每个计算单元初步按照δ°的角度进行等角度划分，并对计算单元数进行向下取整操作，即：

n_K＝floor(α/δ)，n_B＝floor(β/δ)，n_A＝floor(γ/δ)

其中，floor表示对数值进行向下取整；

之后基于各管片取整后的计算单元数重新计算各个管片的计算单元所对应的圆心角度数：

θ_k＝α/n_K，θ_B＝β/n_B,θ_A＝γ/n_A；

所述步骤S6中，任意一种1+2+n的管片拼装方式，均根据以下规律进行接头位置的定位：

1+2+n的管片拼装方式中，共有n+3个接头，其对应的计算节点号为N₁、N₂……N_n+3；管片的节点定位按照弧度进行划分，以封顶块和左邻接块的接头为起始位置绕逆时针进行节点的定位，各个螺栓接头对应的节点号为：

N₁＝1

N₂＝N₁+n_B＝1+n_B

N_i＝N_i-1+n_A＝1+n_B+(i-2)n_A,3≤i≤n+2

N_n+3＝N_n+2+n_B＝1+2×n_B+n×n_A。