[发明专利]矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计

说明书

本发明公开了矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计，其具体包括如下步骤：S1、确定矩形曲线顶管顶进施工过程中顶管上的荷载分布，并计算荷载；S2、建立矩形曲线钢顶管多体系统动力学模型；S3、确定计算模型和连接器单元运动约束属性；S4、确定模型计算物理力学参数；S5、进行直线顶管多体模型分析；S6、进行直线顶管转变为矩形曲线顶管多体模型分析；S7、矩形曲线顶管多体系统动学模型顶管顶进力预计计算。通过研究与优化设计，本发明可计算出矩形曲线顶管顶进的总顶力，为顶进设备的选购提供依据；可计算出各管节之间的顶进力和相对角度，为管节的顶进提供可靠度，避免管节顶进过程中出现偏差而影响施工的进度与质量。

技术领域

本发明涉及建筑施工设计领域，具体为矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计。

背景技术

顶管法是一种非开挖技术，主要用于地下管道的铺设，顶进管道时借助主顶油缸的顶推力,在长度较大时也可借助中继间来传递顶推力，把顶管掘机从始发工作井顶到接收井内并吊起，在此过程中顶管掘进后的管道直接铺设在始发井与接受井之间的土层中。1896年美国北太平洋铁路铺设工程中第一次使用顶管施工技术，并取得满意的效果。顶管施工技术在我国最早开始使用是在1953年的北京，经过多年的发展，顶管技术在我国已得到大量地实际工程应用，且保持着高速的增长势头，无论在技术上、顶管设备还是施工工艺上取得了很大的进步，在某些方面甚至已达到了世界领先水平。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计，通过该研究与优化设计探讨顶管顶进时管节之间的力学行为，提出了基于多体模型预测顶力的新方法，对顶进力与摩擦力和迎面阻力的关系进行讨论。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计，其具体包括如下步骤：

S1、确定矩形曲线顶管顶进施工过程中顶管上的荷载分布，并计算荷载；

S2、建立矩形曲线钢顶管多体系统动力学模型，根据多体动力学基本理论，通过模型获取动力学普遍方程、广义速度公式、动力学控制方程和多体系统的动力学控制方程；

S3、确定计算模型和连接器单元运动约束属性，操作SDK使用两节点连接单元在系统各部分之间建立联系，并通过定义连接属性来描述各部分之间的相对运动约束关系；

S4、确定模型计算物理力学参数，假定地层荷载、摩擦阻力、管端正面阻力都是均匀分布的，假定钢材为理想弹塑性钢材，管节模型取两节，通过连续单元连接两管节；

S5、进行直线顶管多体模型分析，钢管采用壳单元，选用S6R类型进行网格划分；

S6、进行直线顶管转变为矩形曲线顶管多体模型分析，模拟中采用多节管道，矩形曲线管道钢管通过接头连接而成；

S7、矩形曲线顶管多体系统动学模型顶管顶进力预计计算，钢管采用壳单元，选用S6R类型单元进行网格划分。

优选的，步骤S1中，确定矩形曲线顶管顶进过程中顶管上的荷载分布，并计算荷载具体为：

首先，确定矩形曲线顶管上的土压力，分别采用土柱理论、普氏理论和太沙基理论进行分析，与实验对比确定采用太沙基理论；

其次，确定顶进过程中的单位面积摩擦阻力，摩擦阻力受土的性质、管道的材料、润滑浆液的配合比、管-润滑浆液-土三者的接触状态的影响；

最后，确定顶进时的顶力，顶力由管周摩擦阻力和管端正面阻力的大小决定。

优选的，步骤S2中，动力学普遍方程为：

其中，q为广义坐标向量；T为系统动能；Q为广义力；

系统动能T由广义速度表示为：

其中，q为广义速度向量；M为质量矩阵；

物体的动力学控制方程为：