[发明专利]一种潮汐荷载下沉管隧道管节环向应变的计算方法

摘要

本发明提供一种潮汐荷载下沉管隧道管节环向应变的计算方法，将管节上回於层假定为不透水层，将潮汐水位的变化视做不透水层上部附加的大面积荷载p₀，地下水位所在位置为不透水层顶面；不考虑横向潮流对管节结构的影响，计算作用在管节外壁的水、土压力和地基反力，采用温克尔地基模型，将环向应变计算视为平面应变问题，利用荷载‑结构法对管节结构环向受力及变形进行分析；通过管节横向模型受力计算以及管节环向应力应变关系；最终通过计算可以得到某一潮汐水位下管节内外壁环向应变分布及管节内外壁各点环向应变随潮汐水位变化的影响。计算结果可以用于预测运营阶段沉管隧道管节环向应变，预判可能产生裂缝的部位，并对其进行重点监控和预防。

主权项

1.一种潮汐荷载下沉管隧道管节环向应变的计算方法，其特征在于，将管节上回於层设定为不透水层，将潮汐水位的变化视作不透水层上部附加的大面积荷载p₀，地下水位所在位置为不透水层顶面；不考虑横向潮流对管节结构的影响，计算作用在管节外壁的水、土压力和地基反力，采用温克尔地基模型，将环向应变计算视为平面应变问题，利用荷载‑结构法对管节结构环向受力及变形进行分析；令：H_w(t)为随时间变化的潮汐水位，单位为m；H₁为不透水层顶面至管节顶板距离，单位为m；H₂为顶板顶面至底板底面距离，单位为m；p_w1和p_w2分别为顶板和底板所受竖向水压，单位为kPa；p_e1为顶板所受竖向土压，单位为kPa；p₁为地基反力，单位为kPa；q_e1和q_e2分别为顶板和底板处的侧向土压，单位为kPa；q_w1和q_w2分别为顶板和底板处的侧向水压，单位为kPa；步骤(1)：管节横向模型受力计算作用在不透水层顶面的等效大面积荷载为：p₀＝γ_wH_w(t)                               (1)式中：γ_w为水的重度，单位为kN/m³；顶板所受竖向水压和土压分别为：p_w1＝γ_wH₁                                (2)p_e1＝p₀+∑γ_i′h_i                             (3)式中：γ′_i为管节上覆各土层有效重度，单位为kN/m³；h_i为管节上覆各土层厚度，单位为m；底板所受竖向水压为：p_w2＝γ_w(H₁+H₂)                            (4)管节侧向荷载沿高度成线性分布，则顶板处的侧向水压和土压分别为：q_w1＝γ_wH₁                                 (5)q_e1＝K₀(p₀+∑γ_i′h_i)                           (6)式中：K₀为静止土压力系数；底板处的侧向水压和土压分别为：q_w2＝γ_w(H₁+H₂)                             (7)q_e2＝K₀(p₀+∑γ_i′h_i+∑γ_j′h_j)                       (8)式中：γ′_j为管节所处各土层有效重度，单位为kN/m³；h_j为管节所处各土层厚度，单位为m；步骤(2)：管节环向应力应变关系定义管节横向为x轴方向，竖向为y轴方向，将管节截面视为平面应变状态，通过管节所受外力计算其应力分布，根据广义胡克定律得到三向应力‑应变关系为：式中：μ为管节材料泊松比；E为管节材料弹性模量，单位为Mpa；ε_x、ε_y和ε_z分别为x轴、y轴和z轴方向应变，拉应变为正，压应变为负；σ_x和σ_y分别为x轴和y轴方向应力，拉应力为正，压应力为负；实体管节截面厚度分布不均，若等效为杆系进行计算会产生一定误差，本方案通过建立管节二维有限元模型进行计算，其中，地基采用弹簧单元模拟；最终，通过计算可以得到某一潮汐水位下管节内外壁环向应变分布及管节内外壁各点环向应变随潮汐水位变化的影响；计算结果可以用于预测运营阶段沉管隧道管节环向应变，预判可能产生裂缝的部位，并对其进行重点监控和预防。