铁路隧道装配式衬砌结构内力分析

铁路隧道装配式衬砌结构内力分析　陶德敬，王长春　（西南交通大学地下工程系，四川成都６１００３１）　【摘要】　用梁一弹簧单元接头模型模拟了铁路隧道装配式衬砌结构，对不同的接头刚度和不同分块　方式下结构的内力进行了比较。提出了装配式衬砌合理的分块方式。　【关键词】　铁路隧道；　装配式衬砌；　分块原则　【中图分类号】Ｕ４５２．２　１　【文献标识码】Ａ　ｌ　引　言　（３）环向接头。将环向接头看成弹性铰，不但可以承受　剪力和轴力，还可以设定铰的环向刚度并能承受弯矩。　装配式衬砌的重要特征是接头的存在，而接头的性能对　衬砌块的受力和变形有很大的影响，这是衬砌设计计算中必　３铁路隧道装配式衬砌的划分原则　须考虑的重要因素。目前，对于装配式衬砌常用的力学计算　铁路隧道预制构件的划分以结构的力学分析为基础，并　模式有修正惯用设计法，梁一弹簧单元接头模型，梁一接头　考虑构件的标准化、构件在制造中的便利性以及构件在运输　模型，接触力学模型。由于装配式衬砌是通过多块管片用螺　和拼装过程中的可行性进行设计。　栓拼装起来的，各管片的接头处存在一个能承担一部分弯矩　铁路隧道衬砌基本上就是两种形式：一种是直墙式，一　的弹性铰，它既非刚接，也不是完全铰接，其承担弯矩的多　种是曲墙式。在深埋时一般采用曲墙式。但不管是直墙式　少，与接头刚度的大小成正比。为了充分考虑环向接头，使　还是曲墙式，首先把拱部和边墙截然分开，划分为两种类型　计算结果更符合实际条件，本文采用梁一弹簧单元接头模型　的构件。构件的制造和安装，都要求预制构件轻量化。结构　对标准铁路单线装配式隧道结构进行模拟。梁一弹簧单元　构件的划分不仅要考虑合理的受力状态，更要考虑构件制造　接头模型是根据铁路隧道装配式衬砌特点，在衬砌环内，具　和安装的可能性。减少构件的类型便于实现规模化生产，也　体考虑环向接头位置和接头刚度，用抗弯刚度　来体现环　是构件划分的重要原则。　向接头实际抗弯刚度。梁一弹簧模型如图１所示。　由于二次衬砌一般都由素混凝土、钢筋混凝土或钢纤维　２计算模型　｝昆凝土材料组成，所以这些材料的抗压性能都很高，而抗拉　性能很低。因此从受力的角度看，控制分块的原则应该由二　计算采用荷载一结构模型，　次衬砌的弯矩分布来控制。最理想的分块方式是将接头设　利用ＡＮＳＹＳ软件进行模拟。衬砌　置在零弯矩处，这样装配式衬砌的受力与整体衬砌的受力完　结构采用二维弹性梁单元　全相同；或者在零弯矩靠近的正弯矩部位，以减小拱顶的最　（ｂｅａｍ３）进行模拟；用ｌｉｎｋｌ０单元　大正弯矩。但是考虑到构件的标准化，运输、施工的可行性　来模拟衬砌周围的地层抗力；环　以及吊装设备的能力，除考虑弯矩外还要考虑管片的最大重　图１梁一弹簧模型　向接头采用三维销钉单元　量。也就是说根据吊装机械的吊装能力来控制管片的分块　（ｃｏｍｂｉｎ７），该单元可以模拟弹性　大小。实际上，二者应该结合考虑。只要满足分块处弯矩值　铰（即可以设定铰的环向刚度并能承受弯矩），是一个五节点　较小和管片重量能满足吊装设备的吊装能力，这种分块模式　的三维结构单元。静力分析中需要输入的参数如下：Ｋ，轴　就是可行的。　向刚度；　，切向刚度；　，旋转刚度。　从工程实践来看，单线铁路隧道衬砌预制构件的划分，　即为接头抗弯刚度　，其取值尚无现成的公式或图　有以下方案：　表可查。一般要根据接头荷载试验确定。　第一方案：拱部２—３块＋边墙左右各１块＋模筑混凝　具体模拟情况如下：　土底板或预制钢筋混凝土底板或仰拱。　（１）管片结构。采用二维梁单元，该单元由两个节点生　第二方案：拱部２—３块＋边墙左右各２块＋模筑混凝　成，每个节点有３个自由度，具有轴向拉伸、压缩和抗弯曲及　土底板或预制钢筋混凝土底板或仰拱。　剪切变形的特点。　（２）弹簧约束。模型计算中考虑周围围岩的弹性抗力。　［收稿日期］２００５—０８—０４　衬砌与围岩之间满足温克尔假定，采用杆单元模拟，该单元　［作者简介］陶德敬（１９８０一），男，硕士，从事地下工程　只能承受压力。　结构方面的研究。　四川建筑第２６卷４期２００６．８　ｌ０５　维普资讯 http://www.cqvip.com

考虑到由于仰拱与曲墙在墙脚处分别有不同的曲率，如　各管片的接头处存在一个能承担一部分弯矩的弹性铰，它　果在此分块，可能导致安装有较大难度。因此考虑在仰拱与　既非刚接，也不是完全铰接，其承担弯矩的多少，与接头　墙脚处相交的上边部位分块。这样不但能满足安装的合理　刚度的大小成正比。在上述构件划分前提下，计算接头位　性，而且可以使仰拱的力学行为更加合理。　置和接头刚度对结构受力的影响。荷载取Ⅳ级围岩深埋时　４结构受力分析　的受力情况，假定全部荷载作用在二次衬砌上。计算中采　用的接头抗弯刚度参考管片接头荷载试验值，其抗弯刚度　４．１整体结构受力分析　在ｌＯ　ｏｏｏ　１ＯＯ　ｏｏｏ　ｋＮ．ｍ／ｒａｄ范围内，计算时取三种情况，　在整体结构受力分析时，断面取单线铁路标准断面，二　即接头抗弯刚度分别为１ｅ４ｋＮ・ｍ／ｔａｄ、５ｅ４ｋＮ・ｍ／ｔａｄ和　次初砌采用Ｃ４０预制防水钢筋混凝土，厚度为３００　ｍｍ。按　ｌｅＳｋＮ・ｍ／ｒａｄ．以分析结构在不同的分块形式和不同的接　照荷载一结构模型计算二次初砌的内力分布情况，假定荷载　头刚度的内力变化情况（见表１）。　全部作用在二次衬砌上面。然后分别对Ⅲ、Ⅳ、Ｖ级围岩标　从表１可以看出：　准铁路隧道断面进行计算。考查零弯矩点，从而找出较为合　（１）方案一中接头设在零弯矩处，接头刚度的大小对整　理的分块位置（图２）。　体结构的内力几乎没有影响，与整体结构相比，全环最大弯矩　的绝对值和剪力值减小，但最大轴力值增大。最大弯矩值减小　４％左右，最大轴力值增大１．４％，最大剪力减小１％左右。　（２）方案二中在拱顶中心设置了一个接头，与方案一　相比，拱顶正弯矩减小，拱肩负弯矩增大，全环最大弯矩　绝对值和剪力值几乎不变。最大轴力值增大２％左右。　Ⅲ级　Ⅳ级　Ｖ级　（３）方案三中设置了较多的接头，与整体结构比较，　图２　ｍ级、Ⅳ级、Ｖ级围岩的零弯矩点　最大弯矩绝对值减小，最大轴力和剪力值增大。最大弯矩　减小４５％，最大轴力增大１６％，最大剪力增大７％。接头　４．２接头对装配式结构受力及变形的影响　刚度在１０　０００～１００　０００ｋＮ・ｍ／ｒｏｄ范围内时，对结构整体内　通过对图２的考察，并结合铁路装配式衬砌分块原则，　力的影响很小。　总结出以下三种方案，对它们进行受力分析（图３）。　５结论　Ｏ　Ｏ　Ｏ　（１）接头位置设在零弯矩处时对结构内力几乎没有影　响。接头位置在非零弯矩处时，对结构内力有影响，当接　头设在较：犬弯矩处时，该处弯矩的绝对值呈减小的趋势，　其轴力和剪力的绝对值呈增加的趋势；　方案一　方案二　方案三　（２）随着接头刚度的变化，衬砌环内力会重分布，当　图３不同的分块方式　接头刚度在１０　０００～１００　０００　ｋＮ・ｍ／ｒａｄ范围内变化时，接　耋二：三　：　篓　＋＋　妻　衰　　：ｌ　＾　＋＋　豢：　．　。　　头刚嚣　薹　妻结构　｛薹　耄蒜　　　篡　砌中，由于曲晶　墙式茗　　由于装配式初砌是通过多块管片用螺栓拼装起来的，　。釜　萎　。　：　便于制造和安装，是一种合理的　分块方式。　参考文献　［１］　贾永刚．铁路隧道装配式衬砌力　学特性研究［Ｄ］．成都：西南交　通大学，２００３：１—７．　［２］　王明年．地下铁道明挖区间隧道　结构预制技术的研究［Ｊ］．铁道　学报，２００４，２６（３）：８８—９２．　［３］　张厚美．盾构隧道管片接头荷载　试验研究［Ｊ］．现代隧道技术　２００２，３９（６）：２８—３３．　ｌ０６　四川建筑第２６卷４期２００６．８