组合施工中管片受力分析 路灯车出租, 珠海路灯车出租, 珠海路灯车公司 圆筒管片分析理论, 取管片中的一点微单元p,取一个微小的平行六面体,六面垂直于坐标轴,棱边的长度PA=dx,PB=dy,PC=dz。计算要满足弹性力学的三个基本方程及两个边界条件,三个基本方程如下: 微单元体受力的平衡微分方程 0xzzxyyxxxF, 微单元体变形的几何方程,又称为柯西(Cauchy)方程. 应力应变关系,又称本构关系. 两个边界条件4应力边界条件,式中l,m,n为斜面外法线方向余弦. 5位移边界条件.
推力大小计算, 根据实际工程,由管片受力计算公式,计算出盾构机空推时反力. 根据以上计算可以得出,空推时反力可达到176t~194t,为保证管片止水胶条不渗水,管片压紧所需压力为160t~180t,依靠盾构机提供的反力,在盾构姿态准确的理想情况下,能达到管片压紧及推进拼装的要求将推力进行折算,施加在管片环上的压力为0.2738MPa~0.3049MPa。根据国内外类似工程经验,以每次推进4环管片的方式进行拼装,包括盾构推进、管片拼装、豆砾石回填、同步注浆等工序。
管片受力模型及计算分析, 根据现场施工,根据力学特点,将管片受力模型用隧道力学模型表达,矿山法段的隧道埋深为9.75~28.4m,力学模型取为长30m(20环管片长度),宽42m。深度大于3倍隧道直径,根据工程类比,深度取为36m,隧道外轮廓位置的x、y、z方向及外界约束。力学模型的位移边界采用固定边界,上临空面为自由表面边界,不受其他约束,横向两侧受到X(水平)向位移约束,软土地基下层边界受到Y(竖向)向约束,管片Z轴施加纵向约束,防止模型在纵向移动。现对管片受力做具体分析。管片所受的外力有土压力、水压力、上部竖向荷载以及地基反力,这些是作用在衬砌上的主要荷载(管片所受的土压力很小,这里仅作分析),受力结构如。q表示拱顶处的上覆土水压力,k表示垂直衬砌底部的抗力,1e指拱顶水平面上的侧向土水压力,2e为附加侧向土体抗力,指衬砌重度。均质圆环受力为超静定结构,由力法求解内力。从衬砌受力分布图可以看出,结构以及荷载均是关于竖轴对称的,属于正对称问题。沿对称面上的剪力属于反对称力的范畴,大小为零,实际未知的力就只有两个。在对称轴上的截面处只会发生下沉,没有水平位移及转角,管片环截面的底部看作固定支承。取半结构分析。图中的未知力为21xx、,将其移至结构的弹性中心,其柔度系数02112,位移协调方程如下,2211、分别为柔度系数;p1,p2是外荷载产生的位移。在不计轴力和剪力影响的情况下,则有sxkiikdEIMM0,0i(3-15)EI通常为常数,并且有sdd,上式可改写:dEIMMxkiik0,dEIMMxkiip.
条件假设, 研究组合施工中管片受力,忽略接头的影响。管片拼装时,接头处以螺栓连接,相邻管片不产生位移。将管片环简化为均质薄壁圆环是合理的。在离千斤顶作用面30m(20环管片的宽度)处,千斤顶作用的影响最小,只有管片环外凝固浆液的约束。研究资料表明,矿山法隧道推进力较小,洞门附近的管片环连接不紧密,需做好盾构贯通后20环管片螺栓紧固工作。基于以上管片设计模型及管片内力计算方法,作如下假设:(1)管片受力看作三维受力体系。(2)将一环管片作为整体考虑,假设管片环为薄壁均质的混凝土圆管。(3)忽略地下水渗流的影响。(4)同步注浆浆液是一种粘性大的流体,管片回填时,忽略注浆压力对管片的约束作用,注浆层按固态进行计算。(5)隧道最大纵坡为28‰,盾构隧道纵坡的影响可以忽略。(6)衬砌与环外注浆层间的摩擦力很小,为简化模型,不考虑摩擦力。
根据管片受力的模型,将千斤顶对管片施加作用力的面看作XOY面,取隧道轴线与盾构作用面的交点为坐标原点,X轴方向水平向右,垂直X方向的为Y轴方向,Y轴正方向为指向地面,盾构轴线的延伸方向为Z轴正方向。根据假设条件及实际工程中管片尺寸,隧道衬砌设计模型为连续体模型。采用C50S12通用型管片,内径5.50m,外径6.20m,采用C50混凝土,抗渗等级为P12。钢筋混凝土管片的弹性模量为3.1MPa,泊松比为0.2,容重25kN/m3,Z轴方向取30m(既20环管片长)的三维实体模型。实体模型根据隧道所处的地质条件,材料类型为松散和粘结状的散体土体及岩石,通用力学模型实例为地下开挖,本构模型属于摩尔-库伦塑性模型。选用Solid45实体单元,Mesh200作为辅助网格的划分。显示了拼装管片环网格划分后的模型,有限元模型共有14700个结点,13160个单元。随管片拼装推进,浆液与管片壁后回填豆砾石逐渐凝固,与管片的握裹力逐渐增强,模型视为一端固定,一端自由。管片与隧道间的建筑空隙由浆液及豆砾石填充。根据第2章计算,管片压紧所需的推力为0.2MPa~0.3MPa之间,注浆压力为0.1~0.3MPa。模拟时,盾构推力取0.3MPa,注浆压力为0.15MPa。随着推进盾尾距离增大,管片与壁后回填浆液的握裹力逐渐增大,管片所受的土体压力、水压力相对很小,可以忽略不计。对管片的受力分析时,认为管片材料是弹性、均匀的,未考虑塑性及损伤效应。
推力作用下管片的受力分析组合施工中,管片受力复杂。模拟管片受力时,假设盾构姿态为最佳状况。直线段时,盾构轴线与管片轴线在同一直线上。随推进的进行及管片壁后浆液的凝固,管片与回填材料的握裹力逐渐增大,管片受到地表荷载、土压力、水压力的作用相对盾构推力、注浆压力及管片自重而言很小,可以忽略。为简化模型,假设推进时,管片只有盾构推力、注浆压力及管片自重的作用。在模型计算中,通过0.3MPa时管片的应力、位移云图,分析盾构姿态对组合施工管片受力的影响。
施加盾构推力从模拟情况来看,管片的受力比较复杂。实际施工中管片受力比模拟情况更复杂,随着推进距离增大,管片的受力也变得复杂。已拼装成型的管片在衬砌及管片背后回填注浆后,随着浆液的凝固、回填材料强度的提高,管片与土体的契合度及整体性逐渐提高,后拼装管片受到先拼装管片强度的影响也各不同。反映了在顶进压力为0.3MPa,注浆压力为0.15MPa时,推进8环时管片的位移及应力变化情况。 在组合施工的推进中,合适推力下,管片的受力比较均匀,管片的应力、应变都不大。从以上的应力应变图中可以看出:在管片的横向受力方向上,x向位移的最大值出现在右拱腰处,最小值出现在左拱腰处;x向应力的最大值和最小值出现在拱顶及拱底处,管片的顶面作为受力荷载直接承受面,相对于管片的其他位置的应力比较大;在管片的y向受力方向上,位移的最大值出现在拱顶处,最小值出现在拱底处,应力的最大值、最小值出现在右拱腰相邻处。
组合施工时管片的位移分析, 盾构刚进入矿山法段空推时,盾构前方无土体,推力及周围环境的骤变,对管片的受力会产生影响,空推一段距离后,假定这些非主要因素的影响相应稳定,模拟管片的受力状态逐渐趋向正常。提取推进10环(第7~16环)管片的盾构姿态参数,进行正常推进状况下的管片受力分析研究。工程研究表明,管片在推进5~7环时的受力较大。在初期推进时,管片的受力相对不稳定,为得到相对准确的数据,从第7环开始,记录连续推进10环的管片受力,便于分析的准确性。组合施工没有施加推力时,管片环的受力差异不大。施加推力后,得到在推力作用下管片的受力。管片的纵向受力分布特点及变化趋势,是盾构推力作用下的主要分析对象。通过下列表格中的数据,分析盾构推进过程中管片的位移及受力。
随着盾尾推进距离的增大,管片环数的增加,管片环在x方向的位移总体呈现增大的趋势,推进到11环时趋于稳定。管片在x向的位移呈对称性的分布。这里仅分析了一侧的位移。管片在y方向上的位移,上浮为正,下沉为负。y向的最大位移为负,说明管片出现下沉。随着环数的增加,y向负位移逐渐增大,到12环时,趋于稳定。随着推进距离的增大,在推进过程中,管片的左右偏移及上下浮动都不大。在上述记录数据中,管片的左右偏移最大为0.19824cm,最大上浮为0.11495cm。从记录数据来看,在组合施工中,合适盾构姿态引起开挖面内受力管片的横向位移上下、左右浮动都不大。
记载了推进7~16环管片的纵向受力,将表中的数据整理,从中看出管片纵向最大应力的变化趋势。规定拉应力为正,压应力为负。推进7~10环时,管片所受的最大压应力较大,拱腰侧压应力达到最大;11~16环时,管片的最大压应力有所减小,最大压应力分布在管片顶部,并逐渐呈现稳定趋势。管片的拉应力呈类似的变化,拉应力在11~16环时,楔形管片拱底侧拉应力最大,呈现缓慢增大趋势。组合施工中,管片所受荷载,主要是千斤顶的推力作用在管片横截面上。纵向受力是监测的主控项目。实际施工中,通过实时调整盾构姿态,实现管片的纵向受力稳定。
管片在x方向上的最大压应力总体上呈现增大的趋势,在第11环时,管片所受的最大压应力的值稳定在1.48MPa;管片在x方向的拉应力总体上呈现递减的趋势,最终趋于稳定,与最大压应力的变化相反;在y方向的最大压应力,最初的压应力值为1.74MPa,最终稳定在0.9226MPa,变化率为46.98%,总体上是减小的;管片在y方向上的拉应力总体上呈现增大的趋势,推进到第12环时,拉应力值趋于稳定,最终稳定在0.5412MPa。
管片的横向应力规律:随着管片环数的增多,环间x、y方向位移先增大后趋于稳定;纵向应力在前10环较大,后减小趋于稳定;拉应力在x方向总体减小,y方向增大,最终都趋于稳定;压应力变化呈现相反变化,压应力在x方向递增,在y方向递减,最终趋于稳定。 管片受力复杂,通过有限元模拟,分析管片受力。当盾构姿态无偏差,推力为0.3MPa时,对推进7~16环管片的最大位移及应力分析,得出以下结论:(1)随着盾尾推进距离的增大,管片环数的增加,管片在x方向的位移总体增大,在推进11环时,趋于稳定,在y方向的位移,总体呈负增大,在推进12环时,趋于稳定;(2)推进7~10环管片时,管片的纵向最大压应力较大,随着推进距离的增大,压应力有所减小,拉应力呈类似的变化;(3)随着推进的距离的增大,管片在x方向的最大压应力总体呈增大的趋势,在11环时,趋于稳定,x方向拉应力呈递减的趋势,最终趋于稳定,在y方向的拉应力总体增大,推进达到12环时,拉应力趋于稳定。
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