大型沉管隧道柔性接头受力分析 大型沉管隧道柔性接 头受力分析 □文 /袁有为 王艳宁 摘要:橡胶止水带是沉管 法隧道接头联接中的关键技术, GINA 止水带的问世,使得 水力压接法广泛应用于管节的联接并使水下沉管隧道的建 设有了巨大发展。天津海河隧道采用沉管法施工工艺,隧址 位于 8 度区的软土地基上,管段接头在各种不利工况下的稳 定性是整个工程安全的关键问题之一。依托天津滨海新区中 央大道海河隧道工程,采用大型有限元软件
Hypermesh ,分
析了沉管柔性接头在各种工况下的受力情况,对于 GINA 止 水带的选型具有较强的指导意义。 关键词:沉管;隧道; 柔性;接头;GINA止水带;有限元;Hypermesh;受力 沉 管法是指在干坞内或大型驳船上先预制管段,再浮运到指定 位置下沉、对接、固定,进而建成水下隧道或水下构筑物的 施工方法。采用沉管法施工的隧道叫沉管隧道。
1 工程概 况 天津海河隧道路线全长 4 132 m ,隧道部分全长 3 323 m , 暗埋段全长2 988 m。穿越海河段采用沉管法施工工艺,沉 管段
全长255 m,由3节预制管段组成,单节管段长
85 m,
见图 1和图 2。 图 1 海河隧道沉管段横断面 图 2 海河隧 道沉管段分节 海河沉管隧道管段与管段之间以及沉管段与 两岸暗埋段之间采用柔性接头形式相联接。柔性接头包括钢
剪切键、混凝土剪切键、剪切键橡胶支座、 GINA 止水带以 及预应力
拉索等多种构件,见图 3。 图 3 沉管隧道段横断
面及管段接头布置 海河隧道位于 8 度区 IV 类场地条件,属 于抗震不利地段。从沉管隧道自身的结构特点和埋设位置来 看,其受地震作用比较明显。沉管隧道是由多节位于水下的 管段拼接而成,这对管段接头的密封防漏性能有着非常苛刻 的要求。地震期间,由于埋设于土层中沉管隧道不太可能像 桥梁那样发生垮塌式的结构破坏,其最容易出现问题并可能 导致整个沉管丧失功能的薄弱环节就在于其接头联接的可 靠性。因此保证其接头在地震期间能够抵抗住地震力的破坏 作用对沉管隧道整体的抗震性能具有决定性的意义。 本文 依托中央大道海河隧道工程,采用美国 Altair 公司的有限元 分析软件Hypermesh,针对管段接头在各种工况下的受力进 行全面的分析并指导关键构件的选型。 2 沉管柔性接头数 值分析 模型根据沉管的实际尺寸和土层分布建立,为减小 人工边界的影响,模型底部取至地面以下 80 m 的粉砂层, 其中沉管结构和土体采用 8 节点六面体单元,沉管之间的联 接简化为弹簧单元计算,整体模型见图
4。需说明的是,覆
盖层-85 m处剪切波速达到500 m/s,以此为地震波输入面。 图 4 结构整体分析模型 2.1 计算参数 2.1.1 管段接头参 数 本次计算中将接头简化为弹簧进行处理,根据工程实际, 分别对钢拉索、水平剪切键、竖向剪切键以及 GINA 在相应
自由度方向上提供的刚度进行折算,然后将上述等效刚度在 各自由度方向叠加在一起,利用 Dyna 中的非线性弹簧单元 来定义简化弹簧的力学参数, 简化所得计算模型见图 5。 图 5 模型中的接头 1 )接头
钢拉索的抗拉刚度。单根钢拉索 的抗拉刚度为4.7 X 107N/m,顶底板各设有26根钢拉索,折 算后顶板和底板36.6 m范围内抗拉刚度为
26X 4.7X 107- 36.6=3.34X 107(N/m)。 2)水平剪切键。根据设计
资料, 单组水平剪切键的水平抗剪刚度为 2 750 000 + 0.02=1.375
X
108(N/m)。 其含义为产生 0.02 m 水平错动需要施加 2 750 000 N
的力,考虑 2 组水平剪切键同时作用,底板 36.6 m 范 围内剪切刚度为 2 750 000 + 0.02 X 2+ 36.6=3.64 X 107 (N/m)。 3)垂直剪切键。考虑 4 组垂直剪切键同时受力, 类似水平剪切键的折算方法,竖向范围(高
6.9 m)剪切刚
度为 4X( 1 000 000/0.02) - 6.9=1.375 X 107 ( N/m )。4) 纵向限位装置。 顶板 36.6 m 范围内共有 13 个纵向限位装置, 抗压刚度为
2000000/0.02X 13/36.6=3.55X 107(N/m)。
5)
GINA 橡胶止水带压缩曲线。相邻两管节之间的管节接头是 影响沉管
隧道安全使用的关键部位之一,也是沉管隧道的关 键技术所在。中央大道海河隧道水中的 4 处柔性接头是沉管 隧道的重要环节,需要满足以下要求: (1)水密性,即在 施工阶段和日后运营阶段不渗漏; ( 2)具有抵抗各种作用
的能力,这些作用包括各种荷载和强迫变形,诸如地震、温 度和地基变形等; ( 3)受力明确,方便施工和保证施工质
量。 在橡胶制品的有限元分析中,一般用应变能函数描述 橡胶的力学性能。采用具有广泛工程应用面的且最常见的 Mooney-Rivlin 橡胶材
料模型,具体应变能函数形式 式中: I1、I2、I3 为格林应变不变量;
A 、B 为材料常数为柏松比。 GINA 止水带的基本材质为橡胶,主要
材料性能参数见表
1。
橡胶是高度非线性的弹性体,应力应变关系较为复杂,见图 6。根据图
6 定义非线性弹簧单元并考虑初始压缩量为 40 mm。 表 1 GINA 止
水带性能参数止水带型号
GINA220-205f-c材质丁苯橡胶密度/ (g • cm-3) 1.14泊松比 0.499 图 6 GINA 压缩曲线 2.1.2 沉管混凝土参数 沉管 隧道的管段
除要满足结构强度的要求,还要满足管段起浮、 浮运、沉放时的要求。因此,对管段制作的尺寸精度、预埋 件安装精度、混凝土的重度和结构的防水要求相当高,以满 足管段在强度、防渗、抗裂、干舷高度等方面的要求。 本 工程中管段混凝土为 C40,抗渗等级为S10。具体参数见表
2。 表 2 混凝土 C40 主要性能参数混凝土型号 C40 密度/
(g • cm-3) 2.50 泊松比 0.16 弹性模量 /GPa 32.5 2.1.3 地基 土模型及参数 沉管隧道的地震响应很大程度上受附近地基 土影响,因此在计算中地基土模型的选取非常重要。地基土 在地震载荷作用下的变形,一般包括弹性变形(可恢复)和 塑性变形(不可恢复)两部分。工程中通常采用摩尔
(Mohr-Coulomb )屈服准则和德鲁克 -普拉格
-库仑
( Drucker-Prager )屈服准则来反映地基土的屈服和破坏情 况,见图
7。 图 7 屈服面 与摩尔 -库仑屈服准则相比,德 鲁克 -普拉格屈服准
则考虑静水压力可以引起岩土屈服的因 素,另外避免摩尔 -库仑准则屈服面在角棱处引起的数值计算 上的困难,即避免了奇异点( singularity )。因此本次计算采 用德鲁克 -普拉格屈服准则。 德鲁克 -普拉格是一种经过修正 的 Mises 屈服准则,其表达式为 式中:
J1 为应力张量的第 一不变量为应力偏张量的第二不变量为材料的内聚
力,
0为
材料的内摩擦角; k 为材料的屈服应力。 通常情况下,土层 的物理化学性质具有非均匀性, 动剪切模量 G 随着深度的变 化也呈一定的趋势。比较好的函数表示方法是以指数函数来 模拟动剪切模量随地基土深度的变化,计算模型为
式中:
G0 为整体地基土的平均动剪切模量; Z 为地基土的绝对深 度。 进行
土体参数的选取,其中内聚力和内摩擦角根据勘 查报告取值。动剪切模量
式中:Es为压缩模量;v为泊松
比。 2.1.4 地震波的选取 根据地震安全性评价报告提供的 场地设计地震动参数, 本次计算采用的 100 a 超越概率为 10% 的地震动, 加速度时程曲线见图 8。加速度峰值为 2.05 m/s2, 与本工程的8度设防标准(最大加速度为 0.2g)吻合。图8 输入地震波 为更加全面地分析了解沉管隧道在地震时的动 力响应性能,将地震波采取不同的角度入射,具体为
0°、
30°、45°和 90°,对应每一个角度为一种工况,得到沉管 在各种工况
下的地震响应,然后加以比较,分析最不利工况 下沉管的抗震性能。
2.2 边界条件 由于考虑地震波为水平 入射,模型底部所有节点竖向位
移约束为零,水平方向自由 度将施加地震波加速度。 在进行动力分析时(以地震波响 应为例),如果在四周施加常规的约束边界条件,当地震波 传到边界时将会受到边界的反射作用,反射波与入射波叠 加,将对模型的动力响应产生额外的附加的影响。为消除这 种效应,有学者提出了用人工边界、边界元、无穷元、试函 数等方法, 取得了较好的效果。 本文中将利用 ls-dyna 所提供 的非反射边界来消除这种影响,具体方法见图
9。 图 9 非
反射边界条件 3 计算结果 中央大道海河隧道处于天津市 海河流域的下游,该流域平均低潮位约
0.52 m, 50 a一遇的
GINA止
高潮位约3.65 m,沉管管段接缝处沿横断面一周的
水带总长 88.4 m ,在不同计算水位下 GINA 的压缩量见表 3。 表 3
GINA 止水带不同潮位下压缩量计算 mm 计算接头位 置平均低潮位下 GINA 压缩量 50 a 一遇高潮位下的 GINA 压 缩量北岸〜E1E1〜E2E2〜E3E3-1〜E3-2 102.0107.0109.0105.0
110.0115.0116.0112.0 GINA 止水带的 压缩量除了受潮位高低影响较
大外,还受到诸多其它因素的 影响,诸如 GINA 自身松弛、干燥收缩、端面允许误差、基 础沉降、温差收缩、地震等因素的影响, 相关计算见表 4。 表
4 GINA 止水带轴向总偏差量计算 mm 计算接头位置松弛量 干燥收缩
引起的偏差北岸〜 E1E1〜E2E2〜E3E3-1〜E3-2 1.651.731.741.68
2.555.104.953.33 端面允差 6.006.006.006.00 基础沉降引起的偏差 10.0010.0010.0010.00 温差收缩引起的 偏差 8.5017.0016.5011.10
地震引起的偏差 25.0025.0025.0025.00 轴向总偏差
53.7064.8364.1957.01 4 结论 在对海河隧道沉管进行安全性评价时,
管段间的接头 是最薄弱的环节,也是重点关注的对象。沉管隧道在地震波 载荷的作用下,最可能发生的情况就是沉管之间的接头部位 会漏水,而 GINA 止水带是整个沉管最重要的密封装置,止 水带的压缩量直接关系到沉管是否会漏水。从表 3 中可见, 在平均潮位时, 各管段接头处的 GINA 的压缩量为 100〜110 mm,足以满足防渗要求(一般
GINA压缩量为20 mm就基
本不会发生渗漏) ,在遇到 50 a 一遇的高潮位时,压缩量有 7〜 8
mm 的增加,更加有利于 GINA 的密封性能。而进行安 全性评价时,
关心的是在最不利工况下止水带是否会发生渗 漏,当考虑各种不利因素共同作用时,引起的轴向总偏差有 60 mm 左右,这些因素包括松弛、干燥、温度、沉降、地震 等,其中影响最显著的就是地震引起的轴向偏差,有限元分 析结果为 25 m m ,其次是干燥收缩引起的偏差。在这些极端 的最不利工况下, 扣除总偏差, GINA 的压缩量减小到了 40〜 45 mm,这个压缩量值对防渗透来讲仍然是足够的,或者说
在极端不利的工况下, GINA 的密封性能仍然满足要求。 参 考文献: [ 1]王艳宁,张兴业,袁有为,等 .沉管隧道有限 元与等效质点抗震分析比较
[J] •地下空间与工程学报.2011,
(5) :49-56. [ 2 ]王艳宁,熊刚 .沉管隧道技术的应用与现 状分析[ J] .现代隧道技术, 2007, 44( 4): 1 -4. [3]韩大 建,周阿兴,黄炎生 .珠江水下沉管隧道的抗震分析与设计
(I)――时程响应法]J].华南理工大学学报(自然科学 版),
1999, 27(11):115-121. [4]韩大建,唐增洪 .珠江 水下沉管隧
道的抗震分析与设计(H)—行波法[
J].华南
理工大学学报 (自然科学版) , 1999, 27(11):122-130. [5] 陈韶章 .沉管隧道设计与施工 [M ].北京:科学出版社, 2002. [6]
管敏鑫, 严金秀, 唐英 .沉管隧道技术在我国的应用 [J].
岩石力学与工程学报, 1999, 18( S1 ): 1000-1004. □王艳 宁
/天津市市政工程设计研究院。 □中图分类号: U452 □
文献标识码: C □文章编号: 1008-3197( 2016) 04-58-04 □ 收稿日期: 2016-06-07 □作者简介:袁有为 /男, 1980 年出 生,高级工程师,硕士,天津市市政工程设计研究院,从事 道桥设计工作。 □ DOI 编码:
10.3969/j.issn.1008-3197.2016.04.023
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