基于特征参量控制的盾构衬砌管片设计研究

摘要

本文从理论和ABAQUS模拟两方面研究了盾构衬砌管片的特征参量变化对其内力及变形的影响，首先介绍了盾构施工法及其在我国的发展，并介绍了国内外圆形衬砌计算理论的发展，为本课题的研究奠定理论基础。
　　其次，本文介绍了管片设计的几种模型分类，并将其进行了比较，并总结出其共同点。至于衬砌管片的设计方法，包括有限单元法和荷载-结构法两种，本文着重介绍了荷载-结构法里面的四种设计方法，即惯用法、修正惯用法、多铰环法及梁-弹簧模型法，最后本文选用修正惯用法对衬砌管片进行理论分析，采用梁-弹簧模型法对衬砌管片进行ABAQUS有限元模拟分析。本文应用结构力学里的位移法计算原理，对修正惯用法中的衬砌管片各点在荷载作用下的内力公式及水平直径处的位移公式进行推导验证，并确定出特征参量为：衬砌厚度h、刚度弯曲系数η及配筋率ρ，并从理论上分析上述特征参量变化时对衬砌管片的影响。在对衬砌管片环进行ABAQUS模拟计算时，需要确定作用于管片环上的各种荷载，本文是先将衬砌荷载中的主要荷载、次要荷载及特殊荷载进行归类，再将其中的各种荷载进行定义与说明，最后根据沈阳地铁二号线的地质条件，应用土力学的相关知识计算出作用于盾构衬砌管片上的各种荷载值，并建立衬砌管片环的ABAQUS有限元模型进行有限元模拟分析。
　　之后，从理论分析和ABAQUS有限元分析两方面，总结衬砌管片内力及位移随特征参量变化的规律，并比较其结果。对于理论分析而言，直接将各种荷载代入到修正惯用法的计算公式中，得其弯矩、轴力及位移表达式，分析其变化规律。对于ABAQUS有限元分析而言，则需将各种荷载施加在本文所建的ABAQUS二维衬砌圆环模型上，通过有限元分析计算，绘制出其所得数据的曲线图，并对其进行拟合分析。经比较可知，由理论分析所得出的衬砌厚度h、弯曲刚度系数η及配筋率ρ对管片设计的影响结果与由ABAQUS有限元分析所得的结论基本一致。
　　最后，对本文所有工作进行总结，并建议采用厚度较小的对称配筋与非对称配筋相结合的盾构衬砌管片设计方法，并对以后的研究工作进行了展望。