大型沉管隧道柔性接頭受力分析

□文/袁有為 王艷寧

大型沉管隧道柔性接頭受力分析

□文/袁有為 王艷寧

橡膠止水帶是沉管法隧道接頭聯(lián)接中的關(guān)鍵技術(shù)，GINA止水帶的問世，使得水力壓接法廣泛應(yīng)用于管節(jié)的聯(lián)接并使水下沉管隧道的建設(shè)有了巨大發(fā)展。天津海河隧道采用沉管法施工工藝，隧址位于8度區(qū)的軟土地基上，管段接頭在各種不利工況下的穩(wěn)定性是整個(gè)工程安全的關(guān)鍵問題之一。依托天津?yàn)I海新區(qū)中央大道海河隧道工程，采用大型有限元軟件Hypermesh，分析了沉管柔性接頭在各種工況下的受力情況，對(duì)于GINA止水帶的選型具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

沉管；隧道；柔性；接頭；GINA止水帶；有限元；Hypermesh；受力

沉管法是指在干塢內(nèi)或大型駁船上先預(yù)制管段，再浮運(yùn)到指定位置下沉、對(duì)接、固定，進(jìn)而建成水下隧道或水下構(gòu)筑物的施工方法。采用沉管法施工的隧道叫沉管隧道。

1　工程概況

天津海河隧道路線全長(zhǎng)4 132 m，隧道部分全長(zhǎng)3 323 m，暗埋段全長(zhǎng)2 988 m。穿越海河段采用沉管法施工工藝，沉管段全長(zhǎng)255 m，由3節(jié)預(yù)制管段組成，單節(jié)管段長(zhǎng)85 m，見圖1和圖2。

圖1　海河隧道沉管段橫斷面

圖2　海河隧道沉管段分節(jié)

海河沉管隧道管段與管段之間以及沉管段與兩岸暗埋段之間采用柔性接頭形式相聯(lián)接。柔性接頭包括鋼剪切鍵、混凝土剪切鍵、剪切鍵橡膠支座、GINA止水帶以及預(yù)應(yīng)力拉索等多種構(gòu)件，見圖3。

圖3　沉管隧道段橫斷面及管段接頭布置

海河隧道位于8度區(qū)IV類場(chǎng)地條件，屬于抗震不利地段。從沉管隧道自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和埋設(shè)位置來看，其受地震作用比較明顯。沉管隧道是由多節(jié)位于水下的管段拼接而成，這對(duì)管段接頭的密封防漏性能有著非?？量痰囊蟆５卣鹌陂g，由于埋設(shè)于土層中沉管隧道不太可能像橋梁那樣發(fā)生垮塌式的結(jié)構(gòu)破壞，其最容易出現(xiàn)問題并可能導(dǎo)致整個(gè)沉管喪失功能的薄弱環(huán)節(jié)就在于其接頭聯(lián)接的可靠性。因此保證其接頭在地震期間能夠抵抗住地震力的破壞作用對(duì)沉管隧道整體的抗震性能具有決定性的意義。

本文依托中央大道海河隧道工程，采用美國Altair公司的有限元分析軟件Hypermesh，針對(duì)管段接頭在各種工況下的受力進(jìn)行全面的分析并指導(dǎo)關(guān)鍵構(gòu)件的選型。

2　沉管柔性接頭數(shù)值分析

模型根據(jù)沉管的實(shí)際尺寸和土層分布建立，為減小人工邊界的影響，模型底部取至地面以下80 m的粉砂層，其中沉管結(jié)構(gòu)和土體采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元，沉管之間的聯(lián)接簡(jiǎn)化為彈簧單元計(jì)算，整體模型見圖4。需說明的是，覆蓋層-85 m處剪切波速達(dá)到500 m/s，以此為地震波輸入面。

圖4　結(jié)構(gòu)整體分析模型

2.1計(jì)算參數(shù)

2.1.1管段接頭參數(shù)

本次計(jì)算中將接頭簡(jiǎn)化為彈簧進(jìn)行處理，根據(jù)工程實(shí)際，分別對(duì)鋼拉索、水平剪切鍵、豎向剪切鍵以及GINA在相應(yīng)自由度方向上提供的剛度進(jìn)行折算，然后將上述等效剛度在各自由度方向疊加在一起，利用Dyna中的非線性彈簧單元來定義簡(jiǎn)化彈簧的力學(xué)參數(shù)，簡(jiǎn)化所得計(jì)算模型見圖5。

圖5　模型中的接頭

1）接頭鋼拉索的抗拉剛度。單根鋼拉索的抗拉剛度為4.7×107N/m，頂?shù)装甯髟O(shè)有26根鋼拉索，折算后頂板和底板36.6 m范圍內(nèi)抗拉剛度為26×4.7×107÷ 36.6=3.34×107（N/m）。

2）水平剪切鍵。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，單組水平剪切鍵的水平抗剪剛度為2 750 000÷0.02=1.375×108（N/m）。

其含義為產(chǎn)生0.02 m水平錯(cuò)動(dòng)需要施加2 750 000 N的力，考慮2組水平剪切鍵同時(shí)作用，底板36.6 m范圍內(nèi)剪切剛度為2 750 000÷0.02×2÷36.6=3.64×107（N/m）。

3）垂直剪切鍵。考慮4組垂直剪切鍵同時(shí)受力，類似水平剪切鍵的折算方法，豎向范圍（高6.9 m）剪切剛度為4×（1 000 000/0.02）÷6.9=1.375×107（N/m）。

4）縱向限位裝置。頂板36.6 m范圍內(nèi)共有13個(gè)縱向限位裝置，抗壓剛度為2000000/0.02×13/36.6=3.55× 107（N/m）。

5）GINA橡膠止水帶壓縮曲線。相鄰兩管節(jié)之間的管節(jié)接頭是影響沉管隧道安全使用的關(guān)鍵部位之一，也是沉管隧道的關(guān)鍵技術(shù)所在。中央大道海河隧道水中的4處柔性接頭是沉管隧道的重要環(huán)節(jié)，需要滿足以下要求：

（1）水密性，即在施工階段和日后運(yùn)營階段不滲漏；

（2）具有抵抗各種作用的能力，這些作用包括各種荷載和強(qiáng)迫變形，諸如地震、溫度和地基變形等；

（3）受力明確，方便施工和保證施工質(zhì)量。

在橡膠制品的有限元分析中，一般用應(yīng)變能函數(shù)描述橡膠的力學(xué)性能。采用具有廣泛工程應(yīng)用面的且最常見的Mooney-Rivlin橡膠材料模型，具體應(yīng)變能函數(shù)形式

式中：I1、I2、I3為格林應(yīng)變不變量；A、B為材料常數(shù)為柏松比。

GINA止水帶的基本材質(zhì)為橡膠，主要材料性能參數(shù)見表1。橡膠是高度非線性的彈性體，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系較為復(fù)雜，見圖6。根據(jù)圖6定義非線性彈簧單元并考慮初始?jí)嚎s量為40 mm。

表1　GINA止水帶性能參數(shù)

圖6　GINA壓縮曲線

2.1.2沉管混凝土參數(shù)

沉管隧道的管段除要滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，還要滿足管段起浮、浮運(yùn)、沉放時(shí)的要求。因此，對(duì)管段制作的尺寸精度、預(yù)埋件安裝精度、混凝土的重度和結(jié)構(gòu)的防水要求相當(dāng)高，以滿足管段在強(qiáng)度、防滲、抗裂、干舷高度等方面的要求。

本工程中管段混凝土為C40，抗?jié)B等級(jí)為S10。具體參數(shù)見表2。

表2　混凝土C40主要性能參數(shù)

2.1.3地基土模型及參數(shù)

沉管隧道的地震響應(yīng)很大程度上受附近地基土影響，因此在計(jì)算中地基土模型的選取非常重要。地基土在地震載荷作用下的變形，一般包括彈性變形（可恢復(fù)）和塑性變形（不可恢復(fù)）兩部分。工程中通常采用摩爾-庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準(zhǔn)則和德魯克-普拉格（Drucker-Prager）屈服準(zhǔn)則來反映地基土的屈服和破壞情況，見圖7。

圖7　屈服面

與摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則相比，德魯克-普拉格屈服準(zhǔn)則考慮靜水壓力可以引起巖土屈服的因素，另外避免摩爾-庫侖準(zhǔn)則屈服面在角棱處引起的數(shù)值計(jì)算上的困難，即避免了奇異點(diǎn)（singularity）。因此本次計(jì)算采用德魯克-普拉格屈服準(zhǔn)則。

德魯克-普拉格是一種經(jīng)過修正的Mises屈服準(zhǔn)則，其表達(dá)式為

式中：J1為應(yīng)力張量的第一不變量為應(yīng)力偏張量的第二不變量為材料的內(nèi)聚力，φ為材料的內(nèi)摩擦角；k為材料的屈服應(yīng)力。

通常情況下，土層的物理化學(xué)性質(zhì)具有非均勻性，動(dòng)剪切模量G隨著深度的變化也呈一定的趨勢(shì)。比較好的函數(shù)表示方法是以指數(shù)函數(shù)來模擬動(dòng)剪切模量隨地基土深度的變化，計(jì)算模型為

式中：G0為整體地基土的平均動(dòng)剪切模量；Z為地基土的絕對(duì)深度。

進(jìn)行土體參數(shù)的選取，其中內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角根據(jù)勘查報(bào)告取值。動(dòng)剪切模量

式中：Es為壓縮模量；v為泊松比。

2.1.4地震波的選取

根據(jù)地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告提供的場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)，本次計(jì)算采用的100 a超越概率為10%的地震動(dòng)，加速度時(shí)程曲線見圖8。加速度峰值為2.05 m/s2，與本工程的8度設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)（最大加速度為0.2g）吻合。

圖8　輸入地震波

為更加全面地分析了解沉管隧道在地震時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)性能，將地震波采取不同的角度入射，具體為0°、30°、45°和90°，對(duì)應(yīng)每一個(gè)角度為一種工況，得到沉管在各種工況下的地震響應(yīng)，然后加以比較，分析最不利工況下沉管的抗震性能。

2.2邊界條件

由于考慮地震波為水平入射，模型底部所有節(jié)點(diǎn)豎向位移約束為零，水平方向自由度將施加地震波加速度。

在進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)（以地震波響應(yīng)為例），如果在四周施加常規(guī)的約束邊界條件，當(dāng)?shù)卣鸩▊鞯竭吔鐣r(shí)將會(huì)受到邊界的反射作用，反射波與入射波疊加，將對(duì)模型的動(dòng)力響應(yīng)產(chǎn)生額外的附加的影響。為消除這種效應(yīng)，有學(xué)者提出了用人工邊界、邊界元、無窮元、試函數(shù)等方法，取得了較好的效果。本文中將利用ls-dyna所提供的非反射邊界來消除這種影響，具體方法見圖9。

圖9　非反射邊界條件

3　計(jì)算結(jié)果

中央大道海河隧道處于天津市海河流域的下游，該流域平均低潮位約0.52 m，50 a一遇的高潮位約3.65 m，沉管管段接縫處沿橫斷面一周的GINA止水帶總長(zhǎng)88.4 m，在不同計(jì)算水位下GINA的壓縮量見表3。

表3　GINA止水帶不同潮位下壓縮量計(jì)算mm

GINA止水帶的壓縮量除了受潮位高低影響較大外，還受到諸多其它因素的影響，諸如GINA自身松弛、干燥收縮、端面允許誤差、基礎(chǔ)沉降、溫差收縮、地震等因素的影響，相關(guān)計(jì)算見表4。

表4　GINA止水帶軸向總偏差量計(jì)算mm

4　結(jié)論

在對(duì)海河隧道沉管進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)時(shí)，管段間的接頭是最薄弱的環(huán)節(jié)，也是重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。沉管隧道在地震波載荷的作用下，最可能發(fā)生的情況就是沉管之間的接頭部位會(huì)漏水，而GINA止水帶是整個(gè)沉管最重要的密封裝置，止水帶的壓縮量直接關(guān)系到沉管是否會(huì)漏水。從表3中可見，在平均潮位時(shí)，各管段接頭處的GINA的壓縮量為100～110 mm，足以滿足防滲要求（一般GINA壓縮量為20 mm就基本不會(huì)發(fā)生滲漏），在遇到50 a一遇的高潮位時(shí)，壓縮量有7～8 mm的增加，更加有利于GINA的密封性能。而進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)時(shí)，關(guān)心的是在最不利工況下止水帶是否會(huì)發(fā)生滲漏，當(dāng)考慮各種不利因素共同作用時(shí)，引起的軸向總偏差有60 mm左右，這些因素包括松弛、干燥、溫度、沉降、地震等，其中影響最顯著的就是地震引起的軸向偏差，有限元分析結(jié)果為25 mm，其次是干燥收縮引起的偏差。在這些極端的最不利工況下，扣除總偏差，GINA的壓縮量減小到了40～45 mm，這個(gè)壓縮量值對(duì)防滲透來講仍然是足夠的，或者說在極端不利的工況下，GINA的密封性能仍然滿足要求。

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□王艷寧/天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院。

U452

C

1008-3197（2016）04-58-04

2016-06-07

袁有為/男，1980年出生，高級(jí)工程師，碩士，天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，從事道橋設(shè)計(jì)工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.04.023