沉管隧道接头水平压弯数值模拟研究

郑 学 平

(南昌市政公用投资控股有限责任公司，江西 南昌 330009)



沉管隧道接头水平压弯数值模拟研究

郑 学 平

(南昌市政公用投资控股有限责任公司，江西 南昌 330009)

以红谷隧道为例，通过有限元软件建立精细化的沉管隧道管节及接头的力学模型，研究分析了接头在水平压弯情况下的力学性能，结果表明：接头转角随弯矩的增大而增大，随轴向压力的增大而减小；接头水平抗弯刚度随轴压力的增加而增大。

沉管隧道，接头，弯曲工况，抗弯刚度

沉管隧道目前已经在许多国家得到了应用，并逐渐成为了修建水下隧道的首要选择。然而，接头是沉管隧道中最重要的部分，同时也是相对整个沉管而言的薄弱部分。因此，研究接头的力学性能对评价沉管隧道结构的安全性有重要价值。

对沉管隧道进行研究，数值模拟分析是一个重要的手段。黄帆[1]引用橡胶材料本构模型、Mooney-Rivlin模型和蠕应变率方程建立数学模型对GINA进行数值模拟分析，并对GINA止水带的防水性能及耐久性的长期效应进行了分析。Wu Ching等人[2]针对在地震作用下，不均匀回淤情况对沉管隧道的影响进行了数值模拟分析。刘正根等[3]在数值模型中考虑GINA止水带和管端混凝土的非线性接触，以历年监测的沉管位移作为边界条件，分析了GINA止水带在接头处于压缩、剪切和扭转等变形及复合状态下的力学性态，并得到了接头断面上接触应力的分布规律。刘鹏等[4]建立了三维实体连续有限元沉管隧道模型，并着重研究了沉管接头在地震作用下的内力和位移以及GINA止水带的压缩与变形。刘建飞等[5]通过数值模拟，研究分析了沉管接头结构的力学性能、位移变化以及变形规律。

在上述的研究当中，学者们通过数值模拟对沉管接头防水性能相关的轴向压缩性能及竖向或水平向剪切性能进行了分析研究，但大多数的研究仅针对单一构件或者试验规模较小又或者研究对象不够深入，并且并没有涉及到接头在弯曲情况下的受力研究。因此，本文以南昌红谷隧道为背景，根据实际工程中沉管隧道的管节及接头的构造，进行了1∶5缩尺沉管隧道模型数值模拟，着重研究沉管接头的水平压弯性能。

1 模型概况

1.1 工程背景

红谷隧道位于中国江西省南昌市，在南昌大桥及八一大桥之间，从中山桥—中山西路往西位置开始修建，穿越赣江与红谷六路相连，将连通红谷滩新区与东岸老城区。红谷隧道工程全长2 635 m，其中沉管段全长1 305 m，右岸侧连续3节管段均为90 m，其他管段均为115 m。

1.2 模型构建

根据实际工程管段接头构造，选择模型几何比尺为1∶5，基于结构试验相似比理论，设计模型配筋、水平剪力键、竖向剪力键及GINA橡胶止水带。混凝土管节及水平混凝土剪力键均采用C40混凝土材料，管节中的所有钢筋类型均采用HRB400，竖向钢剪力键及其他一些预埋件等均采用Q235B的钢材，GINA橡胶止水带采用超弹性材料。

本文使用ABAQUS软件进行数值模拟，接头模型包括两个标准管节：管节1和管节2。单个管节模型中，其隧道断面长6 000 mm，高1 660 mm，单个管节沿轴向长度为1 800 mm。模型中包括竖向钢剪力键A和B，A类钢剪力键共两组，分别位于接头两边侧墙处，B类钢剪力键共两组，分别位于接头中隔墙处。同时包括两类水平混凝土剪力键N和S，每四榫剪力键与三榫剪力键对接作为一组。各管节构件布置图如图1和图2所示。

模型中的GINA橡胶止水带的断面形状与实际工程基本一致，尺寸为实际工程的1/5，缩尺后GINA橡胶带宽度为10.4 cm，高度为5.7 cm，总长为14.27 m。GINA橡胶带的横断面设计图见图3。本次数值模拟在已有GINA橡胶带材性试验曲线的前提下，通过GINA压缩试验得到拟合后的GINA止水带的力学曲线(见图4)。图5为两个管节模型对接后的示意图。

1.3 加载工况

水平弯曲模拟主要研究不同轴力下管节接头在不同弯矩幅值下发生压缩—弯曲变形时，接头的变形规律，包括接头的张开/压缩量，弯曲刚度等。因此，在一定轴向力下，通过改变水平弯矩值，以研究接头抗弯力学性能，其加载示意图可见图6，各轴力加载值如表1所示。

表1 水平弯曲工况轴力加载表

水压/kN36046050060070080011001200初始压缩量/mm10．7613．1513．9315．5616．5717．4419．7820．49

2 结果分析

根据数值模拟结果，可得到不同轴压下管节接头处的弯矩—转角曲线。图7为各轴向压力下，管节接头的弯矩转角曲线。由图7可以看出，不同轴压下，接头的转角随弯矩的逐渐增大而增大，且基本呈线性规律增长。随着轴压的提高，在相同弯矩荷载下接头转角不断减小，并且在荷载级别较低的时候，变化速率较快。图8为各轴向压力下，管节接头的水平抗弯刚度曲线。由图8可得，接头的水平抗弯刚度初期随轴向荷载增大而增大，并且变化速率有增大趋势。同时，随着轴向荷载的增大，抗弯刚度的增大

速率有所减缓。

3 结语

本文建立了沉管隧道接头的三维精细化有限元模型，并通过数值模拟研究接头的平面弯曲性能，得到以下主要结论：1)接头的转角随弯矩的逐渐增大而线性增大；2)随着轴向压力的增大，接头的转角随之而减小；3)接头水平抗弯刚度随轴压力的增加而基本呈线性增长，且弯矩施加前期对接头的抗弯刚度影响较大。

[1] 黄 帆.沉管隧道GINA橡胶止水带数值模拟分析[J].结构工程师，2010(1)：96-102.

[2] Ching Wu,Eric Fok,George Fotinos,et al.Seismic assessment and retrofit concepts of the BART transbay tube[J].American Society of Civil Engineers,2003(25):203-212.

[3] 刘正根,黄宏伟,张冬梅.沉管隧道接头三维非线性数值模拟[J].地下空间与工程学报,2011,7(4):691-694.

[4] 刘 鹏，丁文其，杨 波.深水超长沉管隧道接头及止水带地震响应[J].同济大学学报(自然科学版)，2013，41(7)：984-988.

[5] 刘建飞,贺维国,曾进群.静力作用下沉管隧道三维数值模拟[J].现代隧道技术,2007,44(1):5-9.

Numerical simulation study of immersed tunnel joint under horizontal bending condition

Zheng Xueping

(NanchangMunicipalPublicGroupCo.,Ltd,Nanchang330009,China)

Taking the Red Valley tunnel as an example, this paper established refined immersed tunnel pipe section and joint mechanical model through the finite element software, researched and analyzed the mechanical properties of joints in level bending situation, the results showed that the joint angle increased with the increase of bending moment, decreased with the increase of axial pressure, the joint level bending stiffness increased with the increase of axial pressure.

immersed tunnel, joint, bending condition, bending rigidity

1009-6825(2017)14-0157-02

2017-03-03

郑学平(1966- )，男，高级工程师

U452.2

A