摘 要

随着世界交通运输的不断发展，沉管隧道的水下接头在整个施工过程中起着很大的作用。目前比较通用的水下接头一般由端钢壳、GINA止水带OMEGA止水带水平及竖直剪切键和波形连接件组成。本文通过分析沉管接头构造及力学模型进行数值模拟，把止水带接头简化为两根弹簧的模型，计算不同工况下弹簧的压缩量和偏转角度的参数，从而计算地基不同沉降、不同荷载形式情况下弹簧压缩量及偏转角度的变化。由于各弹簧的接头刚度不同，所以压缩量与偏转角度也会不同。最后，进行数据分析，对比不同弹簧情况下，对接头的影响变化。

沉管接头是沉管管段之间的连接构件。由于接头部位的刚度比正常管段小得多,整个沉管隧道的不均匀沉降等变形都集中到接头部位,使接头部位成为受力和变形的焦点。正常管段的强度和刚度大,耐久性、安全性均较好,因此接头成为整个沉管隧道中最薄弱且非常关键的环节,同时也是制约沉管隧道结构抗震设计的关键。

关键词：沉管隧道；GINA止水带；力学模型；压缩量；偏转角度

Numerical simulation of mechanical model of

immersed tube tunnel joint

Abstract

With the continuous development of the world's transportation, the underwater joints of immersed tube tunnels play a great role in the whole construction process. At present, the more general underwater joints are generally made up of end steel shell, GINA water stop OMEGA water stop belt horizontal and vertical shear key and waveform connector. In this paper, through the analysis of the structure and mechanical model of the immersed tube joint, the water stop belt joint is simplified as a two spring model, and the parameters of the compression and deflection angle of the spring are calculated under different working conditions, and the changes of the compression and deflection angle of the spring are calculated under the different settlement of the foundation and the different load forms. Because the stiffness of each spring is different, the compression and deflection angle will also be different. Finally, data analysis is carried out to compare the effects of different springs on the joints.

The immersed tube joint is the connecting member between the immersed tube sections. Because the stiffness of the joint is much smaller than that of the normal pipe, the uneven settlement of the whole immersed tunnel is concentrated to the joint position and the joint position becomes the focus of the force and deformation. The strength and stiffness of the normal section are large, and the durability and safety are all good, so the joint becomes the weakest and the most critical link in the whole immersed tunnel, and it is also the key to restrict the seismic design of the immersed tunnel structure.

Key words: Immersed tunnel; GINA water stop zone; mechanical model; Compression quantity; Deflection angle

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2沉管隧道的介绍 2

1.2.1 沉管隧道的概念 2

1.2.2 沉管隧道的分类 2

1.2.3 世界沉管隧道的发展 2

1.2.4 世界沉管隧道的发展方向 3

1.2.5 我国沉管隧道的发展 4

1.3沉管隧道的施工 5

1.3.1 几种水下隧道施工方法 5

1.3.2 沉管隧道的技术难点 6

1.3.3 沉管隧道的优点 7

1.4研究目的及意义 8

1.4.1 研究目的 8

1.4.2 研究内容 8

1.4.3 研究意义 9

第二章 沉管隧道接头 10

2.1沉管隧道接头的介绍 10

2.1.1 沉管隧道接头的用途 10

2.1.2 接头工法 10

2.1.3 止水构造的设计 10

2.1.4 柔性接头的设计 11

2.1.5 接头合理性问题 12

第三章 有限元基础及ANSYS软件的介绍 14

3.1有限元法概述 14

3.2国内外有限元分析发展现状 15

3.3ANSYS软件介绍 16

3.4施加荷载 16

3.5有限元法综述 17

3.5.1 有限元软件使用步骤 17

3.5.2 有限元法的计算步骤 18

3.5.3 有限单元法的概念与分析步骤 18

3.5.4 有限单元法的优点 19

第四章 有限单元法及数值模拟 20

4.1数值模拟 20

4.1.1 基本假定 20

4.1.2 基本模型 20

4.1.3 模型几何单元 21

4.1.4 约束施加 22

4.1.5 材料参数 22

4.1.5 控制参数 23

4.1.6 工况说明 23

4.2工况计算 24

4.2.1 I型弹簧数值模拟 24

4.2.2 Ⅱ型弹簧数值模拟 25

4.2.3 Ⅲ型弹簧数值模拟 26

4.2.4 Ⅳ型弹簧数值模拟 28

4.3数据分析 29

4.3.1 沉降量对偏转角度、压缩量的影响变化 29

4.3.2 各类型弹簧与Ⅰ型弹簧偏转角度、压缩量比较 30

4.4不同形式荷载条件下弹簧偏转角度和压缩量的变化 31

4.4.1 Ⅰ型弹簧在梯形荷载的情况下 31

4.4.2 I型弹簧在均匀荷载的情况下 33

4.4.3 Ⅱ型弹簧在梯形荷载作用下 34

4.4.4 Ⅱ型弹簧在均匀荷载作用下 36

4.4.5 Ⅲ型弹簧在梯形荷载作用下 38

4.4.6 Ⅲ型弹簧在均匀荷载作用下 39

4.4.7 Ⅳ型弹簧在梯形荷载作用下 41

4.4.8 Ⅳ型弹簧在均匀荷载作用下 42

4.5数据分析 44

4.5.1 梯形荷载作用下偏转角度的变化 44

4.5.2 梯形荷载作用下压缩量的变化 45

4.5.3 均匀荷载作用下偏转角度的变化 45

4.5.4 均匀荷载作用下偏转角度、压缩量的增长比率 46

4.6本章小结 47

第五章 结论 48

5.1本文研究的主要结论 48

5.2展望 48

致 谢 49

参考文献 50

第一章 绪论

1.1研究背景

西方国家在18世纪初就开始了工业化、现代化的起步。进入到19世纪以来，由于工业化的发展，越来越多的农民开始迁往城市，西方国家开始逐步进入城市化。从那时起，人们对方便快捷的交通系统更加渴望，高速公路、有轨电车的出行方式在城市之间很快的兴起，由此此引发了如何跨海跨江跨河等一系列的问题。与此同时由于钢铁工业的迅猛发展，西方国家在19世纪修建了大量的钢铁桥梁。因而19世纪的那个年代被工程师们成为桥梁的时代。

随着河运、海运的蓬勃发展^[1]，河运、海运通行轮船的吨位和密度日益增加，建设桥梁的费用与难度日益增加。并且，因为城市大方向规划的局限，无论是在田间修建铁路还是在江河上修建桥梁，两岸的交通线路都变得很困难。人们必须寻找另外一种可以替代桥梁的方式来实现交通的畅通。这种方式就是用隧道来替代桥梁从而实现两岸的联系。随着陆上交通和内河、海洋航运事业的发展，对越江跨海通道的需求越来越大，而由于水上通行轮船的吨位和密度的增大，要求桥下通航净空越来越高，跨度越来越大，使得修建桥梁的成本和难度大增。同时，由于受到城市规划的限制，跨江越海桥梁的两岸接线条件随城市发展变得更为困难。因此，近十年来陆续出现了一批水下隧道，其断面不断增大，水深不断加深，工程技术水平得到快速提升目前修建水下隧道主要有矿山法、盾构法、围堰明挖法和沉管法。其中沉管法是20世纪初发展起来的一种专门修建水下隧道的工法^[2]，至今己有100年历史，适用条件较为苛刻，而随着工程技术的发展，其适应性也越来越强。广州珠江和宁波雨江水下隧道的成功修建标志着我国沉管工法技术领域进入了新的发展阶段，继丹麦一瑞典的厄勒松海峡沉管隧道和韩国釜山一巨济沉管隧道之后，我国正在珠江口伶仃洋30万t主航道上修建一座港珠澳大桥沉管隧道，该隧道是港珠澳大桥建设的关键性工程，建成后将成为世界最长的双向6车道公路沉管隧道。为此，国内工程师们在实践过程中攻坚克难，借鉴国外技术与国内施工经验，自主创新，结合工程项目特点，在地质勘察、结构受力分析、地基与基础处理等方面发展了一些新技术^[3]。

1.2沉管隧道的介绍

1.2.1 沉管隧道的概念

沉管隧道工法这是上世纪初被发明的的一种用来修建隧道的方法，它的使用条件较为复杂，施工工艺较为繁琐，一般适用于海底隧道的建设。但是随着世界整体科学技术的进步，沉管隧道法越来越成为一项普遍的施工技术。沉管隧道由每节长度一百米左右的管段，通过接头连接而成。各管段之间的接头作为中间的接头，管段串联为一体时的接头作为合龙的接头^[4]，竖井与岸坡隧道之间的接头为岸坡接头。沉管隧道与山岭隧道、盾构隧道相比，在跨海方面有着较多的优点。而沉管隧道中间接头的计与施工则是关键问题之一。

1.2.2 沉管隧道的分类

沉管隧道按材料的划分可以分为钢壳沉管和钢筋混凝土沉管。钢壳沉管的内外壁构成为钢壳，中间使用钢筋混凝土或混凝土进行填充。钢筋沉管混凝土沉管主要的主体大部分为混凝土材料，外层涂刷防水材料。

1.2.3 世界沉管隧道的发展

从二十世纪初美国首次用沉管法建成铁路隧道，到二十世纪末，北美洲地区一共修建了多达23座沉管隧道。美国在海湾修建的隧道多于在内河修建的隧道，这是因为海湾的深度一般大于内河，采用钢壳或双层钢壳的结构，从受力角度考虑圆形比矩形更加科学有效。并且，在1990年^[5]，沉管隧道间的连接技术及混凝土结构防水技术还处于刚发展阶段。钢壳隧道在沉管接头连接与隧道外管的防水方面都由于混凝土隧道，所以说沉管隧道最早采用的都是钢壳隧道。1930年美国修建底特律至加拿大温莎市隧道时就基本确定了钢壳隧道的结构，一直到现在钢壳隧道结构形式也没有发生多大的改变。例如，我国香港地区建设的维多利亚港海底隧道由英国伦敦Constain国际有限公司及美国纽约Raymond国际公司和香港保华工程有限公司所组成的集团负责施工^[6]。由于委托了美国顾问工程公司负责设计，其结构形式及工法与美国在20世纪30年代确定的钢壳沉管隧道结构的一般形式及施工工艺无根本差异。

日本的沉管隧道技术较我国而言发展较早。据统计，日本的沉管隧道超过一半的数量都是矩形混凝土建造而成的沉管隧道。日本的沉管隧道技术始于建设钢壳隧道的沉管技术，后来渐渐地被矩形混凝土隧道所取代。