摘 要

由于沉管隧道在生活中越来越广泛的应用，本文大致介绍了沉管隧道的研究、设计、难点与工程发展现状，因为本文涉及使用ABAQUS进行数值模拟分析，因此还大致地介绍了一下有限单元法。由于沉管隧道的接头在沉管隧道的研究中的重要作用，本文以港珠澳大桥沉管隧道的接头为研究对象，使用ABAQUS软件建立了沉管隧道接头刚度的三维非线性有限元计算模型，研究分析管节接头的受力变形特征。本文得到了沉管隧道接头轴向压缩刚度、弯曲刚度与压缩弯矩和轴向压缩荷载之间的关系。同时由于接头是由止水带和剪力键组成的，我们还研究了在剪扭以及压剪扭组合工况下的剪力键的变形破坏以及塑性损伤。同时在有限元软件发展越来越快速的时代，使用ABAQUS等一类数值模拟软件可以有效的模拟解决我们工程中所需要解决的部分问题。

关键词：管节接头；有限单元法；压缩刚度；弯曲刚度；组合工况

ABSTRACT

Because of the immersed tube tunnel in the life more and more widely used, this paper Outlines the research, design and difficulties of immersed tube tunnel and engineering development present situation, because this article involves the use of numerical simulation analysis of ABAQUS, therefore also roughly introduces the finite element method. As a result of the immersed tube tunnel joint in the important role in the study of the immersed tube tunnel, based on the hong kong-zhuhai-macao bridge as the research object, the joint of immersed tube tunnel using ABAQUS software to establish the immersed tube tunnel three-dimensional nonlinear finite element calculation model of joint stiffness, study the characteristics of stressed deformation of socket joint. In this paper, the relationship between axial compression stiffness, flexural rigidity and compressive moment and axial compression load of the joint of the immersed tube tunnel is obtained. At the same time, because the joint is composed of a water-stop belt and a shear bond, we also studied the deformation and failure of the shear bond and the plastic damage of the shear bond under the combination of shear and shear and compression. At the same time, in the era of rapid development of finite element software, a kind of numerical simulation software such as ABAQUS can be used to effectively simulate and solve some problems that need to be solved in our engineering.

Key words: pipe joint; Finite element method; Compression stiffness; Bending rigidity;combined working condition

目 录

1 绪 论 1

1.1 研究背景 1

1.2 沉管隧道介绍 2

1.3 沉管隧道的研究 3

1.3.1 沉管隧道设计 3

1.3.2 沉管隧道的难点 5

1.4 沉管隧道工程发展现状 8

1.4.1 隧道发展现状 8

1.4.2 国外沉管隧道 10

1.4.3 国内沉管隧道 11

1.5 沉管隧道接头 13

1.5.1 接头部位构造 13

1.5.2 接头研究与防水 13

1.6 有限单元法综述 14

2 刚度特性分析 17

2.1 模型建立 17

2.1.1 模型背景条件 17

2.1.2 有限元计算模型 18

2.2 前期计算参数 20

2.3 竖向压缩荷载与变形 22

2.4 横向弯矩与转角 24

2.4.1 缩小模型与原模型对比 24

2.4.2 缩小模型与原模型对比 27

2.5 章节小结 29

3 组合工况的受力分析 31

3.1 水平混凝土剪力键 31

3.2 压剪组合工况分析 32

3.2.1 加载方案 32

3.2.2 接头在压剪工况下 32

3.2.3 剪力键在压剪工况下变形与损伤 34

3.3 压剪扭组合工况下分析 36

3.3.1 加载方案 36

3.3.2 接头在压扭剪工况下 36

3.3.3 剪力键在压扭剪工况下损伤 39

3.4 章节小结 41

结 论 42

展 望 43

致 谢 44

参考文献 45

绪 论

研究背景

随着社会经济的迅速发展，全球城市化进程的不断加快，人们的出现要求着运输与交通系统的不断增加和完善，我们对越江跨海通道的需求也越来越大。由于中国在国际上的地位在不断攀升，其综合国力与日俱增，其经济增长速度显著上升，也促进了高新技术的进步，也带动了我国隧道的发展，具有远大的发展前景。沉管隧道的发展完全前符合当前国民经济的发展步伐，也顺应了开边通海的实际所需。中国是一个人口大国，并且人口还在持续上升，因此，一个地区经济发展一直受到交通设施、水电工程等的制约。一般情况习下，越江跨海采取的通道为隧道、桥梁这两种方式，但是随着人类对生态环境要求的日益提高以及海上运输轮舶吨位的迅速发展，我们对桥梁建设的条件越来越苛刻，因此水下隧道的建设取得了飞速发展。近20年来，我国已经逐渐建成了数十座的沉管隧道，同时还有多座沉管隧道正在建设中，并且还有许多沉管隧道的工程正在前期研究的开展或是准备动工中。水下隧道有助于快速应对两地域之间的跨越问题，同时最大程度减少对周围环境的影响，能够就大面积水域的问题做出科学合理的处理，上述情况将意味着大型水下隧道工程量骤增，可以说沉管隧道正在进入飞速发展的黄金时期。

全球都分布着海峡与陆地，并且陆地划分成了诸多板块，受到各种条件的影响，陆地出现了两个区域，也存在文化差异，同时交通方面也有着诸多障碍。渡轮、修建隧道、修建桥梁是连接海峡两岸的主要方式，气象的变化将直接决定着渡轮的航行，由于连接受阻，需要修建桥梁来支持通行，在实际修建过程中，也常常因水深、跨度所影响，同时当完成建造投入运营后，还是会受到气象条件的制约。海峡隧道在顺利修建后，投入正常运营后，被气象条件的影响不大，可以保证连续的通行。另外，也可以支持大型跨度的海峡，完成与两岸的连接。当前技术水平不甚完善，人们对水下隧道方式还未能投入较大的关注度，因此，其发展较为缓慢。环境问题在可持续性发展中是其核心内容，环境资源的可持续性发展是指控制环境恶化局势以及生态危机，建立完善的环境资源法规体系，提高自然环境资源的综合利用率。环境与发展是不能分割的两个整体同时它们也是相辅相成的。发展应以环境保护与治理为条件，发展要建立在以不破坏人类生存情况的基础上而且应在发展过程中解决已经存在的环境问题导致的各种不良的后果。