基于ABAQUS的钢管混凝土支护结构力学性能的对比分析

徐 亮

(中铁十四局集团隧道工程有限公司，山东 济南 250002)

0 前 言

钢管和混凝土表现出力学性能的“共生现象”，在超高层建筑中广泛应用。将钢管混凝土制作成支护结构用于隧道工程的支护中，可以减少用钢量，降低支护成本和增加隧道的使用面积，具有很高的应用前景[1-4]。

本文利用大型有限元数值计算软件ABAQUS，在不同隧道断面形式下，分别建立不同截面形式钢管混凝土支护结构的三维计算模型，并建立相应断面形式的工字钢支护结构模型与其比较[5-11]。

1 数值分析方法

1.1 工程概况

青岛地铁1号线工程区间从海泊桥沿人民路向北穿过南宁路、抚顺路，下穿人民路立交桥，进入小村庄车站。线路主要位于人民路下方，区间起止里程为右YSK39+494.036～右YSK40+554.500，右线长度1060.464 m。本区间隧道底板标高-23.94～-13.94 m，埋深25.9～36.4 m。

1.2 模型建立

结合工程实际，断面形式采用隧道工程中常见的马蹄形断面。钢管混凝土的截面形式分别采用圆形截面和工字钢支护选取常用的22a型。分别建模进行ABAQUS模拟对比分析。各模型尺寸特征见表1所示。

表1 模型尺寸

为了方便对比分析，两种形式的断面尺寸近似相同。混凝土及钢管单元模型均采用六面体单元。建立后将钢管与混凝土进行组装，在混凝土外表面和钢管内表面建立接触。

1.3 模型力学参数

在ABAQUS中主要通过定义钢管和混凝土的材料属性来实现钢管混凝土结构的非线性[12]。

对于钢管塑性，只需定义钢管在塑性阶段的应力-应变关系；对于混凝土的塑性属性的定义，使用ABAQUS混凝土损伤塑性模型。具体材料参数见表2。

表2 材料参数表

1.4 加载方案

通过对周围岩土体表面施加压力，周围岩土体将力给支护结构，从而模拟现实支护结构受力情况[12]。围岩三面加载。

1.5 分析方法

讨论不同断面形式下不同截面形式钢管混凝土支护结构与传统支护结构的应力挠度变化并讨论各种支护的支护效应。

2 分析结果

对支护模型进行计算分析，计算结果分析内容应力、变形和支护效应三部分。

2.1 应力分析

马蹄形断面应力见图1～2。从图1～2可以看出，相比传统支护结构，钢管混凝土支护结构应力分布更为一致。

图1 工字钢

图2 圆形钢管混凝土

2.2 变形分析

马蹄形断面变形见图3～4。从图3～4可以看出，相对传统支护结构，钢管混凝土支护结构的挠度变形量较小。

图3 工字钢

图4 圆形钢管混凝土

3 结 论

本文利用大型有限元数值计算软件ABAQUS，对钢管混凝土支护进行了数值模拟分析，将模拟情况与传统支护结构进行了对比分析。通过分析，可得以下结论：①钢管混凝土支护结构相对于传统支护结构，具有挠度变形量小、承载能力强，支护效应更好的特点；②圆形截面支护结构支护受力更均匀合理，支护效应更好。

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