Жёсткость фланцевых стыков со связями растяжения сборных обделок тоннелей

В статье рассматривается вопрос об определении жёсткости продольного фланцевого стыка сборных обделок тоннелей со связями растяжения. Жёсткость фланцевых стыков влияет на корректность определения расчётных усилий в тоннельных обделках. В нормах проектирования тоннелей указывается необходимость учёта жёсткости сочленений сегментов сборных тоннельных обделок при расчёте усилий в несущих конструкциях, однако вопрос об определении величины и методах учёта этих жёсткостей остаётся открытым.

Целью данной работы является исследование расчётных предпосылок и раскрытие некоторых результатов определения жёсткостей обычных болтовых соединений сегментов сборных тоннельных обделок, а также влияние этих жёсткостей на усилия в обделках тоннелей. Вопрос актуален при выполнении поверочных расчётов существующих сооружений и при проектировании новых обделок с жёсткими болтовыми стыками и другими связями растяжения.

В статье приводится аналитическое решение задачи, основанное на совместности деформаций сборных элементов, получены зависимости угла взаимного поворота жёстких сегментов обделки тоннеля от изгибающих моментов, продольных сил и геометрических размеров элементов обделки. Корректность выводов проверена проведением серии численных экспериментов, в результате которых получены уточнённые кривые зависимостей тех же параметров, а также определена пространственная работа чугунных тюбингов на контакте.

Путём решения контактно и физически нелинейной задачи работы фланцевого стыка чугунных тюбингов со связями растяжения определён набор в начале линейных деформаций функций зависимости угла поворота сегментов от действующих в них усилий для конкретной конфигурации элементов. Раскрыта методика применения результатов исследования для моделирования обделок тоннелей в программе GTS NX в плоской постановке. Сравнительное моделирование однотипных тестовых задач работы тоннельных обделок кольцевого сечения показало, что в различных грунтовых условиях при введении параметров жёсткости стыков в обделках наблюдается увеличение изгибающих моментов до 8 % при практически неизменных продольных силах.

1. Булычев Н. С. Механика подземных сооружений: Учебник для вузов. − Изд. 2. – М.: Недра, 1994. – 384 с.

2. Храпов В. Г., Демешко Е. А., Наумов С. Н. и др. Тоннели и метрополитены / Под ред. В. Г. Храпова. – М.: Транспорт, 1989. − 383 с.

3. Guan, Zhenchang; Deng, Tao; Wang, Gang; Jiang, Yujing. Studies on the key parameters in segmental lining design. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2015, Vol. 7, pp. 674−683. DOI: 10.1016/J.JRMGE.2015.08.008.

4. Маковский Л. В., Поляков Д. В. Моделирование статической работы круговых тоннельных обделок с податливыми стыками во взаимодействии с грунтовым массивом // Транспортное строительство. − 2015. − № 11. − С. 25−27. [Электронный ресурс]: https://elibrary.ru/item.asp?id=25048451. Доступ 21.03.2022.

5. Шейн Аунг Тун. Моделирование тоннельных обделок // Мир транспорта. − 2012. − № 4. – C. 60−65. [Электронный ресурс]: https://mirtr.elpub.ru/jour/article/view/703. Доступ 21.03.2022.

6. Ranjbar, G., Shahriar, K., Ahangari, K. Effect of segmental joint stiff on tunnel lining internal forces under static conditions. Journal of Mining and Environment, 2019, Vol. 10, No. 4, pp. 1031−1043. DOI: 10.22044/JME.2019.8581.1738.

7. Ranjbar, G., Shahriar, K., Ahangari K. Effect of Segmental Joint on Internal Forces in Tunnel Lining under Seismic Loading by Numerical Method. Journal of Mining and Environment, 2020, Vol. 11, No. 3, pp. 737−751. DOI: 10.22044/JME.2020.8979.1785.

8. Mitkees, H. A., Sorour, T. M., Abdel-Motaal, M. A. Seismic Response of Segmented Tunnel Liner. International Journal of Scientifi & Engineering Research, 2020, Vol. 11, Iss. 7, pp. 1237−1245. [Электронный ресурс]: https://www.ijser.org/researchpaper/Seismic-Response-of-SegmentedTunnel-Liner.pdf. Доступ 21.03.2022.

9. Hefny, A., Chua, H. An investigation into the behaviour of jointed tunnel lining. Tunnelling and Underground Space Technology, 2006, Vol. 21, Iss. 3–4, pp. 428−434. DOI: 10.1016/J.TUST.2005.12.070.

10. Чеботаев В. В., Кубышкин А. А. Расчётное моделирование статической работы сборных железобетонных обделок с перевязкой швов // Исследования конструкций и материалов для метро- и тоннелестроения: Сб. научных тр. − М.: ЦНИИС, 2002. − Вып. 207. − С. 15−27.

11. Зайнагабдинов Д. А., Май Дык Минь. Модели для расчёта тоннелей, пересекающих активные разломы // Науковедение: интернет-журнал, 2013. – № 3. [Электронный ресурс]: http://naukovedenie.ru/PDF/25tvn313.pdf. Доступ 21.03.2022.

12. Зенкевич О. К. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ. / Под ред. Б. Е. Победри. – М.: Мир, 1975. − 541 с.

13. Сонин А. Н. Исследование статической работы обделок коллекторных тоннелей // Сб. науч. тр. Исследование тоннельных конструкций и способов их сооружения. − Вып. 560. − М.: МИИТ, 1977. − С. 43−46.

14. Орлов С. А. Методы статического расчёта сборных железобетонных обделок тоннелей. – М.: Госстройиздат, 1961. − 136 c.

15. Podjadtke, R., Weidig, G. Adjustable flexible segment lining. Tunnel, 2010, No. 7, pp. 37–42.

16. Волков В. П., Наумов С. Н., Пирожкова А. Н, Храпов В. Г. Тоннели и метрополитены. − Изд. 2, перераб. и доп. – М.: Транспорт, 1975. – 552 с.

17. Schanz, T., Vermeer, P. A., Bonnier, P. G. The Hardening-Soil Model: Formulation and verifi . In: Beyond 2000 in Computational Geotechnics. Ed. by Ronald B. J. Brinkgreve. Routledge, 1999, 328 p., рp. 281–290. https://doi.org/10.1201/9781315138206. eBook ISBN 9781315138206. ISBN 9789058090409.

18. Строкова Л. А. Определение параметров для численного моделирования поведения грунтов // Известия Томского политехнического университета. − 2008. − Т. 313. − № 1. – С. 69−74. [Электронный ресурс]: https://elibrary.ru/item.asp?id=11643120. Доступ 21.03.2022.