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水 利 学 报

2025 年 5 月 SHUILI XUEBAO 第 56 卷 第 5 期

文章编号：0559-9350（2025）05-0611-13 第二十七届中国科协年会学术论文

输水隧洞管片衬砌梁-弹簧模型中接头转动刚度计算方法

苏 凯 1，2，3 ，龚 睿 ，陶 军 ，徐世濠 ，朱洪泽 1
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（1. 武汉大学 水资源工程与调度全国重点实验室，湖北 武汉 430072；2. 武汉大学 水工岩石力学教育部重点实验室，
湖北 武汉 430072；3. 海绵城市建设水系统科学湖北省重点实验室（武汉大学），湖北 武汉 430072）
摘要：输水隧洞单层管片衬砌需同时承担内、外压荷载，管片纵向接头处转动刚度与端面内力组合呈非线性关
系，转动刚度取值是梁-弹簧模型计算结果合理与否的关键。针对双排螺栓布置形式管片接头，构建混凝土受压
与螺栓受拉的非线性接头力学模型，在各受力状态下进行求解，并与接头试验作对比验证；再基于 ABAQUS 与
MATLAB 的联合数值仿真计算平台，采用二分法迭代方式，将接头非线性力学效应运用至管片衬砌梁-弹簧模型
中，并与足尺试验作对比验证；最后分析各内水压工况管片衬砌力学响应。结果表明：基于接头力学模型的各受
力状态计算结果与接头试验规律一致，能较好反映接头转动性能随内力变化规律；提出的接头转动刚度二分法迭
代方式简便高效、计算精度高、收敛稳定，使整环管片衬砌各接头转动刚度取值适应其内力条件，与足尺试验各
项指标对比吻合度较高。内水压作用下管片轴力大幅下降，“横椭圆”变形趋势增强，各接头逐渐进入多层螺栓
作用状态。
关键词：输水隧洞；单层管片衬砌；接头力学模型；接头转动刚度迭代计算；联合数值仿真计算
中图分类号：TV314 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20240481

1 研究背景

机 械 化 掘 进 方 法 作 为 当 前 隧 洞 施 工 的 主 要 手 段 之 一 ， 主 要 包 括 盾 构 法 和 TBM （Tunnel Boring
Machine） 法，两者已广泛用于地铁、公路等交通隧道建设领域，并逐渐推广至城市给排水、发电引
［1］
水、水资源调配等水利工程中 。单层管片衬砌因施工简便、适应性强等优点被广泛应用于盾构隧洞
［2］
与部分 TBM 隧洞中 。相较于交通隧道，输水隧洞通常距离较长，沿线穿越地质条件复杂多变，单层
［3］
管片衬砌需同时承担外部水土与内部水压荷载，使得管片受力与接缝变形等呈现不同特点 ，因此对
输水隧洞单层管片衬砌结构展开力学特性研究十分必要。
目前用于管片结构力学行为研究的数值模拟方法已十分成熟 ［4-5］ ，主要包括地层-结构法与荷载-
结构法，后者因简便高效、受力明确而应用广泛 。其中梁-弹簧模型最为常见，其将管片主断面与
［6］
接头处分别模型化为梁单元与系列弹簧，并利用弹簧刚度表征各方向变形能力。相较于均质衬砌环，
管片衬砌环接头处的存在导致整体更易变形，因此在基于梁-弹簧模型的计算方法中，接头刚度合理
取值十分重要，特别是绕管片纵轴线方向的转动刚度，即接头处产生单位旋转角所需的弯矩，其与接
头处内力组合密切相关，呈现较强的非线性关系 。
［7］
当前多数计算案例是参考类似工程选取单一转动刚度定值 ［8-9］ ，这显然是不适宜的。管片衬砌环
存在多个接头，各接头处内力状态有所差异；而对于同时承担内外压的输水隧洞管片衬砌，各工况间
内力的差异也较大。据此许多学者对接头转动刚度展开研究，包括理论解析 ［10-11］ 、数值模拟 ［12-13］ 与接
头试验 ［3，14-16］ 等。对于理论解析模型，主要包括将接头视为刚性板的刚性面-弹簧模型 ［17-18］ 和考虑管

收稿日期：2024-07-29
基金项目：国家自然科学基金项目（51879207）
作者简介：苏凯（1977-），教授，主要从事管道结构与地下工程研究。E-mail：ksu@whu.edu.cn

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