钢顶管稳定数值分析的方法优化

（1）数值分析模型

为了分析研究，首先做如下假设：

①数值分析只建立钢管模型，不建立土层模型，土层作用等效为相应围压作用在钢管上。顶管中心以上土层厚度为15m，重度为18k N／m3，所以顶管受到土压力为270k Pa。在模拟中取270k Pa为标准等效土压力荷载。忽略土层的摩擦阻力以及对钢管管身变形的约束作用。

②采用Q235钢参数作为计算基本参数，不考虑钢管本身的自重作用。

③设定钢管的标准几何尺寸为，管口内径D内=3.6m（数值模拟计算时取平均管径D=3.6m），壁厚t=34mm，管长L=5.5m。

④由于钢管的径厚比D／t≈106，在ABAQUS中用壳单元可模拟具有某一方向尺度（厚度方向）远小于其他方向的尺度（钢管轴向和环向）且沿厚度方向的应力可忽略的结构。因此在ABAQUS中设置钢管模型就采用三维壳单元进行模拟。

使用ABAQUS有限元模拟过程中，网格的类型和大小疏密程度不仅对模拟计算结果影响很大，同时也影响了模型的计算时间。为使有限元模拟能有最高效率的求解又能达到规定的精度要求，预先进行了一次网格优化模拟，按照实际计算的加载方式和边界条件，选用长5.5m钢管和长300m钢管，分别代表短管和长管计算模式，在弹性条件下使用不同网格类型和网格大小，计算屈曲临界荷载，并与弹性屈曲的经典理论解进行比较。

由图9-1可见，对短管的模拟，选用S8R类型网格，网格的全局大小选择0.2m，ABAQUS模拟结果与弹性屈曲的经典理论解比较吻合。通过试算分析，建议管长≤50m时使用该网格类型及大小以保证精度要求。

图9-1 5.5m钢管计算网格对精度的影响

图9-2 300m钢管计算网格对精度的影响

由图9-2可见，对长管的模拟，选用S4类型网格，网格的全局大小选择0.2m，ABAQUS模拟结果与弹性屈曲的经典理论解比较吻合。通过试算分析，建议管长≥50m时使用该网格类型以保证精度要求。

（2）数值计算方法(www.xing528.com)

对钢顶管稳定分析的计算步骤为：首先进行钢管的特征值屈曲计算（Buckle分析步），得到钢管有可能发生的屈曲模态，然后将一阶模态乘以比例因子以初始缺陷的形式代入钢管，再进行弹塑性分析（Riks分析步）。

（3）荷载简化与分析工况

在ABAQUS中钢材材料定义为理想线弹塑性材料，采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，均质各向同性，钢管材料参数见表9-1。

表9-1 计算材料参数

在钢顶管施工过程中，钢管可能受到轴向顶力、围压、轴向扭矩等荷载作用。根据实际施工情况，提炼出四种基本荷载（仅有一种荷载）作用工况和由这四种简单荷载工况组合的组合荷载工况，这些种工况都是钢顶管施工过程中常见的受力情况。

①基本工况1：作用在钢管管口的千斤顶均匀顶进时的轴向顶力简化为作用在管口的均布轴向荷载（忽略管壁摩擦阻力）。

②基本工况2：在钢管曲线顶进过程中或调整钢管顶进姿态时，作用在钢管管口的千斤顶调整不同顶力顶进，简化为作用在管口的偏心轴向荷载。

③基本工况3：作用在钢管周围的土压力简化为作用在钢管管壁的均布压力，停止顶进时仅受作用在钢管管壁的均布压力。

④基本工况4：千斤顶顶进过程中，顶管机机头旋转切削土层时作用在管身上的力引起的管身轴向扭转，简化为作用在管身的轴向扭矩，在停止顶进时，钢管仅受作用在管身的扭矩。

⑤组合荷载工况：作用在钢管管口的千斤顶均匀顶进同时受周围的土压力作用和顶管机机头旋转切削土层作用在管身上的扭矩，简化为轴压均载、均布围压和扭矩共同作用的组合工况。