混凝土管片作为盾构隧道衬砌的组成部分,管片环接头的力学性能很大程度上影响了工程的安全以及使用年限。为了研究混凝土管片以及管片接头的力学性能,以多个实际工程为例,通过利用ANSYS有限元软件建立其管片环结构的三维精细有限元模型,对管片以及管片接头接触特性进行研究。具体研究内容如下:1)为了研究管片以及管片接头弯曲刚度的关系,首先定义了混凝土管片和接头的有效弯曲刚度及其弯曲刚度比,分别参考三个实际工程中的施工参数,计算其管片接头有效弯曲刚度和管片弯曲刚度的比值并进行对比,对比显示混凝土管片接头的弯曲刚度与管片弯曲刚度比在9%到11%之间。利用ANSYS软件建立等刚度圆环模型以及铰接模型,数值模拟结果显示由于接头的存在,管片环弯矩与剪力的分布与数值均受到很大影响。2)分别以北京地铁四号线和武汉长江隧道工程为例,建立管片环的三维精细模型来研究管片接头的接触特性。模拟结果显示管片的最大应力位置集中在螺栓手孔及接头受压区位置。接头部分由全断面接触状态变化到存在较大接缝开度的状态的过程中,随接缝开度的逐渐增大,接触应力分布线由以螺栓孔为中心的圆弧线逐渐变化到平直状态,最大应力值逐渐变大。两模型中的管片接头的张开比例分别达到50%和75%。3)以琼州海峡海底隧道为例,利用ANSYS软件分别建立水土分算、合算模型,目的在于研究和对比水土合算和水土分算计算方法中管片接头接触特性的不同。模拟结果显示水土合算模型中管片的最大应变及接头接缝开度分别为分算模型的37倍和196倍。另外讨论了土体泊松比对模拟结果的影响,合算模型中随泊松比的增大,接头接缝量逐渐减小,当泊松比为0.48时的计算结果与泊松比为0.40的分算模型相近。4)利用琼州海峡海底隧道为例建立分析模型,研究造成水土分算、合算计算结果差距较大的原因。分别讨论了土拱效应以及建模时边界和外力施加方式的定义这两种影响计算结果的因素。研究表明,在土体物理参数取特定数值时,土拱效应确实可以将模型中较大的覆土压力减小,管片应变的差距减小,但接头位置的接缝量差距增大;建模时边界的定义方式以及外力的施加方式的不同对水土分算、合算的计算结果影响较小。水土合算模型的弯矩、剪力可以达到分算模型的2~5倍,对轴力的影响较小。5)以琼州海峡海底隧道工程为例,为研究混凝土管片与二次衬砌之间的内力分布和数值的关系,采用ANSYS软件建立双层衬砌结构模型。模拟结果显示,混凝土管片的弯矩、剪力、轴力分别为二次衬砌的15.7倍、12.9倍、1.7倍。二次衬砌的弯矩、剪力、轴力占总体弯矩、剪力、轴力值的5.98%、7.21%、37.73%,二次衬砌的弯矩与剪力均未超过总弯矩、剪力的10%。当混凝土管片的防水功能完全丧失,地下水渗入管片与二次衬砌之间的缝隙,静水压力直接作用在二次衬砌上,二次衬砌混凝土结构最大拉应力与最大压应力均在混凝土所能承受的范围之内,二次衬砌结构并没有出现破坏。