隧道工程第六講-隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計VIP

1、00aap2222211ap1122111ufXXXX ik單位位移，即基本結(jié)構(gòu)中由于1kX作用時， 在iX方向產(chǎn)生的位移； p i荷載位移，即基本結(jié)構(gòu)中由于外荷載作用， 在iX方向所產(chǎn)生的位移； f拱軸的矢高； a、au拱腳截面的最終轉(zhuǎn)角和水平位移。 sssEANNsEIMM 0 0kPkPkpdd2 0 2 0 212 0 2111d1ddssssEIsEANsEIM 2 0 2 0 212 0 212112dddssssEIysEANNsEIMM 2 0 2 0 2 0 22222 0 2222dcosdddsssssEAsEIysEANsEIM 2 0 2 0 pp12 0 p1P1d

2、ddssssEIMsEANNsEIMM 2 0 p2 0 2 0 pp22 0 p2P2dcosdddsssssEANsEIyMsEANNsEIMM 00aap2222211ap1122111ufXXXX 30p20p10p1221130p20p10p12211) ()(uVuHuMufuXuXuVHMfXXaaaaaaaa 式中，0paM、0paH、0paV基本結(jié)構(gòu)在外荷載作用下 a 處的反力。 設(shè)基本結(jié)構(gòu)在外荷載作用下，a 處的位移 轉(zhuǎn) 角： aaaaaIKbdKd112231 水平位移： 01u 轉(zhuǎn) 角： 02 水平位移： 2uaaaabdK2coscos 轉(zhuǎn) 角 03 水平位移 3ua

3、aaaabdKcossincos b）拱腳支承反力的計算 應(yīng)用力的分解與疊加原理： 贅余力1X作用下，拱腳的支承反力； 贅余力2X作用下，拱腳的支承反力； 外荷載 q 作用下，拱腳的支承反力； 30p20p10p1221130p20p10p12211) ()(uVuHuMufuXuXuVHMfXXaaaaaaaa 式中，0paM、0paH、0paV基本結(jié)構(gòu)在外荷載作用下 a 處的反力。 設(shè)基本結(jié)構(gòu)在外荷載作用下，a 處的位移00aap2222211ap1122111ufXXXX 則 由 基 本 結(jié) 構(gòu) 列 出 的 典 型 方 程 式 變 為 ： 0)() ()(0)()()(0p0pp2122

4、12222112110pp1121221111aaaufffufuXfuXfXX 解出拱頂截面的贅余力1X及2X后，拱圈各截面內(nèi)力 iiiiiiXNNyXXMMcos20p210p 6040b在bh段上，任一點的彈性反力強度 hbibhi2222coscoscoscos 在 ah 上，任一點的彈性反力強度 在 ah 上，任一點的彈性反力強度 21hihiyy iiS0022222111122111aaaufXXXXhhhhphhKhhhK1phhhK1p0022222111122111aaaufXXXX未知贅余力為ppXX21及，典型方程為 00ppp222p221p1pp112p211p1a

5、aaufXXXX 0p12p21p1p)(aafXX0)0)0pp2222p221p10pp112p2111p1aaffXfXfXX（）（）（aaaaIKKbd1123110p0paaM， 解出p2p1XX 和后，主動荷載作用下的襯砌內(nèi)力可按下式求得 后，主動荷載作用下的襯砌內(nèi)力可按下式求得 0pp2p0pp2p1pcosaiiaiiNXNMyXXM 0)0)021222212110111221111aaffXfXfXX（）（）（012211)(aafXX100aaM020121cosiiiiiNXNMyXXM 后，單位彈性反力圖作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力 解出21XX和后，單位彈性反力圖作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)

6、力 aahihiaahihihaahihiaahihihyIMMEsysEIMMyIMMEsysEIMM d dpppppaahihiaahihihaahihiaahihihyIMMEsysEIMMyIMMEsysEIMM d dpppppaahihiaahihihaahihiaahihihyIMMEsysEIMMyIMMEsysEIMM d dppppphhhK1pihiiihiiNNNMMMppahaap 拱頂轉(zhuǎn)角：0daiaiIMEsEIsM 拱頂水平位移：0daiiaiifIyMEsfsEIyM h 點位移：KyIyMEsysEIyMhaahihiaahihid 2222coscosc

7、oscosbiicbcKcc44EIKb1 1221()cpccux ux ufuuuK43321324314432221433222122222142KHKMuuKHKMuHMKKuHHMKKuMcccccccccccccccc Ku2121uHuMuHMcccccc rurrurt22)(2rururdd1dddrurrurrddddddcc和Ec1/1mrttmEru1c11trrmEru1c11ddrurummEmtdd1121c1rurummEmrdd1121c1rrtrrdd)(rrrtd)(drurumrurmmEmtdddddd1122121c10dddd222ururrurr

8、CrBu11211211c111c1) 1(1rCBrmCEmBmEmr211211c111c1) 1(1rCBrmCEmBmEmtw21111prCBrrra20110prCBrrr21202120wa1rrrrppC212021w20a1rrrprpBa2120222120w2120222021a2120222120w2120222021)()()()()()()()(prrrrrrprrrrrrprrrrrrprrrrrrtra222c20w2202ccc) 1()21 () 1()21 (1prrrprrrEu10/rr 和E/12m22222222222222222222) 1(1)

9、 1(1rCBrmECmBmEmrCBrmECmBmEmtra0prrr0rr022BB2222) 1(rmECmr0rr2222) 1(rmECmta0prrrEmmrpC2220a2) 1(a220a220prrprrtrErmmrprCrCrBu2220a222) 1(ttwappw2022210prCmEmrrr2220w2) 1(EmmrpC220w2) 1(0EmmrprCurrw2111c111c1111prCmEmBmEmrrrw2011c111c1110prCmEmBmEmrrrw21202120c111)1 (1prrrrEmmCw21202021c111)(1prrrrE

10、mmBw2120210c11w021202021c1111)1 (110prrrrEmmprrrrrEmmrCrBurrw022w2120210c11w021202021c111)1 (11pErmmprrrrEmmprrrrrEmm)() 1() 1(1)(22120c1211201222120c21rrEmrmrmEmmrrErsin)(cos2)(3131c0cossin)(21)(21),(3131321cFcos)sinsin31(cossin321cJJ0)(2/121kJJF22sin3cos3,sin33sinck001()eryauP rE01 sinsinr0cot1u(s

11、incos )(1 sin )cotypyacucrEcp01 sin2sin00(cot )(1 sin )(1)(1 2 )()2cot2yrayacMrrupGpcG2max2112()acccapatmax/acccptamax33(1/2)(1 cos )2ssyssssBA IpIXA atXsavFast Lagrangian Analysis of Continuav美國Itasca咨詢公司開發(fā)2D程序(1986)v1990年代初引入中國v有限差分法(FDM)vDOS版2.0 2.1 3.0 5.06.0vItasca其他軟件v應(yīng)用：w 巖土力學(xué)分析，例礦體滑坡、煤礦開采沉陷預(yù)

12、測、水利樞紐巖體穩(wěn)定性分析、采礦巷道穩(wěn)定性研究等w 巖土工程、采礦工程、水利工程、地質(zhì)工程 v特色：w 大應(yīng)變模擬w 完全動態(tài)運動方程使得FLAC3D在模擬物理上的不穩(wěn)定過程不存在數(shù)值上的障礙 w 顯示求解具有較快的非線性求解速度v 有限差分法v Lagrangian網(wǎng)格v 空間混合離散技術(shù)v Lagrangian格式動量平衡方程v FLAC3D的求解過程v FLAC3D的本構(gòu)模型v開挖模型null v3個彈性模型w 各向同性彈性w 橫觀各向同性彈性w 正交各向同性彈性 v8個塑性模型（Drucker-Prager模型、Morh-Coulomb模型、應(yīng)變硬化/軟化模型、遍布節(jié)理模型、雙線性應(yīng)變

13、硬化/軟化遍布節(jié)理模型、修正劍橋模型和胡克布朗模型） 命令欄gen zon bri size 3 3 3 ;建立網(wǎng)格model elas ;材料參數(shù)prop bulk 3e8 shear 1e8ini dens 2000 ;初始條件fix z ran z -.1 .1 ;邊界條件fix x ran x -.1 .1fix x ran x 2.9 3.1fix y ran y -.1 .1fix y ran y 2.9 3.1set grav 0 0 -10solve ;求解app nstr -10e4 ran z 3 x 1 2 y 1 2solveRUN FLAC3Dv 多種zone類型v

14、后處理快捷、方便、豐富v 計算過程中的hist變量動態(tài)顯示v FISH可進行參數(shù)化模型設(shè)計v 單元狀態(tài)的可編程v 計算暫停時的后處理與可保存v 復(fù)雜模型的建模功能不強w 可以編程導(dǎo)入其他軟件形成的網(wǎng)格(比如：Ansys、Adina、GeoCAD)v 無等值線的后處理功能(3D)w 可編程將.sav文件寫入TecPlot等其他后處理軟件v 全命令操作，學(xué)習(xí)困難v 鼠標(biāo)功能單一(雙擊取擊點坐標(biāo))v ANSYS是世界上著名的大型通用有限元計算軟件，它包括熱、電、磁、流體和結(jié)構(gòu)等諸多模塊，具有強大的求解器和前、后處理功能，為我們解決復(fù)雜、龐大的工程項目和致力于高水平的科研攻關(guān)提供了一個優(yōu)良的工作環(huán)境，

15、更使我們從繁瑣、單調(diào)的常規(guī)有限元編程中解脫出來。ANSYS本身不僅具有較為完善的分析功能，同時也為用戶自己進行二次開發(fā)提供了友好的開發(fā)環(huán)境。v ANSYS程序自身有著較為強大三維建模能力，僅靠ANSYS的GUI(圖形界面)就可建立各種復(fù)雜的幾何模型；此外，ANSYS還提供較為靈活的圖形接口及數(shù)據(jù)接口。因而，利用這些功能，可以實現(xiàn)不同分析軟件之間的模型轉(zhuǎn)換。 1. 結(jié)構(gòu)分析 1） 靜力分析 - 用于靜態(tài)載荷?？梢钥紤]結(jié)構(gòu)的線性及非線性行為。 線性結(jié)構(gòu)靜力分析 非線性結(jié)構(gòu)靜力分析 幾何非線性：大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力強化、旋轉(zhuǎn)軟化 材料非線性：塑性、粘彈性、粘塑性、超彈性、多線性彈性、蠕變、腫脹等 接

16、觸非線性：面面/點面/點點接觸、柔體/柔體剛體接觸、熱接觸 單元非線性：死/活單元、鋼筋混凝土單元、非線性阻尼/彈簧元、預(yù)緊力單元等 2）模態(tài)分析 - 計算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振形. 譜分析 是模態(tài)分析的擴展，用于計算由于隨機振動引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變 (也叫作 響應(yīng)譜或 PSD). 3）諧響應(yīng)分析 - 確定線性結(jié)構(gòu)對隨時間按正弦曲線變化的載荷的響應(yīng). 4）瞬態(tài)動力學(xué)分析 - 確定結(jié)構(gòu)對隨時間任意變化的載荷的響應(yīng). 可以考慮與靜力分析相同的結(jié)構(gòu)非線性行為. 5）譜分析 6）隨機振動分析等 7）特征屈曲分析 - 用于計算線性屈曲載荷并確定屈曲模態(tài)形狀. (結(jié)合瞬態(tài)動力學(xué)分析可以實現(xiàn)非線性屈曲分析.

17、) 8）專項分析: 斷裂分析, 復(fù)合材料分析，疲勞分析2. 高度非線性瞬態(tài)動力分析（ANSYS/LS-DYNA） 全自動接觸分析，四十多種接觸類型 任意拉格郎日歐拉（ALE）分析 多物質(zhì)歐拉、單物質(zhì)歐拉 適應(yīng)網(wǎng)格、網(wǎng)格重劃分、重啟動 100多種非線性材料模式 多物理場耦合分析：結(jié)構(gòu)、熱、流體、聲學(xué) 爆炸模擬，起爆效果及應(yīng)力波的傳播分析 侵徹穿甲仿真，鳥撞及葉片包容性分析，跌落分析 失效分析，裂紋擴展分析 剛體運動、剛體柔體運動分析 實時聲場分析 BEM邊界元方法，邊界元、有限元耦合分析 光順質(zhì)點流體動力（SPH）算法 3. 熱分析 穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)溫度場分析 熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射分析 相變分析 材

18、料性質(zhì)、邊界條件隨溫度變化 4. 電磁分析 靜磁場分析計算直流電（DC)或永磁體產(chǎn)生的磁場 交變磁場分析 計算由于交流電(AC)產(chǎn)生的磁場 瞬態(tài)磁場分析計算隨時間隨機變化的電流或外界引起的磁場 電場分析用于計算電阻或電容系統(tǒng)的電場. 典型的物理量有電流密度、電荷密度、電場及電阻熱等。 高頻電磁場分析用于微波及RF無源組件，波導(dǎo)、雷達系統(tǒng)、同軸連接器等分析。 5. 流體動力學(xué)分析 定常/非定常分析 層流/湍流分析 自由對流/強迫對流/混合對流分析 可壓縮流/不可壓縮流分析 亞音速/跨音速/超音速流動分析 任意拉格郎日歐拉分析（ALE） 多組份流動分析（多達6組份） 牛頓流與非牛頓流體分析 內(nèi)流和外流分析 共軛傳熱及熱輻射邊界 分布阻尼和風(fēng)扇模型 移動壁面及自由界面分析 6. 聲學(xué)分析 定常分析 模態(tài)分析 動力響應(yīng)分析 7. 壓電分析 穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)分析 模態(tài)分析 諧響應(yīng)分析 8. 多場耦合分析 熱結(jié)構(gòu) 磁熱 磁結(jié)構(gòu) .v ANSYS是