隧道工程隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)用教案

1、內(nèi)容提要(ni rn t yo)第1頁(yè)/共124頁(yè)第一頁(yè)，共124頁(yè)。第2頁(yè)/共124頁(yè)第二頁(yè)，共124頁(yè)。隧道(sudo)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（4）設(shè)計(jì)受施工方法和施作時(shí)機(jī)的影響很大）設(shè)計(jì)受施工方法和施作時(shí)機(jī)的影響很大（5）與地面結(jié)構(gòu)受力的不同）與地面結(jié)構(gòu)受力的不同圍巖抗力的存在圍巖抗力的存在第3頁(yè)/共124頁(yè)第三頁(yè)，共124頁(yè)。隧道(sudo)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第4頁(yè)/共124頁(yè)第四頁(yè)，共124頁(yè)。隧道(sudo)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第5頁(yè)/共124頁(yè)第五頁(yè)，共124頁(yè)。隧道(sudo)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第6頁(yè)/共124頁(yè)第六頁(yè)，共124頁(yè)。第7頁(yè)/共124頁(yè)第七頁(yè)，共124頁(yè)。第8頁(yè)/共124頁(yè)第八頁(yè)，共124頁(yè)。

2、第9頁(yè)/共124頁(yè)第九頁(yè)，共124頁(yè)。第10頁(yè)/共124頁(yè)第十頁(yè)，共124頁(yè)。第11頁(yè)/共124頁(yè)第十一頁(yè)，共124頁(yè)。第12頁(yè)/共124頁(yè)第十二頁(yè)，共124頁(yè)。第13頁(yè)/共124頁(yè)第十三頁(yè)，共124頁(yè)。第14頁(yè)/共124頁(yè)第十四頁(yè)，共124頁(yè)。第15頁(yè)/共124頁(yè)第十五頁(yè)，共124頁(yè)。第16頁(yè)/共124頁(yè)第十六頁(yè)，共124頁(yè)。第17頁(yè)/共124頁(yè)第十七頁(yè)，共124頁(yè)。第18頁(yè)/共124頁(yè)第十八頁(yè)，共124頁(yè)。第19頁(yè)/共124頁(yè)第十九頁(yè)，共124頁(yè)。sssEANNsEIMM 0 0kPkPkpdd第20頁(yè)/共124頁(yè)第二十頁(yè)，共124頁(yè)。第21頁(yè)/共124頁(yè)第二十一頁(yè)，共124頁(yè)。第22頁(yè)/

3、共124頁(yè)第二十二頁(yè)，共124頁(yè)。00aap2222211ap1122111ufXXXX 第23頁(yè)/共124頁(yè)第二十三頁(yè)，共124頁(yè)。第24頁(yè)/共124頁(yè)第二十四頁(yè)，共124頁(yè)。第25頁(yè)/共124頁(yè)第二十五頁(yè)，共124頁(yè)。第26頁(yè)/共124頁(yè)第二十六頁(yè)，共124頁(yè)。第27頁(yè)/共124頁(yè)第二十七頁(yè)，共124頁(yè)。第28頁(yè)/共124頁(yè)第二十八頁(yè)，共124頁(yè)。第29頁(yè)/共124頁(yè)第二十九頁(yè)，共124頁(yè)。第30頁(yè)/共124頁(yè)第三十頁(yè)，共124頁(yè)。30p20p10p1221130p20p10p12211) ()(uVuHuMufuXuXuVHMfXXaaaaaaaa 式中，0paM、0paH、0paV基本

4、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 處的位移第31頁(yè)/共124頁(yè)第三十一頁(yè)，共124頁(yè)。00aap2222211ap1122111ufXXXX 第32頁(yè)/共124頁(yè)第三十二頁(yè)，共124頁(yè)。第33頁(yè)/共124頁(yè)第三十三頁(yè)，共124頁(yè)。第34頁(yè)/共124頁(yè)第三十四頁(yè)，共124頁(yè)。6040b第35頁(yè)/共124頁(yè)第三十五頁(yè)，共124頁(yè)。第36頁(yè)/共124頁(yè)第三十六頁(yè)，共124頁(yè)。第37頁(yè)/共124頁(yè)第三十七頁(yè)，共124頁(yè)。0022222111122111aaaufXXXX第38頁(yè)/共124頁(yè)第三十八頁(yè)，共124頁(yè)。hhhhphhKhhhK1p第39頁(yè)/共124頁(yè)第三十九頁(yè)

5、，共124頁(yè)。hhhK1p0022222111122111aaaufXXXX第40頁(yè)/共124頁(yè)第四十頁(yè)，共124頁(yè)。aaaaIKKbd1123110p0paaM，第41頁(yè)/共124頁(yè)第四十一頁(yè)，共124頁(yè)。第42頁(yè)/共124頁(yè)第四十二頁(yè)，共124頁(yè)。第43頁(yè)/共124頁(yè)第四十三頁(yè)，共124頁(yè)。第44頁(yè)/共124頁(yè)第四十四頁(yè)，共124頁(yè)。aahihiaahihihaahihiaahihihyIMMEsysEIMMyIMMEsysEIMM d dpppppaahihiaahihihaahihiaahihihyIMMEsysEIMMyIMMEsysEIMM d dppppp第45頁(yè)/共124頁(yè)第四

6、十五頁(yè)，共124頁(yè)。hhhK1p第46頁(yè)/共124頁(yè)第四十六頁(yè)，共124頁(yè)。第47頁(yè)/共124頁(yè)第四十七頁(yè)，共124頁(yè)。第48頁(yè)/共124頁(yè)第四十八頁(yè)，共124頁(yè)。第49頁(yè)/共124頁(yè)第四十九頁(yè)，共124頁(yè)。2222coscoscoscosbiicbc第50頁(yè)/共124頁(yè)第五十頁(yè)，共124頁(yè)。Kcc第51頁(yè)/共124頁(yè)第五十一頁(yè)，共124頁(yè)。44EIKb第52頁(yè)/共124頁(yè)第五十二頁(yè)，共124頁(yè)。第53頁(yè)/共124頁(yè)第五十三頁(yè)，共124頁(yè)。第54頁(yè)/共124頁(yè)第五十四頁(yè)，共124頁(yè)。1 1221()cpccux ux ufuuuK第55頁(yè)/共124頁(yè)第五十五頁(yè)，共124頁(yè)。第56頁(yè)/共124頁(yè)

7、第五十六頁(yè)，共124頁(yè)。43321324314432221433222122222142KHKMuuKHKMuHMKKuHHMKKuMcccccccccccccccc 第57頁(yè)/共124頁(yè)第五十七頁(yè)，共124頁(yè)。Ku2121uHuMuHMcccccc 第58頁(yè)/共124頁(yè)第五十八頁(yè)，共124頁(yè)。第59頁(yè)/共124頁(yè)第五十九頁(yè)，共124頁(yè)。第60頁(yè)/共124頁(yè)第六十頁(yè)，共124頁(yè)。第61頁(yè)/共124頁(yè)第六十一頁(yè)，共124頁(yè)。rurrurt22)(2第62頁(yè)/共124頁(yè)第六十二頁(yè)，共124頁(yè)。rururdd1dddrurrurrdddddd第63頁(yè)/共124頁(yè)第六十三頁(yè)，共124頁(yè)。cc和Ec1/

8、1mrttmEru1c11trrmEru1c11ddrurummEmtdd1121c1rurummEmrdd1121c1第64頁(yè)/共124頁(yè)第六十四頁(yè)，共124頁(yè)。rrtrrdd)(rrrtd)(d第65頁(yè)/共124頁(yè)第六十五頁(yè)，共124頁(yè)。rurumrurmmEmtdddddd1122121c10dddd222ururrurrCrBu11第66頁(yè)/共124頁(yè)第六十六頁(yè)，共124頁(yè)。211211c111c1) 1(1rCBrmCEmBmEmr211211c111c1) 1(1rCBrmCEmBmEmtw21111prCBrrra20110prCBrrr21202120wa1rrrrppC212

9、021w20a1rrrprpB第67頁(yè)/共124頁(yè)第六十七頁(yè)，共124頁(yè)。a2120222120w2120222021a2120222120w2120222021)()()()()()()()(prrrrrrprrrrrrprrrrrrprrrrrrtra222c20w2202ccc) 1()21 () 1()21 (1prrrprrrEu10/rr第68頁(yè)/共124頁(yè)第六十八頁(yè)，共124頁(yè)。 和E/12m22222222222222222222) 1(1) 1(1rCBrmECmBmEmrCBrmECmBmEmtr第69頁(yè)/共124頁(yè)第六十九頁(yè)，共124頁(yè)。a0prrr0rr022BB222

10、2) 1(rmECmr0rr2222) 1(rmECmt第70頁(yè)/共124頁(yè)第七十頁(yè)，共124頁(yè)。a0prrrEmmrpC2220a2) 1(a220a220prrprrtrErmmrprCrCrBu2220a222) 1(第71頁(yè)/共124頁(yè)第七十一頁(yè)，共124頁(yè)。環(huán)向出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力。環(huán)向出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力。tt第72頁(yè)/共124頁(yè)第七十二頁(yè)，共124頁(yè)。第73頁(yè)/共124頁(yè)第七十三頁(yè)，共124頁(yè)。wappw2022210prCmEmrrr2220w2) 1(EmmrpC第74頁(yè)/共124頁(yè)第七十四頁(yè)，共124頁(yè)。220w2) 1(0EmmrprCurrw2111c111c1111prC

11、mEmBmEmrrrw2011c111c1110prCmEmBmEmrrr第75頁(yè)/共124頁(yè)第七十五頁(yè)，共124頁(yè)。w21202120c111)1 (1prrrrEmmCw21202021c111)(1prrrrEmmBw2120210c11w021202021c1111)1 (110prrrrEmmprrrrrEmmrCrBurr第76頁(yè)/共124頁(yè)第七十六頁(yè)，共124頁(yè)。w022w2120210c11w021202021c111)1 (11pErmmprrrrEmmprrrrrEmm)() 1() 1(1)(22120c1211201222120c21rrEmrmrmEmmrrEr第77

12、頁(yè)/共124頁(yè)第七十七頁(yè)，共124頁(yè)。第78頁(yè)/共124頁(yè)第七十八頁(yè)，共124頁(yè)。第79頁(yè)/共124頁(yè)第七十九頁(yè)，共124頁(yè)。第80頁(yè)/共124頁(yè)第八十頁(yè)，共124頁(yè)。第81頁(yè)/共124頁(yè)第八十一頁(yè)，共124頁(yè)。第82頁(yè)/共124頁(yè)第八十二頁(yè)，共124頁(yè)。第83頁(yè)/共124頁(yè)第八十三頁(yè)，共124頁(yè)。第84頁(yè)/共124頁(yè)第八十四頁(yè)，共124頁(yè)。第85頁(yè)/共124頁(yè)第八十五頁(yè)，共124頁(yè)。第86頁(yè)/共124頁(yè)第八十六頁(yè)，共124頁(yè)。sin)(cos2)(3131c0cossin)(21)(21),(3131321cFcos)sinsin31(cossin321cJJ第87頁(yè)/共124頁(yè)第八十七頁(yè)，

13、共124頁(yè)。0)(2/121kJJF22sin3cos3,sin33sinck第88頁(yè)/共124頁(yè)第八十八頁(yè)，共124頁(yè)。第89頁(yè)/共124頁(yè)第八十九頁(yè)，共124頁(yè)。第90頁(yè)/共124頁(yè)第九十頁(yè)，共124頁(yè)。第91頁(yè)/共124頁(yè)第九十一頁(yè)，共124頁(yè)。第92頁(yè)/共124頁(yè)第九十二頁(yè)，共124頁(yè)。001()eryauP rE第93頁(yè)/共124頁(yè)第九十三頁(yè)，共124頁(yè)。01 sinsinr0cot1u(sincos )(1 sin )cotypyacucrEcp第94頁(yè)/共124頁(yè)第九十四頁(yè)，共124頁(yè)。01 sin2sin00(cot )(1 sin )(1)(1 2 )()2cot2yraya

14、cMrrupGpcG第95頁(yè)/共124頁(yè)第九十五頁(yè)，共124頁(yè)。第96頁(yè)/共124頁(yè)第九十六頁(yè)，共124頁(yè)。2max2112()acccapat第97頁(yè)/共124頁(yè)第九十七頁(yè)，共124頁(yè)。max/acccpta第98頁(yè)/共124頁(yè)第九十八頁(yè)，共124頁(yè)。第99頁(yè)/共124頁(yè)第九十九頁(yè)，共124頁(yè)。max33(1/2)(1 cos )2ssyssssBA IpIXA atXsa第100頁(yè)/共124頁(yè)第一百頁(yè)，共124頁(yè)。第101頁(yè)/共124頁(yè)第一百零一頁(yè)，共124頁(yè)。第102頁(yè)/共124頁(yè)第一百零二頁(yè)，共124頁(yè)。第103頁(yè)/共124頁(yè)第一百零三頁(yè)，共124頁(yè)。第104頁(yè)/共124頁(yè)第一百零四頁(yè)

15、，共124頁(yè)。vFast Lagrangian Analysis of Continuav美國(guó)Itasca咨詢公司開發(fā)2D程序(chngx)(1986)v1990年代初引入中國(guó)v有限差分法(FDM)vDOS版2.0 2.1 3.0 5.06.0vItasca其他軟件第105頁(yè)/共124頁(yè)第一百零五頁(yè)，共124頁(yè)。v應(yīng)用：v巖土力學(xué)分析，例礦體滑坡、煤礦開采沉陷預(yù)測(cè)、水利樞紐巖體穩(wěn)定性分析、采礦巷道穩(wěn)定性研究等v巖土工程、采礦工程、水利工程、地質(zhì)工程 v特色：v大應(yīng)變模擬v完全動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程使得FLAC3D在模擬物理(wl)上的不穩(wěn)定過程不存在數(shù)值上的障礙 v顯示求解具有較快的非線性求解速度第10

16、6頁(yè)/共124頁(yè)第一百零六頁(yè)，共124頁(yè)。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(dòng)量平衡方程v FLAC3D的求解過程(guchng)v FLAC3D的本構(gòu)模型第107頁(yè)/共124頁(yè)第一百零七頁(yè)，共124頁(yè)。 平衡方程 (動(dòng)量方程) 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 (本構(gòu)模型)Gauss定律單元積分應(yīng)變率速度節(jié)點(diǎn)力新的應(yīng)力對(duì)所有的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)所有單元第108頁(yè)/共124頁(yè)第一百零八頁(yè)，共124頁(yè)。v開挖模型null v3個(gè)彈性模型v各向同性彈性v橫觀各向同性彈性v正交各向同性彈性 v8個(gè)塑性模型（Drucker-Prager模型、Morh-Coulomb模型、應(yīng)

17、變硬化/軟化模型、遍布節(jié)理模型、雙線性應(yīng)變硬化/軟化遍布節(jié)理模型、修正劍橋(jin qio)模型和胡克布朗模型） 第109頁(yè)/共124頁(yè)第一百零九頁(yè)，共124頁(yè)。第110頁(yè)/共124頁(yè)第一百一十頁(yè)，共124頁(yè)。 命令(mng lng)欄第111頁(yè)/共124頁(yè)第一百一十一頁(yè)，共124頁(yè)。第112頁(yè)/共124頁(yè)第一百一十二頁(yè)，共124頁(yè)。gen zon bri size 3 3 3 ;建立網(wǎng)格model elas ;材料參數(shù)(cnsh)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

18、.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 FLAC3D第113頁(yè)/共124頁(yè)第一百一十三頁(yè)，共124頁(yè)。v 多種zone類型v 后處理快捷、方便、豐富v 計(jì)算過程中的hist變量動(dòng)態(tài)顯示v FISH可進(jìn)行參數(shù)化模型設(shè)計(jì)v 單元狀態(tài)(zhungti)的可編程v 計(jì)算暫停時(shí)的后處理與可保存v 復(fù)雜模型的建模功能不強(qiáng)w 可以編程導(dǎo)入其他軟件形成的網(wǎng)格(比如：Ansys、Adina、GeoCAD

19、)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(diǎn)坐標(biāo))第114頁(yè)/共124頁(yè)第一百一十四頁(yè)，共124頁(yè)。v ANSYS是世界上著名的大型通用有限元計(jì)算軟件，它包括熱、電、磁、流體和結(jié)構(gòu)等諸多(zhdu)模塊，具有強(qiáng)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(xiàng)目和致力于高水平的科研攻關(guān)提供了一個(gè)優(yōu)良的工作環(huán)境，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(shí)也為用戶自己進(jìn)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(qiáng)大三維建模

20、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(shí)現(xiàn)不同分析軟件之間的模型轉(zhuǎn)換。 第115頁(yè)/共124頁(yè)第一百一十五頁(yè)，共124頁(yè)。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(qiáng)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 接觸非線性：面面/點(diǎn)面/點(diǎn)點(diǎn)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(zn)/彈簧元、預(yù)緊

21、力單元等第116頁(yè)/共124頁(yè)第一百一十六頁(yè)，共124頁(yè)。 2）模態(tài)分析 - 計(jì)算線性結(jié)構(gòu)(jigu)的自振頻率及振形. 譜分析 是模態(tài)分析的擴(kuò)展，用于計(jì)算由于隨機(jī)振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)(jigu)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)(jigu)對(duì)隨時(shí)間按正弦曲線變化的載荷的響應(yīng). 4）瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析 - 確定結(jié)構(gòu)(jigu)對(duì)隨時(shí)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)(jigu)非線性行為. 5）譜分析 6）隨機(jī)振動(dòng)分析等 7）特征屈曲分析 - 用于計(jì)算線性屈曲載荷并確定屈曲模態(tài)形狀. (結(jié)合瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析可以實(shí)現(xiàn)非線性屈曲分析.) 8）專項(xiàng)分

22、析: 斷裂分析, 復(fù)合材料分析，疲勞分析第117頁(yè)/共124頁(yè)第一百一十七頁(yè)，共124頁(yè)。2. 高度非線性瞬態(tài)動(dòng)力分析（ANSYS/LS-DYNA） 全自動(dòng)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(dòng) 100多種非線性材料模式 多物理場(chǎng)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(ypin)包容性分析，跌落分析 失效分析，裂紋擴(kuò)展分析 剛體運(yùn)動(dòng)、剛體柔體運(yùn)動(dòng)分析 實(shí)時(shí)聲場(chǎng)分析 BEM邊界元方法，邊界元、有限元耦合分析 光順質(zhì)點(diǎn)流體動(dòng)力（SPH）算法 第118頁(yè)/共124頁(yè)第一百一十八頁(yè)，共124頁(yè)。3. 熱分析 穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析 熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射分析 相變分析 材料性質(zhì)、邊界條件隨溫度變化 4. 電磁分析 靜磁場(chǎng)分析計(jì)算直流電（DC)或永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng) 交變磁場(chǎng)分析 計(jì)算由于交流電(AC)產(chǎn)生的磁場(chǎng) 瞬態(tài)磁場(chǎng)分析計(jì)算隨時(shí)間隨機(jī)變化的電流或外界引起的磁場(chǎng) 電場(chǎng)分析用于計(jì)算電阻或電容系統(tǒng)