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

1、內(nèi)容提要(ni rn t yo)第1頁/共124頁第一頁，共124頁。第2頁/共124頁第二頁，共124頁。隧道(sudo)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計（4）設(shè)計受施工方法和施作時機(jī)的影響很大）設(shè)計受施工方法和施作時機(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/共124頁第三頁，共124頁。隧道(sudo)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計第4頁/共124頁第四頁，共124頁。隧道(sudo)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計第5頁/共124頁第五頁，共124頁。隧道(sudo)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計第6頁/共124頁第六頁，共124頁。第7頁/共124頁第七頁，共124頁。第8頁/共124頁第八頁，共124頁。

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

3、共124頁第二十二頁，共124頁。00aap2222211ap1122111ufXXXX 第23頁/共124頁第二十三頁，共124頁。第24頁/共124頁第二十四頁，共124頁。第25頁/共124頁第二十五頁，共124頁。第26頁/共124頁第二十六頁，共124頁。第27頁/共124頁第二十七頁，共124頁。第28頁/共124頁第二十八頁，共124頁。第29頁/共124頁第二十九頁，共124頁。第30頁/共124頁第三十頁，共124頁。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/共124頁第三十一頁，共124頁。00aap2222211ap1122111ufXXXX 第32頁/共124頁第三十二頁，共124頁。第33頁/共124頁第三十三頁，共124頁。第34頁/共124頁第三十四頁，共124頁。6040b第35頁/共124頁第三十五頁，共124頁。第36頁/共124頁第三十六頁，共124頁。第37頁/共124頁第三十七頁，共124頁。0022222111122111aaaufXXXX第38頁/共124頁第三十八頁，共124頁。hhhhphhKhhhK1p第39頁/共124頁第三十九頁

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

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

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

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

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

10、2) 1(rmECmr0rr2222) 1(rmECmt第70頁/共124頁第七十頁，共124頁。a0prrrEmmrpC2220a2) 1(a220a220prrprrtrErmmrprCrCrBu2220a222) 1(第71頁/共124頁第七十一頁，共124頁。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/共124頁第七十二頁，共124頁。第73頁/共124頁第七十三頁，共124頁。wappw2022210prCmEmrrr2220w2) 1(EmmrpC第74頁/共124頁第七十四頁，共124頁。220w2) 1(0EmmrprCurrw2111c111c1111prC

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

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

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

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

15、，共124頁。vFast Lagrangian Analysis of Continuav美國Itasca咨詢公司開發(fā)2D程序(chngx)(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其他軟件第105頁/共124頁第一百零五頁，共124頁。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、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完全動態(tài)運(yùn)動方程使得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/共124頁第一百零六頁，共124頁。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(guchng)v FLAC3D的本構(gòu)模型第107頁/共124頁第一百零七頁，共124頁。 平衡方程 (動量方程) 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)力對所有的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對所有單元第108頁/共124頁第一百零八頁，共124頁。v開挖模型null v3個彈性模型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/共124頁第一百零九頁，共124頁。第110頁/共124頁第一百一十頁，共124頁。 命令(mng lng)欄第111頁/共124頁第一百一十一頁，共124頁。第112頁/共124頁第一百一十二頁，共124頁。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/共124頁第一百一十三頁，共124頁。v 多種zone類型v 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(jìn)行參數(shù)化模型設(shè)計v 單元狀態(tài)(zhungti)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(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/共124頁第一百一十四頁，共124頁。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(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，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(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/共124頁第一百一十五頁，共124頁。1. 結(jié)構(gòu)分析 1） 靜力分析 - 用于靜態(tài)載荷。可以考慮結(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/共124頁第一百一十六頁，共124頁。 2）模態(tài)分析 - 計算線性結(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，用于計算由于隨機(jī)振動引起的結(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)(jigu)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)(jigu)非線性行為. 5）譜分析 6）隨機(jī)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(shí)現(xiàn)非線性屈曲分析.) 8）專項分

22、析: 斷裂分析, 復(fù)合材料分析，疲勞分析第117頁/共124頁第一百一十七頁，共124頁。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(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、剛體柔體運(yùn)動分析 實(shí)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(diǎn)流體動力（SPH）算法 第118頁/共124頁第一百一十八頁，共124頁。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(jī)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)