隧道工程隧道支护结构设计实用教案

1、内容提要(ni rn t yo)第1页/共124页第一页，共124页。第2页/共124页第二页，共124页。隧道(sudo)支护结构设计（4）设计受施工方法和施作时机的影响很大）设计受施工方法和施作时机的影响很大（5）与地面结构受力的不同）与地面结构受力的不同围岩抗力的存在围岩抗力的存在第3页/共124页第三页，共124页。隧道(sudo)支护结构设计第4页/共124页第四页，共124页。隧道(sudo)支护结构设计第5页/共124页第五页，共124页。隧道(sudo)支护结构设计第6页/共124页第六页，共124页。第7页/共124页第七页，共124页。第8页/共124页第八页，共124页。

2、第9页/共124页第九页，共124页。第10页/共124页第十页，共124页。第11页/共124页第十一页，共124页。第12页/共124页第十二页，共124页。第13页/共124页第十三页，共124页。第14页/共124页第十四页，共124页。第15页/共124页第十五页，共124页。第16页/共124页第十六页，共124页。第17页/共124页第十七页，共124页。第18页/共124页第十八页，共124页。第19页/共124页第十九页，共124页。sssEANNsEIMM 0 0kPkPkpdd第20页/共124页第二十页，共124页。第21页/共124页第二十一页，共124页。第22页/

3、共124页第二十二页，共124页。00aap2222211ap1122111ufXXXX 第23页/共124页第二十三页，共124页。第24页/共124页第二十四页，共124页。第25页/共124页第二十五页，共124页。第26页/共124页第二十六页，共124页。第27页/共124页第二十七页，共124页。第28页/共124页第二十八页，共124页。第29页/共124页第二十九页，共124页。第30页/共124页第三十页，共124页。30p20p10p1221130p20p10p12211) ()(uVuHuMufuXuXuVHMfXXaaaaaaaa 式中，0paM、0paH、0paV基本

4、结构在外荷载作用下 a 处的反力。 设基本结构在外荷载作用下，a 处的位移第31页/共124页第三十一页，共124页。00aap2222211ap1122111ufXXXX 第32页/共124页第三十二页，共124页。第33页/共124页第三十三页，共124页。第34页/共124页第三十四页，共124页。6040b第35页/共124页第三十五页，共124页。第36页/共124页第三十六页，共124页。第37页/共124页第三十七页，共124页。0022222111122111aaaufXXXX第38页/共124页第三十八页，共124页。hhhhphhKhhhK1p第39页/共124页第三十九页

5、，共124页。hhhK1p0022222111122111aaaufXXXX第40页/共124页第四十页，共124页。aaaaIKKbd1123110p0paaM，第41页/共124页第四十一页，共124页。第42页/共124页第四十二页，共124页。第43页/共124页第四十三页，共124页。第44页/共124页第四十四页，共124页。aahihiaahihihaahihiaahihihyIMMEsysEIMMyIMMEsysEIMM d dpppppaahihiaahihihaahihiaahihihyIMMEsysEIMMyIMMEsysEIMM d dppppp第45页/共124页第四

6、十五页，共124页。hhhK1p第46页/共124页第四十六页，共124页。第47页/共124页第四十七页，共124页。第48页/共124页第四十八页，共124页。第49页/共124页第四十九页，共124页。2222coscoscoscosbiicbc第50页/共124页第五十页，共124页。Kcc第51页/共124页第五十一页，共124页。44EIKb第52页/共124页第五十二页，共124页。第53页/共124页第五十三页，共124页。第54页/共124页第五十四页，共124页。1 1221()cpccux ux ufuuuK第55页/共124页第五十五页，共124页。第56页/共124页

7、第五十六页，共124页。43321324314432221433222122222142KHKMuuKHKMuHMKKuHHMKKuMcccccccccccccccc 第57页/共124页第五十七页，共124页。Ku2121uHuMuHMcccccc 第58页/共124页第五十八页，共124页。第59页/共124页第五十九页，共124页。第60页/共124页第六十页，共124页。第61页/共124页第六十一页，共124页。rurrurt22)(2第62页/共124页第六十二页，共124页。rururdd1dddrurrurrdddddd第63页/共124页第六十三页，共124页。cc和Ec1/

8、1mrttmEru1c11trrmEru1c11ddrurummEmtdd1121c1rurummEmrdd1121c1第64页/共124页第六十四页，共124页。rrtrrdd)(rrrtd)(d第65页/共124页第六十五页，共124页。rurumrurmmEmtdddddd1122121c10dddd222ururrurrCrBu11第66页/共124页第六十六页，共124页。211211c111c1) 1(1rCBrmCEmBmEmr211211c111c1) 1(1rCBrmCEmBmEmtw21111prCBrrra20110prCBrrr21202120wa1rrrrppC212

9、021w20a1rrrprpB第67页/共124页第六十七页，共124页。a2120222120w2120222021a2120222120w2120222021)()()()()()()()(prrrrrrprrrrrrprrrrrrprrrrrrtra222c20w2202ccc) 1()21 () 1()21 (1prrrprrrEu10/rr第68页/共124页第六十八页，共124页。 和E/12m22222222222222222222) 1(1) 1(1rCBrmECmBmEmrCBrmECmBmEmtr第69页/共124页第六十九页，共124页。a0prrr0rr022BB222

10、2) 1(rmECmr0rr2222) 1(rmECmt第70页/共124页第七十页，共124页。a0prrrEmmrpC2220a2) 1(a220a220prrprrtrErmmrprCrCrBu2220a222) 1(第71页/共124页第七十一页，共124页。环向出现了较大的拉应力。环向出现了较大的拉应力。tt第72页/共124页第七十二页，共124页。第73页/共124页第七十三页，共124页。wappw2022210prCmEmrrr2220w2) 1(EmmrpC第74页/共124页第七十四页，共124页。220w2) 1(0EmmrprCurrw2111c111c1111prC

11、mEmBmEmrrrw2011c111c1110prCmEmBmEmrrr第75页/共124页第七十五页，共124页。w21202120c111)1 (1prrrrEmmCw21202021c111)(1prrrrEmmBw2120210c11w021202021c1111)1 (110prrrrEmmprrrrrEmmrCrBurr第76页/共124页第七十六页，共124页。w022w2120210c11w021202021c111)1 (11pErmmprrrrEmmprrrrrEmm)() 1() 1(1)(22120c1211201222120c21rrEmrmrmEmmrrEr第77

12、页/共124页第七十七页，共124页。第78页/共124页第七十八页，共124页。第79页/共124页第七十九页，共124页。第80页/共124页第八十页，共124页。第81页/共124页第八十一页，共124页。第82页/共124页第八十二页，共124页。第83页/共124页第八十三页，共124页。第84页/共124页第八十四页，共124页。第85页/共124页第八十五页，共124页。第86页/共124页第八十六页，共124页。sin)(cos2)(3131c0cossin)(21)(21),(3131321cFcos)sinsin31(cossin321cJJ第87页/共124页第八十七页，

13、共124页。0)(2/121kJJF22sin3cos3,sin33sinck第88页/共124页第八十八页，共124页。第89页/共124页第八十九页，共124页。第90页/共124页第九十页，共124页。第91页/共124页第九十一页，共124页。第92页/共124页第九十二页，共124页。001()eryauP rE第93页/共124页第九十三页，共124页。01 sinsinr0cot1u(sincos )(1 sin )cotypyacucrEcp第94页/共124页第九十四页，共124页。01 sin2sin00(cot )(1 sin )(1)(1 2 )()2cot2yraya

14、cMrrupGpcG第95页/共124页第九十五页，共124页。第96页/共124页第九十六页，共124页。2max2112()acccapat第97页/共124页第九十七页，共124页。max/acccpta第98页/共124页第九十八页，共124页。第99页/共124页第九十九页，共124页。max33(1/2)(1 cos )2ssyssssBA IpIXA atXsa第100页/共124页第一百页，共124页。第101页/共124页第一百零一页，共124页。第102页/共124页第一百零二页，共124页。第103页/共124页第一百零三页，共124页。第104页/共124页第一百零四页

15、，共124页。vFast Lagrangian Analysis of Continuav美国Itasca咨询公司开发2D程序(chngx)(1986)v1990年代初引入中国v有限差分法(FDM)vDOS版2.0 2.1 3.0 5.06.0vItasca其他软件第105页/共124页第一百零五页，共124页。v应用：v岩土力学分析，例矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水利枢纽岩体稳定性分析、采矿巷道稳定性研究等v岩土工程、采矿工程、水利工程、地质工程 v特色：v大应变模拟v完全动态运动方程使得FLAC3D在模拟物理(wl)上的不稳定过程不存在数值上的障碍 v显示求解具有较快的非线性求解速度第10

16、6页/共124页第一百零六页，共124页。v 有限差分法v Lagrangian网格v 空间混合离散技术v Lagrangian格式动量平衡方程v FLAC3D的求解过程(guchng)v FLAC3D的本构模型第107页/共124页第一百零七页，共124页。 平衡方程 (动量方程) 应力应变关系 (本构模型)Gauss定律单元积分应变率速度节点力新的应力对所有的网格节点对所有单元第108页/共124页第一百零八页，共124页。v开挖模型null v3个弹性模型v各向同性弹性v横观各向同性弹性v正交各向同性弹性 v8个塑性模型（Drucker-Prager模型、Morh-Coulomb模型、应

17、变硬化/软化模型、遍布节理模型、双线性应变硬化/软化遍布节理模型、修正剑桥(jin qio)模型和胡克布朗模型） 第109页/共124页第一百零九页，共124页。第110页/共124页第一百一十页，共124页。 命令(mng lng)栏第111页/共124页第一百一十一页，共124页。第112页/共124页第一百一十二页，共124页。gen zon bri size 3 3 3 ;建立网格model elas ;材料参数(cnsh)prop bulk 3e8 shear 1e8ini dens 2000 ;初始条件fix z ran z -.1 .1 ;边界条件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页/共124页第一百一十三页，共124页。v 多种zone类型v 后处理快捷、方便、丰富v 计算过程中的hist变量动态显示v FISH可进行参数化模型设计v 单元状态(zhungti)的可编程v 计算暂停时的后处理与可保存v 复杂模型的建模功能不强w 可以编程导入其他软件形成的网格(比如：Ansys、Adina、GeoCAD

19、)v 无等值线的后处理功能(3D)w 可编程将.sav文件写入TecPlot等其他后处理软件v 全命令操作，学习困难v 鼠标功能单一(双击取击点坐标)第114页/共124页第一百一十四页，共124页。v ANSYS是世界上著名的大型通用有限元计算软件，它包括热、电、磁、流体和结构等诸多(zhdu)模块，具有强大的求解器和前、后处理功能，为我们解决复杂、庞大的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个优良的工作环境，更使我们从繁琐、单调的常规有限元编程中解脱出来。ANSYS本身不仅具有较为完善的分析功能，同时也为用户自己进行二次开发提供了友好的开发环境。v ANSYS程序自身有着较为强大三维建模

20、能力，仅靠ANSYS的GUI(图形界面)就可建立各种复杂的几何模型；此外，ANSYS还提供较为灵活的图形接口及数据接口。因而，利用这些功能，可以实现不同分析软件之间的模型转换。 第115页/共124页第一百一十五页，共124页。1. 结构分析 1） 静力分析 - 用于静态载荷。可以考虑结构的线性及非线性行为。 线性结构静力分析 非线性结构静力分析 几何非线性：大变形、大应变、应力强化、旋转软化 材料非线性：塑性、粘弹性、粘塑性、超弹性、多线性弹性、蠕变、肿胀等 接触非线性：面面/点面/点点接触、柔体/柔体刚体接触、热接触 单元非线性：死/活单元、钢筋混凝土单元、非线性阻尼(zn)/弹簧元、预紧

21、力单元等第116页/共124页第一百一十六页，共124页。 2）模态分析 - 计算线性结构(jigu)的自振频率及振形. 谱分析 是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构(jigu)应力和应变 (也叫作 响应谱或 PSD). 3）谐响应分析 - 确定线性结构(jigu)对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应. 4）瞬态动力学分析 - 确定结构(jigu)对随时间任意变化的载荷的响应. 可以考虑与静力分析相同的结构(jigu)非线性行为. 5）谱分析 6）随机振动分析等 7）特征屈曲分析 - 用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状. (结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析.) 8）专项分

22、析: 断裂分析, 复合材料分析，疲劳分析第117页/共124页第一百一十七页，共124页。2. 高度非线性瞬态动力分析（ANSYS/LS-DYNA） 全自动接触分析，四十多种接触类型 任意拉格郎日欧拉（ALE）分析 多物质欧拉、单物质欧拉 适应网格、网格重划分、重启动 100多种非线性材料模式 多物理场耦合分析：结构、热、流体、声学 爆炸模拟，起爆效果及应力波的传播分析 侵彻穿甲仿真，鸟撞及叶片(ypin)包容性分析，跌落分析 失效分析，裂纹扩展分析 刚体运动、刚体柔体运动分析 实时声场分析 BEM边界元方法，边界元、有限元耦合分析 光顺质点流体动力（SPH）算法 第118页/共124页第一百一十八页，共124页。3. 热分析 稳态、瞬态温度场分析 热传导、热对流、热辐射分析 相变分析 材料性质、边界条件随温度变化 4. 电磁分析 静磁场分析计算直流电（DC)或永磁体产生的磁场 交变磁场分析 计算由于交流电(AC)产生的磁场 瞬态磁场分析计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场 电场分析用于计算电阻或电容系统