隧道支护结构设计实用教案

1、第1页/共123页第一页，共123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2页/共123页第二页，共123页。隧道(sudo)支护结构设计第3页/共123页第三页，共123页。隧道(sudo)支护结构设计第4页/共123页第四页，共123页。隧道(sudo)支护结构设计第5页/共123页第五页，共123页。第6页/共123页第六页，共123页。第7页/共123页第七页，共123页。第8页/共123页第八页，共123页。第9页/共123页第九页，共12

2、3页。第10页/共123页第十页，共123页。第11页/共123页第十一页，共123页。第12页/共123页第十二页，共123页。第13页/共123页第十三页，共123页。第14页/共123页第十四页，共123页。第15页/共123页第十五页，共123页。第16页/共123页第十六页，共123页。第17页/共123页第十七页，共123页。第18页/共123页第十八页，共123页。sssEANNsEIMM 0 0kPkPkpdd第19页/共123页第十九页，共123页。第20页/共123页第二十页，共123页。第21页/共123页第二十一页，共123页。00aap2222211ap1122111

3、ufXXXX 第22页/共123页第二十二页，共123页。第23页/共123页第二十三页，共123页。第24页/共123页第二十四页，共123页。第25页/共123页第二十五页，共123页。第26页/共123页第二十六页，共123页。第27页/共123页第二十七页，共123页。第28页/共123页第二十八页，共123页。第29页/共123页第二十九页，共123页。30p20p10p1221130p20p10p12211) ()(uVuHuMufuXuXuVHMfXXaaaaaaaa 式中，0paM、0paH、0paV基本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

4、第30页/共123页第三十页，共123页。00aap2222211ap1122111ufXXXX 第31页/共123页第三十一页，共123页。第32页/共123页第三十二页，共123页。第33页/共123页第三十三页，共123页。6040b第34页/共123页第三十四页，共123页。第35页/共123页第三十五页，共123页。第36页/共123页第三十六页，共123页。0022222111122111aaaufXXXX第37页/共123页第三十七页，共123页。hhhhphhKhhhK1p第38页/共123页第三十八页，共123页。hhhK1p0022222111122111aaaufXXXX

5、第39页/共123页第三十九页，共123页。aaaaIKKbd1123110p0paaM，第40页/共123页第四十页，共123页。第41页/共123页第四十一页，共123页。第42页/共123页第四十二页，共123页。第43页/共123页第四十三页，共123页。aahihiaahihihaahihiaahihihyIMMEsysEIMMyIMMEsysEIMM d dpppppaahihiaahihihaahihiaahihihyIMMEsysEIMMyIMMEsysEIMM d dppppp第44页/共123页第四十四页，共123页。hhhK1p第45页/共123页第四十五页，共123页。

6、第46页/共123页第四十六页，共123页。第47页/共123页第四十七页，共123页。第48页/共123页第四十八页，共123页。2222coscoscoscosbiicbc第49页/共123页第四十九页，共123页。Kcc第50页/共123页第五十页，共123页。44EIKb第51页/共123页第五十一页，共123页。第52页/共123页第五十二页，共123页。第53页/共123页第五十三页，共123页。1 1221()cpccux ux ufuuuK第54页/共123页第五十四页，共123页。第55页/共123页第五十五页，共123页。43321324314432221433222122

7、222142KHKMuuKHKMuHMKKuHHMKKuMcccccccccccccccc 第56页/共123页第五十六页，共123页。Ku2121uHuMuHMcccccc 第57页/共123页第五十七页，共123页。第58页/共123页第五十八页，共123页。第59页/共123页第五十九页，共123页。第60页/共123页第六十页，共123页。rurrurt22)(2第61页/共123页第六十一页，共123页。rururdd1dddrurrurrdddddd第62页/共123页第六十二页，共123页。cc和Ec1/1mrttmEru1c11trrmEru1c11ddrurummEmtdd1

8、121c1rurummEmrdd1121c1第63页/共123页第六十三页，共123页。rrtrrdd)(rrrtd)(d第64页/共123页第六十四页，共123页。rurumrurmmEmtdddddd1122121c10dddd222ururrurrCrBu11第65页/共123页第六十五页，共123页。211211c111c1) 1(1rCBrmCEmBmEmr211211c111c1) 1(1rCBrmCEmBmEmtw21111prCBrrra20110prCBrrr21202120wa1rrrrppC212021w20a1rrrprpB第66页/共123页第六十六页，共123页。a

9、2120222120w2120222021a2120222120w2120222021)()()()()()()()(prrrrrrprrrrrrprrrrrrprrrrrrtra222c20w2202ccc) 1()21 () 1()21 (1prrrprrrEu10/rr第67页/共123页第六十七页，共123页。 和E/12m22222222222222222222) 1(1) 1(1rCBrmECmBmEmrCBrmECmBmEmtr第68页/共123页第六十八页，共123页。a0prrr0rr022BB2222) 1(rmECmr0rr2222) 1(rmECmt第69页/共123页

10、第六十九页，共123页。a0prrrEmmrpC2220a2) 1(a220a220prrprrtrErmmrprCrCrBu2220a222) 1(第70页/共123页第七十页，共123页。在环向出现了较大的拉应力。在环向出现了较大的拉应力。tt第71页/共123页第七十一页，共123页。第72页/共123页第七十二页，共123页。wappw2022210prCmEmrrr2220w2) 1(EmmrpC第73页/共123页第七十三页，共123页。220w2) 1(0EmmrprCurrw2111c111c1111prCmEmBmEmrrrw2011c111c1110prCmEmBmEmrr

11、r第74页/共123页第七十四页，共123页。w21202120c111)1 (1prrrrEmmCw21202021c111)(1prrrrEmmBw2120210c11w021202021c1111)1 (110prrrrEmmprrrrrEmmrCrBurr第75页/共123页第七十五页，共123页。w022w2120210c11w021202021c111)1 (11pErmmprrrrEmmprrrrrEmm)() 1() 1(1)(22120c1211201222120c21rrEmrmrmEmmrrEr第76页/共123页第七十六页，共123页。第77页/共123页第七十七页，共

12、123页。第78页/共123页第七十八页，共123页。第79页/共123页第七十九页，共123页。第80页/共123页第八十页，共123页。第81页/共123页第八十一页，共123页。第82页/共123页第八十二页，共123页。第83页/共123页第八十三页，共123页。第84页/共123页第八十四页，共123页。第85页/共123页第八十五页，共123页。sin)(cos2)(3131c0cossin)(21)(21),(3131321cFcos)sinsin31(cossin321cJJ第86页/共123页第八十六页，共123页。0)(2/121kJJF22sin3cos3,sin33si

13、nck第87页/共123页第八十七页，共123页。第88页/共123页第八十八页，共123页。第89页/共123页第八十九页，共123页。第90页/共123页第九十页，共123页。第91页/共123页第九十一页，共123页。001()eryauP rE第92页/共123页第九十二页，共123页。01 sinsinr0cot1u(sincos )(1 sin )cotypyacucrEcp第93页/共123页第九十三页，共123页。01 sin2sin00(cot )(1 sin )(1)(1 2 )()2cot2yrayacMrrupGpcG第94页/共123页第九十四页，共123页。第95页

14、/共123页第九十五页，共123页。2max2112()acccapat第96页/共123页第九十六页，共123页。max/acccpta第97页/共123页第九十七页，共123页。第98页/共123页第九十八页，共123页。max33(1/2)(1 cos )2ssyssssBA IpIXA atXsa第99页/共123页第九十九页，共123页。第100页/共123页第一百页，共123页。第101页/共123页第一百零一页，共123页。第102页/共123页第一百零二页，共123页。第103页/共123页第一百零三页，共123页。vFast Lagrangian Analysis of Co

15、ntinuav美国Itasca咨询公司(n s)开发2D程序(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104页/共123页第一百零四页，共123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(ci kung)巷道稳定性研究等v岩土工程、采矿(ci kung)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105页/共123页第一百零五页，共123页。v有限差分

16、法vLagrangian网格v空间混合离散技术vLagrangian格式动量平衡(pnghng)方程vFLAC3D的求解过程vFLAC3D的本构模型第106页/共123页第一百零六页，共123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107页/共123页第一百零七页，共123页。v开挖(ki w)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、应变硬化/软化模型、遍布节理模型、双线性应变硬化/软化

17、遍布节理模型、修正剑桥模型和胡克布朗模型） 第108页/共123页第一百零八页，共123页。第109页/共123页第一百零九页，共123页。 命令(mng lng)栏第110页/共123页第一百一十页，共123页。第111页/共123页第一百一十一页，共123页。gen zon bri size 3 3 3 ;建立网格(wn )model elas ;材料参数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 .1fix x ran x 2.9 3.1fix y ran y -.1

18、.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112页/共123页第一百一十二页，共123页。v 多种zone类型v 后处理快捷、方便、丰富(fngf)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)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

19、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113页/共123页第一百一十三页，共123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、流体和结构等诸多模块，具有强大的求解器和前、后处理功能，为我们解决复杂(fz)、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能力，仅靠ANSYS的GUI(图形界面)就可建立各种复杂(fz)的几何模型；此外，A

20、NSYS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114页/共123页第一百一十四页，共123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(qinghu)、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/弹簧元、预紧力单元等第115页/共123页第一百一十五页，共123页。 2）模态

21、分析 - 计算线性结构的自振频率及振形. 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(jih)瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析.) 8）专项分析: 断裂分析, 复合材料分析，疲劳分析第116页/共123页第一百一十六页，共123页。2. 高度非线性瞬态动力分析

22、（ANSYS/LS-DYNA） 全自动接触(jich)分析，四十多种接触(jich)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117页/共123页第一百一十七页，共123页。3. 热分析(fnx) 稳态、瞬态温度场分析(fnx) 热传导、热对流、热辐射分析(fnx) 相变分析(fnx) 材料性质、边界条件随温度变化 4. 电磁分析(fnx) 静磁场分析(fnx)计算直流电（DC)或永磁体产生的磁场 交变磁场分析(fnx) 计算由于交流电(AC)产生的磁场 瞬态磁场分析(fnx)计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场 电场分析(fnx)用于计算电阻或电容系统的电场. 典型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等。 高频电磁场分析(fnx)用于微波及RF无源组件，波导、