公路隧道明洞结构荷载计算方法
荷载结构法计算公路隧道命令流
荷载－结构法计算公路隧道命令流Sd.mac! 荷载－结构模型的ANSYS分析! 0. A NSYS环境设定finish/clear/com,strucral/title,Study on Construction Mechanical Behavior of ×× tunnel! 一前处理! 1. 参数定义DefineParameter! 2. 实体建模GenModel! 3. 划分网格GenGrid! 4. 生成部件GenCom! 5. 改变梁单元圆弧段的法线方向ReverseArc! 6. 计算等效节点荷载LoadTunnel! 二加载与求解Calculate! 三计算结果分析PostDefineParameter.mac! 1. 参数定义! (1) 常数设定! 设置角度单位! 设置角度单位为弧度*afun,rad! 弧度转角度因子PI=acos(-1)RadToDeg=180/PIDegToRad=PI/180! 设置角度单位为度*afun,degg=10! (2) 几何参数设定! 本程序中原点取为隧道衬砌中心线与起拱线交点 ! 隧道衬砌内轮廓拱部圆弧圆心x_1=0y_1=0! 隧道衬砌内轮廓拱部圆弧半径R_1=5.7! 隧道衬砌内轮廓拱部圆弧对应圆心角φphi_1=180! 隧道衬砌内轮廓拱部圆弧网格划分份数num_1=12! 隧道衬砌内轮廓边墙部位圆弧圆心x_2=-2.5y_2=0! 隧道衬砌内轮廓边墙部位圆弧半径R_2=8.2! 隧道衬砌内轮廓边墙部位对应圆心角phi_2=17.7508! 隧道衬砌内轮廓边墙上部圆弧网格划分份数num_2=4! 隧道衬砌内轮廓拱脚部位圆弧圆心x_3=4.35722y_3=-0.2-1.995! 隧道衬砌内轮廓拱脚部位圆弧半径R_3=1! 隧道衬砌内轮廓拱脚部位圆弧对应圆心角phi_3=53.2492! 隧道衬砌内轮廓拱脚部位圆弧网格划分份数num_3=2! 隧道衬砌内轮廓仰拱圆心x_4=0y_4=12.454-1.995! 隧道衬砌内轮廓仰拱半径R_4=14.383! 隧道衬砌内轮廓仰拱部位圆弧对应圆心角phi_4=38! 隧道衬砌内轮廓仰拱部位圆弧网格划分份数num_4=6! 隧道半衬砌网格划分份数num_totle=num_1+num_2+num_3+num_4! 二次衬砌厚度T_SecLin=0.55! 二次衬砌面积A_SecLin=1*T_SecLin! 二次衬砌惯性矩I_SecLin=T_SecLin**3/12! 二次衬砌中钢筋纵距D_Steel_z=0.2! 每米二次衬砌中钢筋根数N_Steel=2*1/D_Steel_z! Ф22钢筋面积A_Steel=N_Steel*380*1e-6! 弹性链杆(面积)A_link=1! 隧道单洞开挖最大宽度B=2*R_1! 隧道单洞开挖最大高度H=(R_1+y_1)+(R_4-y_4)! 隧道埋深,mh_Tunnel=15! (3) 材料参数设定! 二次衬砌材料参数：C30砼! 二次衬砌密度,kg/m^3DENS_SecLin=2.5e3! 二次衬砌泊松比U_SecLin=0.2! C30混凝土弹性模量，PaE_Concrete=31e9! 钢材弹性模量，PaE_Steel=210e9! 二次衬砌弹性模量，PaE_SecLin=E_Concrete+E_Steel*A_Steel/A_SecLin! 围岩参数! 围岩重度γ,N/m^3r_Rock=20.8e3! 围岩密度,kg/m^3DENS_Rock=r_Rock/g! 土的泊松比uU_Rock=0.35! 围岩弹性抗力系数(Pa/m)k_Rock=150e6! 土的侧压力系数λlambda_Rock=0.28! 计算弹性链杆折算弹性模量，Pa ! 节点对应衬砌长度! l=(l1+l2)/2! E_Rock=k1*l! (4) 定义单元类型! 进入前处理器/prep7! 定义梁单元et,1,beam3! 定义链杆单元et,2,link10! 设为只受压keyopt,2,3,1! (5) 定义实常数! 定义梁单元的面积、惯性矩和梁高r,1,A_SecLin,I_SecLin,T_SecLin ! 定义链杆单元的实常数(面积)r,2,A_link! (6) 定义材料属性! 二次衬砌材料属性,C30mp,ex,1,E_SecLinmp,prxy,1,U_SecLinmp,dens,1,DENS_SecLin! 链杆单元属性!mp,ex,2,E_RockGenModel.mac! 2. 实体建模! (1)显示设置! 显示点，线，面的编号/PNUM,KP,1/PNUM,LINE,1! 生成二次衬砌中心线内轮廓profile,T_SecLin/2! 合并重合的关键点和线并压缩编号nummrg,allnumcmp,alllplot! 显示点，线，面的编号/PNUM,KP,0/PNUM,LINE,0Profile.mac! 建立隧道轮廓几何模型! 设置所建轮廓与隧道内轮廓距离Dis=ARG1! 取得当前关键点最大编号*get,Kmax,kp,,num,max! 取得当前线最大编号*get,Lmax,line,,num,max! 恢复默认坐标系csys,0! 工作平面与当前坐标系重合wpcsys! 工作平面偏移wpoffs,x_1,y_1! 在工作平面处建立11号局部坐标系! 生成关键点k,Kmax+1,r_1+Dis,90k,Kmax+2,r_1+Dis,90-phi_1/2! 生成隧道初期支护拱部圆弧l,Kmax+1,Kmax+2! 恢复默认坐标系csys,0! 工作平面与当前坐标系重合wpcsys! 工作平面偏移wpoffs,x_2,y_2! 在工作平面处建立12号局部坐标系cswpla,12,1! 生成关键点k,Kmax+3,r_2+Dis,-phi_2l,Kmax+2,Kmax+3! 恢复默认坐标系csys,0! 工作平面与当前坐标系重合wpcsys! 工作平面偏移wpoffs,x_4,y_4! 在工作平面处建立13号局部坐标系cswpla,13,1! 生成关键点k,Kmax+4,r_4+Dis,-(90-phi_4/2)k,Kmax+5,r_4+Dis,-90l,Kmax+4,Kmax+5! 恢复默认坐标系csys,0! 工作平面与当前坐标系重合wpcsys! 工作平面偏移wpoffs,x_3,y_3! 在工作平面处建立14号局部坐标系! 生成线l,Kmax+3,Kmax+4! 恢复默认坐标系csys,0! 工作平面与当前坐标系重合wpcsys! 合并重合的关键点和线并压缩编号nummrg,allnumcmp,all! 自动调整大小/auto,1GenGrid.mac! 3. 划分网格! (1) 划分隧道二次衬砌线单元! 梁单元划分! 设置单元类型type,1! 设置实常数real,1! 设置材料属性mat,1! <1> 划分二次衬砌拱部圆弧线单元! 选择线lsel,s,line,,1! 设置线的划分段数lesize,all,,,num_1! 划分线lmesh,allallsel,all! <2> 划分二次衬砌边墙圆弧线单元! 选择线lsel,s,line,,2! 设置线的划分段数lesize,all,,,num_2! 划分线lmesh,allallsel,all! <3> 划分二次衬砌拱脚部位圆弧线单元! 选择线lsel,s,line,,4! 设置线的划分段数lesize,all,,,num_3! 划分线lmesh,allallsel,all! <4> 划分二次衬砌仰拱部位圆弧线单元! 选择线lsel,s,line,,3! 设置线的划分段数lesize,all,,,num_4! 划分线lmesh,allallsel,all! <5> 反射线lsymm,x,all,,,,0,0allsel,all! 合并重合的关键点和线并压缩编号nummrg,allnumcmp,all! (2)生成弹性链杆外缘节点! <1> 生成拱部圆弧对应弹性链杆外缘节点! 选择线lsel,s,line,,1,5,4! 选择所选线上的节点nsll,r,1! 切换坐标系csys,11! 平移所选节点ngen,2,2*num_totle,all,,,1,0allsel,all! 恢复默认坐标系csys,0! <2> 生成边墙部位圆弧对应弹性链杆外缘节点 ! 生成边墙右上部圆弧对应弹性链杆外缘节点! 选择线lsel,s,line,,2! 选择所选线上的节点nsll,r,1! 切换坐标系csys,12! 平移所选节点ngen,2,2*num_totle,all,,,1,0allsel,all! 恢复默认坐标系csys,0! 生成边墙左上部圆弧对应弹性链杆外缘节点! 选择线lsel,s,line,,6! 选择所选线上的节点nsll,r,1! 工作平面与当前坐标系重合wpcsys! 工作平面偏移wpoffs,-x_2,y_2! 在工作平面处建立16号局部坐标系cswpla,16,1! 平移所选节点ngen,2,2*num_totle,all,,,1,0allsel,all! 恢复默认坐标系csys,0! <3> 生成拱脚部位圆弧对应弹性链杆外缘节点 ! 生成右拱脚部位圆弧对应弹性链杆外缘节点! 选择线lsel,s,line,,4! 选择所选线上的节点nsll,r,1! 切换坐标系csys,14! 平移所选节点ngen,2,2*num_totle,all,,,1,0allsel,all! 恢复默认坐标系csys,0! 生成左拱脚部位圆弧对应弹性链杆外缘节点! 选择线lsel,s,line,,8! 选择所选线上的节点nsll,r,1! 工作平面与当前坐标系重合wpcsys! 工作平面偏移wpoffs,-x_3,y_3! 在工作平面处建立15号局部坐标系cswpla,15,1! 平移所选节点ngen,2,2*num_totle,all,,,1,0allsel,all! 恢复默认坐标系csys,0! 工作平面与当前坐标系重合wpcsys! <4> 生成仰拱部位圆弧对应弹性链杆外缘节点! 选择线lsel,s,line,,3,7,4! 选择所选线上的节点nsll,r,1! 切换坐标系csys,13! 平移所选节点ngen,2,2*num_totle,all,,,1,0! 恢复默认坐标系csys,0allsel,all! 合并重合的关键点和线并压缩编号nummrg,allnumcmp,all! (3) 生成弹性链杆单元GenLinkGenLink.mac! 计算弹性链杆的折算弹性模量并生成弹性链杆单元! 弹性链杆单元划分! 设置单元类型type,2! 设置实常数real,2! (1) 计算右侧弹性链杆的折算弹性模量并生成弹性链杆单元! 选择弹性链杆内缘节点! 选择线lsel,s,line,,1,4,1! 选择所选线上的节点nsll,r,1nplot! 读取所选取节点总数*get,Nnum,node,0,count! 切换坐标系csys,11node_Last=0node_Cur=node(R_1+T_SecLin,90,0)node_Next=nnear(node_Cur)! 恢复默认坐标系csys,0! 循环计算右侧弹性链杆的折算弹性模量并生成弹性链杆单元*do,i,1,Nnum! 计算当前节点处弹性链杆对应围岩环向等效长度! 计算当前节点处弹性链杆对应上侧衬砌单元长度*if,i,eq,1,thenl_Last=distnd(node_Cur,node_Next)*elsel_Last=distnd(node_Last,node_Cur)*endif! 计算当前节点处弹性链杆对应下侧衬砌单元长度*if,i,eq,Nnum,thenl_Next=distnd(node_Last,node_Cur)*elsel_Next=distnd(node_Cur,node_Next)*endif! 计算当前节点处弹性链杆对应围岩环向等效长度l_Cur=(l_Last+l_Next)/2! 计算弹性链杆折算弹性模量，Pa! N=k*x! N=E*ε*A=E*(x/l)*AE_Rock=k_Rock*l_Cur/A_link! 定义链杆单元属性mp,ex,i+1,E_Rock! 设置材料属性mat,i+1! 生成链杆单元e,node_Cur,node_Cur+2*num_totle! 从选择集中删除当前节点nsel,u,node,,node_Cur! 计算下一循环的节点号node_Last=node_Curnode_Cur=node_Nextnode_Next=nnear(node_Next)*enddoallsel,all! (2) 计算左侧弹性链杆的折算弹性模量并生成弹性链杆单元! 选择弹性链杆内缘节点! 选择线lsel,s,line,,5,8,1! 选择所选线上的节点nsll,r,1nplot! 读取所选取节点总数*get,Nnum,node,0,count! 切换坐标系csys,11node_Last=0node_Cur=node(R_1+T_SecLin,90,0)node_Next=nnear(node_Cur)! 恢复默认坐标系csys,0! 循环计算左侧弹性链杆的折算弹性模量并生成弹性链杆单元*do,i,1,Nnum-1*if,i,ne,1,then! 计算当前节点处弹性链杆对应围岩环向等效长度 ! 计算当前节点处弹性链杆对应上侧衬砌单元长度 l_Last=distnd(node_Last,node_Cur)! 计算当前节点处弹性链杆对应下侧衬砌单元长度 l_Next=distnd(node_Cur,node_Next) ! 计算当前节点处弹性链杆对应围岩环向等效长度l_Cur=(l_Last+l_Next)/2! 计算弹性链杆折算弹性模量，Pa! N=k*x! N=E*ε*A=E*(x/l)*AE_Rock=k_Rock*l_Cur/A_link! 定义链杆单元属性mp,ex,i+num_totle+2,E_Rock! 设置材料属性mat,i+num_totle+2! 生成链杆单元e,node_Cur,node_Cur+2*num_totle*endif! 从选择集中删除当前节点nsel,u,node,,node_Cur! 计算下一循环的节点号node_Last=node_Curnode_Cur=node_Nextnode_Next=nnear(node_Next)*enddo! 删除临时参数l_Last=l_Cur=l_Next=node_Last=node_Cur=node_Next=Nnum=allsel,all! 合并重合的关键点和线并压缩编号nummrg,allnumcmp,all! 显示节点的编号/pnum,node,1eplotGenCom.mac! 4. 生成部件与组件! (1) 生成二次衬砌节点组件! 选择梁单元esel,s,type,,1! 选择梁单元上的节点nsle,r! 生成部件cm,CM_Beam_node,nodeallsel,all! 切换到极坐标系csys,2! <1> 生成二次衬砌右上侧节点组件! 选择部件cmsel,s,CM_Beam_node! 选择节点nsel,r,loc,y,0,90! 生成部件cm,CM_Beam_Rig_Top_node,nodeallsel,all! <2> 生成二次衬砌左上侧节点组件! 选择部件cmsel,s,CM_Beam_node! 选择节点nsel,r,loc,y,90,180! 生成部件cm,CM_Beam_Lef_Top_node,nodeallsel,all! <3> 生成二次衬砌左下侧节点组件! 选择部件cmsel,s,CM_Beam_node! 选择节点nsel,r,loc,y,180,270! 生成部件cm,CM_Beam_Lef_Bot_node,nodeallsel,all! <4> 生成二次衬砌右下侧节点组件! 选择部件cmsel,s,CM_Beam_node! 选择节点nsel,r,loc,y,0,-90! 生成部件cm,CM_Beam_Rig_Bot_node,nodeallsel,all! 恢复默认坐标系csys,0! (2) 生成弹性链杆外缘节点组件! 选择部件cmsel,s,CM_Beam_node! 反向选择nsel,inve! 生成部件cm,CM_Link_outside_node,nodeallsel,allReverseArc.mac! 6. 改变梁单元圆弧段的法线方向! 改变隧道左侧初期支护圆弧段的法线方向! 选择线lsel,s,loc,x,0,-Blreverse,all,0allsel,all! 显示线lplotLoadTunnel.mac! 6. 计算等效节点荷载! 二次衬砌分担荷载比例系数factor=1! (1) 计算隧道荷载! 计算上侧竖直荷载Pressure_Top=435.8e3! 计算下侧竖直荷载Pressure_Bot=0! 计算上侧水平荷载Pressure_Top_Hor=179.2e3! 计算下侧水平荷载Pressure_Bot_Hor=239.1e3! (2) 计算等效节点荷载LoadNodeLoadNode.mac! 计算等效节点荷载并写入文件! (1) 定义数组变量贮存节点号和等效节点荷载allsel,all! 选择所有衬砌节点cmsel,s,CM_Beam_node! 读取所选取节点总数*get,Nnum,node,0,count! 读取所选取节点中最小节点号*get,Nmin,node,0,num,min! 定义一个Nnum行4列的数组! 数组第1列储存节点号*dim,P,array,Nnum,4,1! 令node_Cur等于所选取节点中最小节点号node_Cur=Nmin! 保存节点号*do,i,1,Nnum! 保存当前节点号P(i,1)=node_Cur! 令K等于下一个所选取节点号node_Cur=ndnext(node_Cur)*enddoallsel,all! (2) 计算上侧等效节点荷载! 选择衬砌上侧节点cmsel,s,CM_Beam_Lef_Top_nodecmsel,a,CM_Beam_Rig_Top_nodenplot! 读取所选取节点总数*get,Nnum_Cur,node,0,count! 切换坐标系csys,11! 取得当前节点号node_Cur=node(R_1+T_SecLin/2,0,0)! 恢复默认坐标系csys,0! 取得所选节点中与当前节点相邻的节点号node_Next=nnear(node_Cur)*do,i,1,Nnum_Cur-1! 计算节点node_Cur在数组P中的位置*do,j,1,Nnum*if,P(j,1),eq,node_Cur,thenLoc_CurNode=j*exit*endif*enddo在数组P中的位置*do,j,1,Nnum*if,P(j,1),eq,node_Next,thenLoc_NextNode=j*exit*endif*enddo! 计算X方向坐标差dx=abs(nx(node_Next)-nx(node_Cur)) P(Loc_CurNode,3)=P(Loc_CurNode,3)-Pressure_Top*dx/2P(Loc_NextNode,3)=P(Loc_NextNode,3)-Pressure_Top*dx/2P(Loc_CurNode,4)=P(Loc_CurNode,4)+Pressure_Top*dx**2/12 P(Loc_NextNode,4)=P(Loc_NextNode,4)-Pressure_Top*dx**2/12 ! 从选择集中删除当前节点nsel,u,node,,node_Cur! 计算下一循环的节点号node_Cur=node_Nextnode_Next=nnear(node_Next)*enddoallsel,all! (3) 计算下侧等效节点荷载! 选择衬砌下侧节点cmsel,s,CM_Beam_Lef_Bot_nodecmsel,a,CM_Beam_Rig_Bot_nodenplot! 读取所选取节点总数*get,Nnum_Cur,node,0,count! 切换坐标系csys,11! 取得当前节点号node_Cur=node(R_1+T_SecLin/2,0,0)! 恢复默认坐标系csys,0! 取得所选节点中与当前节点相邻的节点号node_Next=nnear(node_Cur)*do,i,1,Nnum_Cur-1! 计算节点node_Cur在数组P中的位置*do,j,1,Nnum*if,P(j,1),eq,node_Cur,thenLoc_CurNode=j*exit*endif*enddo! 计算节点node_Next在数组P中的位置*do,j,1,Nnum*if,P(j,1),eq,node_Next,thenLoc_NextNode=j*exit*endif*enddo! 计算X方向坐标差dx=abs(nx(node_Next)-nx(node_Cur)) P(Loc_CurNode,3)=P(Loc_CurNode,3)+Pressure_Bot*dx/2P(Loc_NextNode,3)=P(Loc_NextNode,3)+Pressure_Bot*dx/2P(Loc_CurNode,4)=P(Loc_CurNode,4)-Pressure_Bot*dx**2/12 P(Loc_NextNode,4)=P(Loc_NextNode,4)+Pressure_Bot*dx**2/12 ! 从选择集中删除当前节点nsel,u,node,,node_Cur! 计算下一循环的节点号node_Cur=node_Nextnode_Next=nnear(node_Next)*enddoallsel,all! (4) 计算左侧节点处水平压力! 选择衬砌左侧节点cmsel,s,CM_Beam_Lef_Top_nodecmsel,a,CM_Beam_Lef_Bot_nodenplot! 读取所选取节点总数*get,Nnum_Cur,node,0,count! 切换坐标系csys,11! 取得上侧节点号node_Top=node(R_1+T_SecLin/2,90,0)! 切换坐标系csys,13! 取得下侧节点号node_Bot=node(R_4+T_SecLin/2,-90,0)! 恢复默认坐标系csys,0! 取得当前节点号node_Cur=node_Top! 定义数组存放左侧节点处水平压力! 定义一个Nnum_Cur行2列的数组*dim,Q,array,Nnum_Cur,2,1! 定义临时变量t=Pressure_Bot_Hor-Pressure_Top_Hor! 保存节点号与节点处水平荷载*do,i,1,Nnum_Cur! 保存当前节点号Q(i,1)=node_Cur! 保存当前节点处水平荷载Q(i,2)=Pressure_Top_Hor+t*(ny(node_Cur)-ny(node_Top))/(ny(node_Bot)-ny(node_Top))! 从选择集中删除当前节点nsel,u,node,,node_Cur! 计算下一循环的节点号node_Cur=nnear(node_Cur)*enddoallsel,all! 选择衬砌左侧节点cmsel,s,CM_Beam_Lef_Top_nodecmsel,a,CM_Beam_Lef_Bot_nodenplot! 取得当前节点号node_Cur=node_Top! 取得所选节点中与当前节点相邻的节点号node_Next=nnear(node_Cur)*do,i,1,Nnum_Cur-1! 计算节点node_Cur在数组P中的位置*do,j,1,Nnum*if,P(j,1),eq,node_Cur,thenLoc_CurNode=j*exit*endif*enddo! 计算节点node_Next在数组P中的位置*do,j,1,Nnum*if,P(j,1),eq,node_Next,thenLoc_NextNode=j*exit*endif*enddo! 计算节点node_Cur在数组Q中的位置*do,j,1,Nnum_Cur*if,Q(j,1),eq,node_Cur,thenLoc_CurNode_Q=j*exit*endif*enddo! 计算节点node_Next在数组Q中的位置*do,j,1,Nnum_Cur*if,Q(j,1),eq,node_Next,then Loc_NextNode_Q=j*exit*endif*enddo! 计算Y方向坐标差dy=abs(ny(node_Next)-ny(node_Cur))P(Loc_CurNode,2)=P(Loc_CurNode,2)+(Q(Loc_CurNode_Q,2)*7+Q(Loc_NextNode_Q,2)*3)*dy/20P(Loc_NextNode,2)=P(Loc_NextNode,2)+(Q(Loc_CurNode_Q,2)*3+Q(Loc_NextNode_Q,2)*7)*dy/20 P(Loc_CurNode,4)=P(Loc_CurNode,4)+(Q(Loc_CurNode_Q,2)/20+Q(Loc_NextNode_Q,2)/30)*dy**2 P(Loc_NextNode,4)=P(Loc_NextNode,4)-(Q(Loc_CurNode_Q,2)/30+Q(Loc_NextNode_Q,2)/20)*dy**2 ! 从选择集中删除当前节点nsel,u,node,,node_Cur! 计算下一循环的节点号node_Cur=node_Nextnode_Next=nnear(node_Next)*enddoallsel,all! 删除临时参数Q(1,1)=! (5) 计算右侧节点处水平压力! 选择衬砌右侧节点cmsel,s,CM_Beam_Rig_Top_nodecmsel,a,CM_Beam_Rig_Bot_nodenplot! 读取所选取节点总数*get,Nnum_Cur,node,0,count! 切换坐标系csys,11! 取得上侧节点号node_Top=node(R_1+T_SecLin/2,90,0)! 切换坐标系csys,13! 取得下侧节点号node_Bot=node(R_4+T_SecLin/2,-90,0)! 恢复默认坐标系csys,0! 取得当前节点号node_Cur=node_Top! 定义数组存放左侧节点处水平压力! 定义一个Nnum_Cur行2列的数组*dim,Q,array,Nnum_Cur,2,1! 定义临时变量t=Pressure_Bot_Hor-Pressure_Top_Hor! 保存节点号与节点处水平荷载*do,i,1,Nnum_Cur! 保存当前节点号Q(i,1)=node_Cur! 保存当前节点处水平荷载Q(i,2)=Pressure_Top_Hor+t*(ny(node_Cur)-ny(node_Top))/(ny(node_Bot)-ny(node_Top))! 从选择集中删除当前节点nsel,u,node,,node_Cur! 计算下一循环的节点号node_Cur=nnear(node_Cur)*enddoallsel,all! 选择衬砌右侧节点cmsel,s,CM_Beam_Rig_Top_nodecmsel,a,CM_Beam_Rig_Bot_nodenplot! 取得当前节点号node_Cur=node_Top! 取得所选节点中与当前节点相邻的节点号node_Next=nnear(node_Cur)*do,i,1,Nnum_Cur-1! 计算节点node_Cur在数组P中的位置*do,j,1,Nnum*if,P(j,1),eq,node_Cur,thenLoc_CurNode=j*exit*endif*enddo! 计算节点node_Next在数组P中的位置*do,j,1,Nnum*if,P(j,1),eq,node_Next,thenLoc_NextNode=j*exit*endif*enddo! 计算节点node_Cur在数组Q中的位置*do,j,1,Nnum_Cur*if,Q(j,1),eq,node_Cur,thenLoc_CurNode_Q=j*exit*endif*enddo! 计算节点node_Next在数组Q中的位置*do,j,1,Nnum_Cur*if,Q(j,1),eq,node_Next,thenLoc_NextNode_Q=j*exit*endif*enddo! 计算Y方向坐标差dy=abs(ny(node_Next)-ny(node_Cur))P(Loc_CurNode,2)=P(Loc_CurNode,2)-(Q(Loc_CurNode_Q,2)*7+Q(Loc_NextNode_Q,2)*3)*dy/20 P(Loc_NextNode,2)=P(Loc_NextNode,2)-(Q(Loc_CurNode_Q,2)*3+Q(Loc_NextNode_Q,2)*7)*dy/20 P(Loc_CurNode,4)=P(Loc_CurNode,4)-(Q(Loc_CurNode_Q,2)/20+Q(Loc_NextNode_Q,2)/30)*dy**2 P(Loc_NextNode,4)=P(Loc_NextNode,4)+(Q(Loc_CurNode_Q,2)/30+Q(Loc_NextN ode_Q,2)/20)*dy**2 ! 从选择集中删除当前节点nsel,u,node,,node_Cur! 计算下一循环的节点号node_Cur=node_Nextnode_Next=nnear(node_Next)*enddoallsel,allnplot! 删除临时参数dx=Nmin=Nnum=Nnum_Cur=node_Cur=node_Next=node_Top=node_Bot=Loc_CurNode=Loc_NextNode=Loc_CurNode_Q=Loc_NextNode_Q=i=j=t=dx=dy=Q(1,1)=! (6) 输出等效节点力! 打开新文件mydata.mac(如存在则覆盖原文件)*cfopen,mydata,mac*vwrite,P(1,1),P(1,2) !施加X方向等效节点力('F,',f6.0,',FX,',f18.4) !写入格式*vwrite,P(1,1),P(1,3) !施加Y方向等效节点力('F,',f6.0,',FY,',f18.4) !写入格式*vwrite,P(1,1),P(1,4) !施加Z方向等效节点弯矩('F,',f6.0,',MZ,',f18.4) !写入格式*cfclos !关闭文件! 删除临时参数P(1,1)=Calculate.mac! 二加载与求解! 1. 设定求解选项。
公路隧道明洞结构计算方法
Ｔｈｅｓ ｌｏ ｂｕ ｉｄ ｔ ｎ ｌｄ ｓｇ ｆｔ ｉｙ ｍ ａ ｎ ｒ ａ ｈａ ｌｗ ｒｅ ｕ ｎｅ ｅ ｉｎ ｏ ｈｅｃ ｔ ｉ ｏ ｄ
针 对 表 １ 三 点 应 注 意 ： ） １中并 没 有 给 出 所 有 可 能 的荷 靠度指标。因而作者认 为在验算 多 活载共 同作用下 的截 面强度 有 １表 载组合情况 ， 只是 给 出 了 大 体 荷 载 组 合 的方 式 和 方 法 ； ） 面 承 时对活载应考虑折减 ， ２截 但折减系数 的取值应慎重 。３ 截面正常使 ）
结 构 自重 ＋附加恒 载 ＋围岩压力 （ 覆土压力等） ＋公路荷载
短期状况 偶然状况
正常使用状态 截面承载力 截 面承载力
荷载短期效应组合 破损阶段法 破损阶段法
结构 自 ＋附加恒载 ＋围岩压力（ 重 覆土压力等 ） ＋混凝土收缩徐变力 ＋ 温度荷载 结构 自重 ＋附加恒载 ＋围岩压力（ 覆土压力等 ） 施 工荷载 ＋ ＋ 温度荷载 结 构 自重 ＋附加恒 载 ＋围岩压力 （ 覆土压力等） ＋地震荷载 结构 自重 ＋附加恒载 ＋围岩压力（ 覆土压力等） 落石 冲击力 ＋
表 １ 荷 载计 算 工 况表
设计状况 验算 目的 截面承载力 持久状态 正常使用状态 计算方法 破损阶段法 荷载长期效应组合 荷载组合 结构 自重 ＋附加恒载 ＋围岩压力（ 覆土压力等 ） 结 构 自重 ＋附加恒 载 ＋围岩压力 （ 覆土压力等） ＋公路荷载 结构 自重 ＋附加恒载 ＋围岩压力（ 覆土压力等） ＋混凝土收缩徐变力
第３ ６卷 第 ２ ９期
２０ １０年 １０月 兀 Ｉ ＴＥ Ｒｊ
Ｖ０ ． ６Ｎｏ ２９ １３ ．
Ｏｃ． ２ １ ｔ ００
・ ３１ ・ ３
文 章 编号 ：０ ９６ ２ （０ ０ ２ —３ ３０ １ ０ ．８ ５ ２ １ ）９０ １．２
隧道结构计算
一．基本资料惠家庙公路隧道，结构断面尺寸如下图，内轮廓半径为 6.12m ，二衬 厚度为 0.45m 。
围岩为 V 级，重度为19.2kN/m3，围岩弹性抗力系数为 1.6×105kN/m3，二衬材料为 C25 混凝土，弹性模量为 28.5GPa ，重度 为 23kN/m 3。
考虑到初支和二衬分别承担部分荷载，二衬作为安全储备，对其围岩压力进行折减，对本隧道按照 60%进行折减。
求二衬内力，作出内力图，偏心距分布图。
1）V1级围岩，二衬为素混凝土，做出安全系数分布图，对二衬安全性进行验算。
2）V2级围岩，二衬为钢筋混凝土，混凝土保护层厚度 0.035m ，按结构设计原理对其进行配筋设计。
二．荷载确定1.围岩竖向均布压力:q=0.6×0.45⨯12-S γω式中: S —围岩级别，此处S=5；γ--围岩重度，此处γ=19.2KN/3m ；ω--跨度影响系数，ω=1+i（m l -5），毛洞跨度m l =13.14+2⨯0.06=13.26m ，其中0.06m 为一侧平均超挖量，m l =5—15m 时，i=0.1,此处ω=1+0.1⨯(13.26-5)=1.826。
所以，有：q=0.6×0.451-52⨯⨯19.2⨯1.826=151.456（kPa ）此处超挖回填层重忽略不计。
2.围岩水平均布压力：e=0.4q=0.4⨯151.456=60.582（kPa ） 三．衬砌几何要素 5.3.1 衬砌几何尺寸内轮廓线半径126.12m , 8.62m r r ==内径12,r r 所画圆曲线的终点截面与竖直轴的夹角1290,98.996942φφ=︒=︒； 拱顶截面厚度00.45m,d = 墙底截面厚度n 0.45m d =此处墙底截面为自内轮廓半径2r 的圆心向内轮廓墙底做连线并延长至与外轮廓相交，其交点到内轮廓墙底间的连线。
外轮廓线半径：110 6.57m R r d =+= 2209.07m R r d =+=拱轴线半径：'1200.5 6.345m r r d =+= '2200.58.845m r r d =+=拱轴线各段圆弧中心角：1290,8.996942θθ=︒=︒5.3.2 半拱轴线长度S 及分段轴长S ∆分段轴线长度：'11190π 3.14 6.3459.9667027m 180180S r θ︒==⨯⨯=︒︒'2228.996942π 3.148.845 1.3888973m 180180S r θ︒==⨯⨯=︒︒半拱线长度：1211.3556000m S S S =+=将半拱轴线等分为8段，每段轴长为：11.3556 1.4194500m 88S S ∆===5.3.3 各分块接缝（截面）中心几何要素（1）与竖直轴夹角i α11'1180 1.4194518012.8177296π 6.345πS r αθ∆︒︒=∆=⨯=⨯=︒ 21112.817729612.817729625.6354592ααθ=+∆=︒+︒=︒ 32125.635459212.817729638.4531888ααθ=+∆=︒+︒=︒43138.453188812.817729651.2709184ααθ=+∆=︒+︒=︒54151.270918412.817729664.0886480ααθ=+∆=︒+︒=︒ 65164.088648012.817729676.9063776ααθ=+∆=︒+︒=︒ 76176.906377612.817729689.7241072ααθ=+∆=︒+︒=︒2'2180 1.419451809.2748552π8.845πS r θ∆︒︒∆=⨯=⨯=︒ 87289.72410729.194855298.996942ααθ=+∆=︒+︒=︒另一方面，8129012.817729698.996942αθθ=+=︒+︒=︒ 角度闭合差Δ≈0。
隧道结构计算的结构力学法
9.隧道衬砌结结构计算的矩阵位移法计算步骤：(1)计算衬砌单元刚度位移矩阵(2)计算链杆刚度 (3)计算墙底支座的刚度矩阵(4)集成总体刚度矩阵，并计算各元素值(5)消去已知位移(6)计算节点位 移(7)计算单元节点力。
7.外荷载产生的位移μhp和直墙拱的结构计算:(1)由弹性地基梁公式,计算系数μ1，β1，μ2， β2(墙顶位移)(2)由主动荷载及单位弹性抗力所产生的h点位移计算单位弹性抗力所产生的位移μhσ(3) 由μhp和μhσ求得弹性抗力σh(4)根据任一截面i处的内力表达式得拱的截面内力(5)求出直梁的内力(6) 校核。
10.拱形直墙计算模型：拱圈是一个拱脚弹性固定的无铰拱，拱圈弹性抗力假定为二次抛物线分 布，边墙视为弹性地基梁，全部抗力由文壳勒假设确定。
11.弹性地基梁分类：对于弹性地基梁按其相对长度al不同，可分为以下三种情况：当 1≤al≤2.75，认为是短梁，即梁的一端受力和变形会影响到另一端。当al≥2.75，认为是长梁，即 梁的一端受力和变形不会影响到另一端。当al≤1，认为是绝对刚性梁，即整个梁只产生平动和 转动。
14.矩阵力法和位移法的区别：力法：柔度方程：力;位移法：刚度方程：位移。计算衬砌 结构的单元有三种：一是模拟衬砌结构偏心受压的衬砌单元;二是模拟围岩约束衬砌自由变形 的链杆单元;三是模拟墙底地层约束墙脚变形的弹性支座单元。
元计算科技发展有限公司是一家既年青又悠久的科技型企业。年青是因为她正处在战略重组 后的初创期，悠久是因为她秉承了中国科学院数学研究所在有限元和数值计算方面所开创的光荣 传统。元计算的目标是做强中国人自己的计算技术，做出中国人自己的CAE软件。
明洞作用计算方法
112附录C 明洞作用（荷载）计算方法C.0.0明洞拱圈回填土垂直压力可按公式（C.0.1）计算：i i h q i γ=（C.0.1）式中i q ——明洞结构上任意点i 的回填土石垂直压力值（Kn/㎡）; i γ——拱背回填土石重度（Kn/㎡）i h ——明洞结构上任意点i 的土柱高度（m ）.C.0.2明洞拱圈回填土石侧压力可按式（C.0.2——1）计算： λγi i i h e =式中i e ——任意点i 的侧压力（Kn/㎡）; i i h ,γ——符号意义同前；λ——侧压力系数，计算公式为：填土坡面向上倾斜（图C.0.2——1）时按无限土体计算，即 122122c o s c o s c o s c o s c o s c o s c o s ϕααϕαααλ-+--=113图C.0.2——1填土坡面向上倾斜（图C.0.2——2）时按有限土体计算，即nm mn n n n-∙-++-=ρμρμμλsin )1(cos )(1（C.0.2——3）式中α——设计填土面坡度角)(︒；1ϕ——拱背回填土式计算摩擦角)(︒；ρ——侧压力作用方向与水平线的夹角)(︒；114n ——开挖边坡坡度； m ——回填土石面坡度；——回填土石与开挖边坡面间的摩擦系数。
图C.0.2——2填土坡面水平时的侧压力系数（图C.0.2——3）图C.0.2——3115)24(tan 2ϕπλ-=C.0.3明洞边墙回填土石侧压力可按图（C.0.3——1）计算： λγ'=i h e i i式中2γ——墙背回填土石重度（Kn/3m ）；'i h ——边墙计算点换算高度（m ），i ii i i h h h ∙+"='γγ； h ''——墙顶至计算位置的高度（m ）；1h ——填土坡面至墙顶的垂直高度（m ）λ——侧压力系数，计算公式为： 填土坡面向上倾斜（C.0.3——1）时，[]22222cos )sin(sin 1cos ααϕϕϕλ'-∙+=（C.0.3——2）116图C.0.3——2填土坡面向下倾斜（图C.0.3——2）时)tan tan 1)(tan(tan 020θαϕθθλ'++=o（C.0.3——3）式中⎪⎪⎭⎫⎝⎛='αγγαtan arctan 21； 2ϕ——墙背回填土计算摩擦角；117222)22220tan /tan )tan 1(1tan /tan 1)(tan 1(tan tan ϕαϕϕαϕϕθ'++'+++-=（C.0.3——4）图C.0.3——2填土坡面水平时的侧压力系数为⎪⎭⎫⎝⎛-=24tan 22ϕπλ附录G地震基本烈度余地震动参数的换算G.0.1地震区隧道设计应直接采用地震动参数（地震动峰值加速度和地震动反应诺特征周期）取代地震基本烈度，作为铁路隧道工程设防的依据。
荷载计算公式
3.2.1 荷载计算公式（一） 深浅埋隧道判定原则深、浅埋隧道分界深度至少应大于坍方的平均高度且有一定余量。
根据经验，这个深度通常为2~2.5倍的坍方平均高度值，即：()q p h H 5.2~2=式中，p H —深浅埋隧道分界的深度； q h —等效荷载高度值系数2~2.5在松软的围岩中取高限，在较坚硬围岩中取低限。
当隧道覆盖层厚度q h h ≤时为超浅埋，p q H h h <<时为浅埋，p H h ≥时为深埋。
（二） 围岩压力计算方法(1) 当隧道埋深h 小于或等于等效荷载高度h q （即q h h ≤）时，为超浅埋隧道，围岩压力按全土柱计算。
围岩垂直均布压力为：rh q =式中，r —围岩容重，见表3-1； h —隧道埋置深度。
围岩水平均布压力e 按朗金公式计算⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛+=245tan 21002φt rH q e(2) 当隧道埋深h 大于等效荷载高度h q 且小于深浅埋分界深度（p q H h h <<）时，为一般浅埋隧道，围岩压力按谢家休公式计算： 围岩垂直均布压力为：⎪⎭⎫ ⎝⎛-==B h rh B Q q θλtan 1 ()[]θφθφββφβλtan tan tan tan tan 1tan tan tan 000+-+-=()θφφφφβtan tan tan 1tantan tan 00020-++=式中，B —坑道跨度； r —围岩的容度； h —洞顶覆土厚度；θ—岩体两侧摩擦角，见表3-1； λ—侧压力系数；0φ—围岩计算摩擦角，见表3-1；β—产生最大推力时的破裂角；围岩水平压力按下式计算： 隧道顶部水平压力： λrh e =1隧道底部水平压力： λrH e =2=λ）（t H h r +(3) 当隧道埋深h 大于或等于深浅埋分界深度H p （即p H h ≥）时，为深埋隧道，围岩压力按自然拱内岩体重量计算：单线铁路隧道按概率极限状态设计时的垂直压力为：r rh q s q ⨯⨯==79.141.0单线、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计时垂直压力为：rw rh q s q ⨯⨯==-1245.0式中，h q —等效荷载高度值； s —围岩级别，如级围岩s =3； r —围岩的容重w —宽度影响系数，其值为：()51-+=B i w其中，B —坑道宽度；i —B 每增加1m 时，围岩压力的增减率（以B =5m 为基准），当B <5m 时，取i =0.2，B >5m 时，取i =0.1。
隧道荷载结构模式数值模拟计算
隧道荷载结构模式数值模拟计算摘要：根据案例提供的隧道工程、围岩荷载以及衬砌内轮廓，初步确定二次衬砌的厚度，采用数值计算软件进行计算分析，绘制出隧道的计算简图、计算断面图、内力图，根据绘出的内力图检算二次衬砌的安全性。
关键词：数值模拟计算一.设计参数的选择1.岩体特性：该案例选择的围岩级别为II级，隧道埋深为100 m；岩体重度，围岩的弹性反力系数根据围岩级别分别为：2.衬砌材料：采用C20混凝土；重度kN/m2，弹性模量GPa，混凝土衬砌轴心抗压强度标准值MPa，混凝土轴心抗拉强度标准值MPa。
3.结构尺寸：隧道不加宽，衬砌厚度40cm。
具体尺寸如图。
二.计算深埋隧道围岩松动压力1.对于单线、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计时垂直压力公式为：式中——等效荷载高度值；S——围岩级别，本设计II级围岩S=2；——围岩的容重；——宽度影响系数，其值为其中B——坑道宽度——B每增加1m时，围压压力的增减率（以B=5m为基准），当B5m时，取=0.1则2.水平围压压力：对于II级围压，水平均布松动围岩压力为0。
三.基于ansys建立模型的数值分析在本案例中，根据隧道本身的受力特点，采用梁单元BEAM188单元来模拟隧道的衬砌。
对于围岩的支撑力，采用弹簧单元COMBIN14来模拟。
在ansys中建立隧道模型首先要定义我们选用的梁单元BEAM188和COMBIN14单元，并给它们赋值：材料的弹性模量、泊松比、材料密度与实常数。
定义好单元类型过后，我们就需要找出隧道关键点的坐标：在CAD中绘出本案例隧道的横断面图，得到关键点的坐标，再由关键点的坐标连成隧道的断面形状，并赋予材料特性，此时隧道的断面轮廓就画出来了，此时还需要对绘出的隧道断面几何模型进行网格划分，将之转化为有限元图形，生成弹簧单元后，就可以在隧道模型上施加荷载了。
施加荷载：如前所述对围岩压力的计算，接下来我们对隧道施加水平方向和竖直方向的荷载。
由于本案例中竖向荷载q只施加在隧道上部的节点，水平荷载e=0，因此，需要将荷载分布在各个节点上。
公路隧道隧道荷载计算
松散荷载高h： 2.457
垂直均布压力 58.968
底部 170
170 253
水头高度 隧道高度 顶部
水压力 围岩压力 合计压力 设计压力： 隧道宽度B： 压力增减率i： 宽度影响系数 围岩级别S： 松散荷载高h： 垂直均布压力
36
5.8 0.1 1.08
3 1.944 46.656
6
360
46.656
406.656
604
底部 420
420 624
水头高度 隧道高度 顶部 底部
水压力
23
围岩压力
合计压力
设计压力：
隧道宽度B： 4.1
压力增减率i： 0.2
宽度影响系数 0.82
围岩级别S： 6
松散荷载高h： 11.808
垂直均布压力 106.272
3.75
230 106.272 336.272
500
267.5
267.5 398
40m水头
标准值
M
N
V
1
112
1460
67
2
50
1460
278
3
114
1460
88
设计值
M
N
V
1
166
2168
99
2
74
2168
413
3
169
2168
131
两侧
顶部 底部
30
170
30
170
45
253
标准值 1 2 3
设计值 1 2 3
50m水头
M
N
600
1460
50
1460
明洞作用计算方法
112附录C 明洞作用（荷载）计算方法C.0.0明洞拱圈回填土垂直压力可按公式（C.0.1）计算：i i h q i γ=（C.0.1）式中i q ——明洞结构上任意点i 的回填土石垂直压力值（Kn/㎡）; i γ——拱背回填土石重度（Kn/㎡）i h ——明洞结构上任意点i 的土柱高度（m ）.C.0.2明洞拱圈回填土石侧压力可按式（C.0.2——1）计算： λγi i i h e =式中i e ——任意点i 的侧压力（Kn/㎡）; i i h ,γ——符号意义同前；λ——侧压力系数，计算公式为：填土坡面向上倾斜（图C.0.2——1）时按无限土体计算，即 122122c o s c o s c o s c o s c o s c o s c o s ϕααϕαααλ-+--=113图C.0.2——1填土坡面向上倾斜（图C.0.2——2）时按有限土体计算，即nm mn n n n-∙-++-=ρμρμμλsin )1(cos )(1（C.0.2——3）式中α——设计填土面坡度角)(︒；1ϕ——拱背回填土式计算摩擦角)(︒；ρ——侧压力作用方向与水平线的夹角)(︒；114n ——开挖边坡坡度； m ——回填土石面坡度；——回填土石与开挖边坡面间的摩擦系数。
图C.0.2——2填土坡面水平时的侧压力系数（图C.0.2——3）图C.0.2——3115)24(tan 2ϕπλ-=C.0.3明洞边墙回填土石侧压力可按图（C.0.3——1）计算： λγ'=i h e i i式中2γ——墙背回填土石重度（Kn/3m ）；'i h ——边墙计算点换算高度（m ），i ii i i h h h ∙+"='γγ； h ''——墙顶至计算位置的高度（m ）；1h ——填土坡面至墙顶的垂直高度（m ）λ——侧压力系数，计算公式为： 填土坡面向上倾斜（C.0.3——1）时，[]22222cos )sin(sin 1cos ααϕϕϕλ'-∙+=（C.0.3——2）116图C.0.3——2填土坡面向下倾斜（图C.0.3——2）时)tan tan 1)(tan(tan 020θαϕθθλ'++=o（C.0.3——3）式中⎪⎪⎭⎫⎝⎛='αγγαtan arctan 21； 2ϕ——墙背回填土计算摩擦角；117222)22220tan /tan )tan 1(1tan /tan 1)(tan 1(tan tan ϕαϕϕαϕϕθ'++'+++-=（C.0.3——4）图C.0.3——2填土坡面水平时的侧压力系数为⎪⎭⎫⎝⎛-=24tan 22ϕπλ附录G地震基本烈度余地震动参数的换算G.0.1地震区隧道设计应直接采用地震动参数（地震动峰值加速度和地震动反应诺特征周期）取代地震基本烈度，作为铁路隧道工程设防的依据。
隧道-结构计算分析
一、计算原则和依据1、采用ANSYS有限元通用程序（注：该程序是目前唯一通过ISO9001国际认证的有限元计算分析程序）对竹篱晒网隧道进行结构受力及变形分析。
2、采用地层-结构模型对暗挖隧道的受力和变形进行分析。
3、分析对象为纵向宽1m的隧道结构和地层。
4、依据《竹篱晒网隧道施工图设计文件》、《公路路隧道设计规范》等建立计算模型。
二、计算内容对竹篱晒网隧道的计算，分别取洞口段、洞身段中V、IV、III级围岩进行计算，取断面计算如下：1、出洞段KY2+760（V级围岩，采用双侧壁法施工）；2、洞身段KY2+480（IV级围岩，采用环形台阶法施工）；3、洞身段KY2+500（III级围岩，采用台阶法施工）。
三、结构计算模型、荷载1、计算模型采用隧道与地层共同作用的地层-结构模式，模拟分析施工过程地层和结构的受力及变形特点。
计算模型所取范围是：水平方向取隧道两侧3倍洞跨，而竖直方向，仰拱以下地层，以洞跨的3倍为限，即从仰拱至地层下3倍洞跨深度范围，隧道拱顶以上地层：V级围岩取至地面，IV 、III 级围岩根据计算高度取值。
计算中地层及初期支护（初衬喷砼及钢架除外）采用了DP 材料的弹塑性实体单元模拟，而初衬（钢架喷砼）、二次衬砌采用弹性梁模拟，为使点和点之间位移协调，初衬和地层之间用约束方程联系、初衬和二衬之间用只传递轴向压力的链杆连接。
ANSYS 程序中，采用单元的“生”（KILL ）、“死”（ALIVE ）来模拟衬砌和临时支撑的施作和拆除过程，当单元“死”时，受力体系不受其影响，“死”单元的应力、应变不计（即内力为0），而后被激“活”的单元不计以前自身应变，也就是说，“活”的单元只对以后应力发生变化时产生作用。
2、计算荷载模拟开挖过程中，先计算初始应力，每开挖一步形成“毛洞”时，释放一部分初始应力，施作支护时释放余下的初始应力。
有限元计算中，采用莫尔—库仑屈服准则对结构的开挖过程进行弹塑性分析。
也即采用 Drucker-Prager （DP ）模型计算结构非线形的变形特性。
新奥法隧道结构设计隧道工程荷载计算
•土石方工 程分类法 (开挖难易 程度)
•岩石的坚固 性来分类: 如 坚固性系数f
•从分级指标方面：
•RQD
•从围岩稳定性出发分 类来代替多年沿用的 坚固性为基础的分类
•大多数从 定性描述
•经验判断
•定量描述
•● 以隧道围岩的稳定性为基础进行分级是隧道围岩分类的 总趋势。
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新奥法隧道结构设计隧道工程荷载计 算
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新奥法隧道结构设计隧道工程荷载计 算
•⑵ 以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法：
• ① 这类分类法以泰沙基分类法为代表
• 这类分类法是在早期提出的，限于当时的条件，仅把 不同岩性、不同构造条件对围岩分类，这类分类法曾长 期被各国采用，至今仍有广泛的影响。
• ② 以岩体综合物性为指标的分类法
• 3、我国公路隧道围岩分级
• ⑴ 公路隧道围岩分级的出发点
• ● 强调岩体的地质特征的完整性和稳定性，避免单一 的岩石强度指标分级的方法；
• ● 分级指标应采用定性和定量指标相结合的方式；
• ● 明确工程目的和内容，并提出相应的措施；
• ● 分级应简明，便于使用；
• ● 考虑吸收其它围岩分级优点，并尽量和我国其它工 程分级一致。
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新奥法隧道结构设计隧道工程荷载计 算
•围岩分级的 分阶段实施， 是因为围岩分 级除了取决于 地质条件外， 还和工程规模、 形状、施工工 艺等技术条件 有关。不同阶 段的地质勘察、 试验研究、工 作顺序可用右 图所示的框图 来表示。
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新奥法隧道结构设计隧道工程荷载计 算
• ③碎石状松散结构的岩体中，裂隙中有泥质充填物， 地下水对稳定性影响很大，可根据地下水的性质、水量、 渗流条件、动水和静水压力等情况，判断其对围岩的危害 程度，可降低1～2级；
公路隧道明洞结构荷载计算方法
３ ４ 公路 车辆 荷载 ．
根据现行 Ｊ Ｇ Ｄ ０２０ Ｔ ６ ． ４公路 桥涵设计 通用规 范汽 车荷载 由 ０
表１ 明 洞结构上荷霰 分类表
荷载分类 荷载名称
上 覆 土 压 力 侧 向 土 压力 永久 荷 载 滑坡 下 滑力 （ 滑 明洞 ） 抗
３ ２ 水 压力及 浮 力 ．
如果明洞 回填 以后 地 下水 位较 高 ， 隧道 结 构采 用全 包 防 且
水 ， 此 时结 构 将 受 到 水 压 力 和 浮 力 的作 用 。 则
公 路 隧道 明洞 结 构 荷 载计 算 方 法
谢 卓 雄
摘 要 ： 结合相关行业规 范和实 际工程 的计算经验 ， 目前 常用 的公路隧道 明洞结构荷载计算方法进行 了系统的介绍和 对 总结 ， 针对作用于 明洞结构上 的不 同荷载分别 阐述 了水土合算与分算的选 用原 则及 其他 主要荷 载的计算方 法， 以期指 导
作用 在地 下结构 上 的水 压力 ， Ｕ 原贝 上应 采用 孑 隙水 压力 ， Ｌ 但
孔 隙 水 压 力 的 确 定 比较 困难 ， 实 用 和 偏 于 安 全 考 虑 ， 计 水 压 从 设
一
水压力 （ 包括 浮力 ） 混凝土收缩及徐变作用 公路车辆荷载 基本 可变荷载 可变 荷 载 其他
公 路 工 程设 计 。
关键词 ： 公路隧道 ， 明洞， 荷载 ， 计算方法
中 图分 类号 ： ｄ ２ ２ Ｕ ５ ． 文 献 标 识 码 ： Ａ
Ｏ 引言
随着 近年公路 隧道 的飞速发展 以及公 路环保 意识 的加 强 ， 明
隧道工程结构力学计算方法
第3讲 结构力学方法—拱形半衬砌隧道
3、拱脚及拱圈柔度系数的计算 (2)单位水平力作用时
12
第3讲 结构力学方法—拱形半衬砌隧道
3、拱脚及拱圈柔度系数的计算 (3)单位竖向力作用时
13
第3讲 结构力学方法—拱形半衬砌隧道
3、拱脚及拱圈柔度系数的计算 (4)外荷载作用下的柔度系数 1)外荷载在拱脚处产生弯矩 和轴向力 时，相应 的拱脚弹性固定系数为：
28
第3讲 结构力学方法—圆形隧道衬砌的假定抗力法
1、三角形抗力假定
任一截面的水平抗力为：
计算中必须先建立补充方程 求出 ，
29
第3讲 结构力学方法—圆形隧道衬砌的假定抗力法
1、三角形抗力假定
计算中必须先建立补充方程求出 ，即可按圆形隧道自由 变形法求的衬砌内力，其解析式为（按圆环自由变形求 出）：
24
第3讲 结构力学方法—圆形隧道衬砌的自由变形法
1、计算模型
25
第3讲 结构力学方法—圆形隧道衬砌的自由变形法
1、计算模型
竖向压力：衬砌上方土重+拱背上的土重
水平压力：根据主动土压力公式计算
静水压力：一般按低水位进行计算 隧底地层反力：一般按直线分布假定
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第3讲 结构力学方法—圆形隧道衬砌的自由变形法
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第3讲 结构力学方法—拱形曲墙隧道
1、计算模型
拱圈
曲边墙
内轨顶面
仰拱
曲墙式衬砌
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第3讲 结构力学方法—拱形曲墙隧道
2、衬砌内力计算
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第3讲 结构力学方法—拱形曲墙隧道
2、衬砌内力计算
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第3讲 结构力学方法—拱形曲墙隧道
2、衬砌内力计算
隧道区间荷载计算
一、荷载计算 1.1 地层压力对比不利因素，选取如下断面进行分析:隧道YK22+284.057处，由纵断面图知埋深为h=16.07m ，V 级围岩，横断面衬砌类型为D 型，岩土力学参数表1-1如下：表1-1 岩土力学参数1.1.1 围岩深浅埋的判定偏于安全考虑，取隧道开挖最大轮廓尺寸进行围岩压力的计算，即B=6.2m ，H t =6.5m 。
等效荷载高度：[]140.4520.45210.1(6.25)8.064s q h w m -=⨯⨯=⨯⨯+⨯-=,式中 s —围岩级别，如级围岩s=5； w —宽度影响系数，其值为： ()51-+=B i w其中，B —坑道宽度；i —B 每增加1m 时，围岩压力的增减率（以B=5m 为基准），当B<5m 时，取i=0.2，B>5m 时，取i=0.1。
深浅埋分界深度：q (2~2.5)h (16.128~20.16)p H m ==由于围岩为V 级，围岩软弱破碎且节理发育，故深浅埋分界深度取2.520.16p q H h m ==，q p h h H <<，故隧道为一般浅埋隧道。
1.1.2 围岩压力的计算对于埋深q p h h H <<的一般浅埋隧道，衬砌统一按照一般浅埋段隧道的最大埋深16.07h m =处的围岩压力进行设计和检算。
一般浅埋隧道围岩压力按谢家休公式计算：对于V 级围岩，0(0.5~0.7)θφ=,此处取00.6θφ=，查规范可得V 级围岩似摩擦角为040φ=︒，00.60.64024θφ==⨯︒=︒,则0tan 0.839φ=,tan 0.445θ=,0tan tan 0.839 4.467βφ==+=,[]00tan tan 0.259tan 1tan (tan tan )tan tan βφλββφθφθ-==+-+,又因为水位线在素填土和粉质粘土交界处，故粉质粘土的有效容重为/320.1(122.76%)1014.7kN/m γ=⨯+-=，320.3 2.714.7 6.113.0 2.2413.2 5.0314.93/m 16.07i ih kN hγγ⨯+⨯+⨯+⨯===∑，竖向均布压力：2tan 0.25916.070.445(1)14.9316.07(1)168.25kN/m 6.2v h h Bλθσγ⨯⨯=-=⨯⨯-=拱顶水平压力：2114.9316.070.25962.14/e h kN m γλ==⨯⨯=拱底水平压力：2214.93(16.07 6.5)0.25987.28kN/m e H γλ==⨯+⨯=1.2 水压力拱顶水压力：12110(6.1 2.24 5.03)133.7/w w H kN m σγ==⨯++=拱底水压力：22210(6.1 2.24 5.03 6.5)198.7kN/m w w H σγ==⨯+++=1.3地面车辆荷载及其冲击力 1.3.1 竖向荷载在道路下方的地下结构，地面车辆及施工荷载可按20kPa 的均布荷载取值，并不计冲击压力的影响，即p oz =20kPa 。
隧道结构设计的荷载-结构法的流程
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公路隧道明洞结构荷载计算方法
公路隧道明洞结构荷载计算方法
谢卓雄
【期刊名称】《山西建筑》
【年(卷),期】2010(036)031
【摘要】结合相关行业规范和实际工程的计算经验,对目前常用的公路隧道明洞结构荷载计算方法进行了系统的介绍和总结,针对作用于明洞结构上的不同荷载分别阐述了水土合算与分算的选用原则及其他主要荷载的计算方法,以期指导公路工程设计.
【总页数】2页(P318-319)
【作者】谢卓雄
【作者单位】广东省公路勘察规划设计院隧道设计部,广东,广州,510620
【正文语种】中文
【中图分类】U452.2
【相关文献】
1.公路隧道明洞结构计算方法 [J], 谢卓雄
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3.公路隧道射流风机支承结构荷载试验技术研究 [J], 王志杰;吴根强;何晟亚;许瑞宁;胡磊
4.公路隧道工程中的浅埋偏压明洞施工技术 [J], 李玉斌
5.公路隧道射流风机支承结构荷载试验破坏型式的技术探索 [J], 崔志强;董伟伟
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3.5.1隧道的结构荷载
一、荷载及荷载组合
前
言
目的：核算在设计规定的荷载组合条件下衬砌的强度，使之 满足规范要求。 计算方法： ★一类：1、将围岩与衬砌分开，按文克尔假定考虑围岩的弹 性抗力，衬砌上承受各项有关荷载，然后按超静定 结构解算衬砌内力。 缺点：与实际情况不太吻合。 2、采用衬砌常微分方程边值问题数值解法。 ★二类：有限元法 将围岩与衬砌视为整体，其准确性取决于 计算模型和原始参数E、φ、C等。 岩体性态复杂多变，上两者难以准确确定。
一、荷载及荷载组合
④围岩厚度大于内水压力水头的0.4倍。 ※ 无压隧洞： 弹性抗力只存在于衬砌变位向着围岩 的部分，而不产生 于背着围岩部分，因此，它在外周的分布形成，随着衬砌的 不同而不同。
一、荷载及荷载组合
（三）内水压力及外水压力 ★ 内水压力 (1)无压隧洞：只要算出洞内的水面曲线，即可确定内 水压力。 (2)有压隧洞：内水压力式有压隧洞中的重要荷载，常 对衬砌的计算起控制作用。 为了使计算简单，将有压隧洞中的内水压力分解为两部 分：均匀内水压力+非均匀无水头满水压力。 均匀内水压力的强度是：洞顶内壁到设计水位先之间水 h 头引起的（ ）。 无水头满水头压力是指洞内刚刚充满水的情况：洞顶压 力为0，洞底压力为 2 。 r d
一、荷载及荷载组合
寒冷地区： ①有压圆形隧洞，根据弹性理论折算为等效内水压力。 例：有压圆形隧洞，内直径4米，花岗岩γ =2.5T/m3，衬 砌厚0.40米，岩石原始温度T=12℃,冬季平均最低温度0.2℃, 混凝土浇筑温度T1=12℃，混凝土在水中的膨胀值相当于T/=5℃, 求衬砌温度应力相当于多少内水压力？
一、荷载及荷载组合
★ 弹塑性理论法 此法是在理论化的基础上，简单的地质条件推导出来 的，难以反映实际情况。 岩体的工程地质，水文地质条件错综复杂，山岩压力 显然不能用一个简单的公式予以概括。
荷载计算公式
3.2.1 荷载计算公式（一） 深浅埋隧道判定原则深、浅埋隧道分界深度至少应大于坍方的平均高度且有一定余量。
根据经验，这个深度通常为2~2.5倍的坍方平均高度值，即：()q p h H 5.2~2=式中，p H —深浅埋隧道分界的深度； q h —等效荷载高度值系数2~2.5在松软的围岩中取高限，在较坚硬围岩中取低限。
当隧道覆盖层厚度q h h ≤时为超浅埋，p q H h h <<时为浅埋，p H h ≥时为深埋。
（二） 围岩压力计算方法(1) 当隧道埋深h 小于或等于等效荷载高度h q （即q h h ≤）时，为超浅埋隧道，围岩压力按全土柱计算。
围岩垂直均布压力为：rh q =式中，r —围岩容重，见表3-1； h —隧道埋置深度。
围岩水平均布压力e 按朗金公式计算⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛+=245tan 21002φt rH q e表3-1 围岩压力相关计算参数(2) 当隧道埋深h 大于等效荷载高度h q 且小于深浅埋分界深度（p q H h h <<）时，为一般浅埋隧道，围岩压力按谢家休公式计算： 围岩垂直均布压力为：⎪⎭⎫ ⎝⎛-==B h rh B Q q θλtan 1 ()[]θφθφββφβλtan tan tan tan tan 1tan tan tan 000+-+-=()θφφφφβtan tan tan 1tan tan tan 0020-++=式中，B —坑道跨度； r —围岩的容度； h —洞顶覆土厚度；θ—岩体两侧摩擦角，见表3-1； λ—侧压力系数；0φ—围岩计算摩擦角，见表3-1；β—产生最大推力时的破裂角；围岩水平压力按下式计算： 隧道顶部水平压力： λrh e =1隧道底部水平压力： λrH e =2=λ）（t H h r +(3) 当隧道埋深h 大于或等于深浅埋分界深度H p （即p H h ≥）时，为深埋隧道，围岩压力按自然拱内岩体重量计算：单线铁路隧道按概率极限状态设计时的垂直压力为：r rh q s q ⨯⨯==79.141.0单线、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计时垂直压力为：rw rh q s q ⨯⨯==-1245.0式中，h q —等效荷载高度值； s —围岩级别，如级围岩s =3； r —围岩的容重w —宽度影响系数，其值为：()51-+=B i w其中，B —坑道宽度；i —B 每增加1m 时，围岩压力的增减率（以B =5m 为基准），当B <5m 时，取i =0.2，B >5m 时，取i =0.1。
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公路隧道明洞结构荷载计算方法谢卓雄（广东省公路勘察规划设计院隧道设计部，广州510620）摘要：随着公路隧道的飞速发展，特别是近年来人们越来越重视公路环保设计，作为隧道结构重要形式的明洞结构也开始倍受人们所重视。
虽然明洞结构在目前设计中使用较多，但是对其结构荷载计算方法的系统论述仍较少，本文将结合有关规范和过往工程计算经验，对明洞结构荷载计算方法进行系统的论述和总结为工程设计提供参考。
关键词：荷载计算方法，明洞，数值分析Load Calculation Method for Open-Cut Highway TunnelXie Zhuo-Xiong（Tunnel Department of Guangdong Highway Design Institute, Guangzhou 510620, P. R. China ）Abstract: With the rapid development of highway tunnels, especially in recent years, growing emphasis on Environmental protection of highway design, Open-Cut Highway Tunnel as an important form of the tunnel structure began to become popular.Although the Open-Cut Tunnel is in common use, but its structure calculation methods of the load calculation is still less discussed.this article will combine engineering calculation practice and the speciality standard to give the advice for Load Calculation Method ofOpen-Cut Highway TunnelKeywords: load calculation method, open-cut highway tunnel, numerical analysis随着近年公路隧道的飞速发展以及公路环保意识的加强，明洞结构使用越趋频繁，从工程实践来看一般占项目工程隧道的0.5%~2%不等。
明洞结构荷载明确,与地面结构较为接近，一般采用荷载结构法进行计算。
由于公路隧道起步较晚，许多计算方法和理论还不成熟，故对于明洞荷载计算的方法在多数情况下仍需要参考其它行业规范，但是由于公路隧道本身具有自身的一些特殊性，不能简单套用其它行业规范的荷载计算方法，因而造成设计人员难以确定荷载取值。
本文根据有关行业规范和实际工程的计算经验对目前常用的明洞荷载计算方法做一个系统的论述和总结为工程设计提供参考。
1.作用于明洞结构上的荷载分类作用于明洞结构上的荷载可根据下表进行分类[1],[2]。
表1 明洞结构上荷载分类表2.水土合算与分算隧道结构埋藏于地下，其荷载必然有土压力和水压力，一般说来涉及土压力及水压力时通常都有两种方法称为水土的分算与合算。
在实际计算中采用哪一种方法应根据围岩或填土的实际情况以及计算工况来决定，一般应符合以下原则[3]：①当计算使用阶段工况的荷载组合时无论砂性土或粘性土，都应采用水土分算原则进行计算。
②当验算施工阶段工况的荷载组合时可根据围岩的实际情况区别对待，置于渗透系数较小的粘性土地层或采用粘性土作为回填土时可按水土合算的方式进行计算；当回填土料或围岩为砂性土时应采用水土分算的方式进行计算。
另外关于这两种计算方法还有三点应该说明：第一，无论是水土合算还是水土分算其围岩的强度参数都应采用三轴试验的固结不排水剪强度参数(CU)[4],[5]；第二，在验算施工阶段的荷载组合时对于基础的为粘性土的隧道在计算施加在隧道底部的浮力时应适当折减或把仰拱以下的的粘土层作为压重层考虑；第三，当采用水土分算时在计算土压力时应采用浮容重，当采用水土合算时应采用饱和容重。
3.主要荷载计算方法3.1.土压力土压力的计算虽然比较复杂但是其计算理论却讨论的最多，在大多数隧道计算手册中均有论述，故本文就跳过该部分，详细的计算方法见有关设计手册或规范。
3.3.水压力及浮力[3]如果明洞回填以后地下水位较高，且隧道结构采用全包防水，侧此时结构将受到水压力和浮力的作用。
作用在地下结构上的水压力，原则上应采用孔隙水压力，但空隙水压力的确定比较困难，从实用和偏于安全考虑，设计水压一般都按静水压计算。
其次确定设计地下水位时还应注意以下问题：①由于季节和认为的工程活动都可能使地下水位发生变动，所以在确定设计地下水位时，不能仅凭地质勘察取得的当前结果，必须估计将来可能发生的变化。
尤其是近年对水资源保护的力度加大，需要考虑结构在长期使用过程中地下水位可能的变化。
②符合结构受力的最不利荷载组合的原则：由于高水位和低水位将引起土侧压力(水土分算时水位以下浮容重，水位以上天然容重)及浮力的变化，对衬砌的拱部、边墙及仰拱等不同构件的内力影响是截然不同的，因此应根据结构实际受力的情况分别使用高水位及低水位进行计算。
3.4.混凝土收缩及徐变作用[2],[3]超静定或厚度大的混凝土结构应考虑混凝土收缩的影响，一般采用降温法进行模拟。
通常将通过对结构降温15℃模拟。
混凝土的收缩是一个长期、缓慢的过程，而混凝土又是一种具有徐变性能的塑性材料。
因此，由于时间效应必然引起应力的松弛，从而限制或抵消部分的收缩应力，为了考虑这种影响国内外的通常做法是通过弹模折减的方法模拟，弹模折减为原来的0.45倍。
由于考虑徐变影响需要折减弹模，当需要计算混凝土收缩徐变作用及其他荷载共同作用时使用降温法就会出现困难(在其他工况下弹模是不予折减的)，因此为了可以结合其他荷载计算，可先通过对折减弹模后的结构施加降温，将其产生的应力作为应力荷载使用来实现多种荷载作用下的混凝土收缩徐变作用。
3.5.公路车辆荷载[7],[8]根据现行《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成，当进行整体计算时应采用车道荷载，而当考虑局部加载时则应使用车辆荷载。
车道荷载作为虚拟荷载虽然已经考虑了车流密度、车型、车重、自然堵塞时的车距，并考虑了其在100年内随机变化，但是由于其荷载取值方式主要是通过对桥梁试算，调整qk和Pk的值，以求车道荷载qk和Pk加载的计算效应与汽车—超20级、汽车—20级加载的计算效应相接近，故在荷载确定时不可避免的引入了桥形、跨度等因数。
对于隧道内的行车由于隧道全线断面基本一致计算主要方向为隧道横向，而车行方向则垂直于横断面因此如果采用车道荷载作为隧道行车荷载显然不尽合理。
因此对于隧道内行使的车辆荷载应采用车辆荷载进行计算。
对于拱顶上方车辆荷载的计算应根据行车方向与明洞轴线的关系以及有无填土等因素综合考虑。
①当行车方向与隧道轴线方向垂直时可采用车道荷载、洞顶车道数以及横向折减系数进行计算，其中Pk(集中力)的位置应根据使计算确定布于最不利位置，除此以外由于洞顶存在填土还应考虑因填土产生的荷载横向扩散效应，一般荷载扩散角可取25°～30°。
②当行车方向平行与明洞轴线时车作用于隧道结构上的荷载较行车方向垂直于明洞轴线时复杂的多。
一般根据隧道顶部是否有覆土分成两种不同的算法。
第一种情况，洞顶没有覆土或覆土很薄(此时隧道的顶板一般是平的)，此时车轮荷载将直接作用在隧道顶板上(一般在隧道顶板上有一层10cm的装饰层)。
车轮荷载作用在隧道顶板上，其产生的荷载效应通常是由一定纵向宽度的板条来承担的，其宽度的大小称为板的有效工作宽度，在计算时引入板的有效工作宽度其核心是为了考虑板在垂直跨向对荷载效应的承担作用，也就是说是为了反应荷载—模型的一种空间效应。
从单个车轮在板上的有效荷载分布情况，可以看出当车轮从板的中轴线向边跨移动时车轮荷载的扩散面积是减少的因而作用在计算条带上的荷载就会增加，但是由于车轮移离中轴线对于板的弯距效应也是递减的，所以对于以弯距控制的板其最不利荷载布置方式并不一定就位于跨中。
最好解决上述问题的方法是通过板的空间加载，求出最不利加载方式以后再使用平面梁模型进行计算，根据作者的经验(面板允许多辆车加载时)一般把两车辆对称布于中轴线的两则为最不利。
第二种情况，当洞顶有覆土时，由于顶板覆土对车轮荷载起了一定的扩散作用此时车轮荷载作用在隧道顶板上的横向宽度较没有覆土时要宽得多，因此此时荷载在顶板上得作用使用均部荷载表现更为恰当。
当覆土厚度大于2m时不妨参考现行《地铁设计规范》(GB 50157-2003)取10kpa均部荷载作为车辆荷载作用。
3.6. 温度荷载隧道回填以后，地下结构外侧温度基本与周边土体温度一致，一般较为恒定，温度日差较小，而隧道内由于通风等原因温度则有较大变化，因此作者认为计算衬砌内外侧温差较计算衬砌整体的升温或降温更为重要。
目前对于公路隧道内外壁温差的取值方法仍没有具体的规定，通过作者的实际计算一般取10℃～15℃即可，同时还应注意在计算温度应力所产生的内力时应同时考虑混凝土徐变的影响，因此计算时弹模应取材料弹模的0.7倍。
参考文献[1].公路隧道设计规范JTG D70-2004 P28；p160-161[2].铁路隧道设计规范TB 10003-2001 P16；[3].地铁设计规范GB 50157-2003 P312；[4].建筑地基基础设计规范GB50007-2002 P15；[5].建筑基坑支护技术规范JGJ 120-99 P10,76；[6].铁路工程设计技术手册隧道分册P146-172[7].公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004 P23-P26；[8].公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004;。