1、理正巖土隧道襯砌說明第一章 功能概述理正巖土隧道襯砌計算軟件采用襯砌的 邊值問題及數值解法：將襯砌結構的計算化為非線性常微分方程組的邊值問題，采用初參數數值解法，并結合水工 隧洞的洞型和荷載特點，以計算水工隧 洞襯砌在各主動荷載及其組合作用下的 內力、位移及抗力分布。無須假定襯砌 上的抗力分布，程序經迭代計算自動得出。一、襯砌斷面類型： 圓形拱形 圓拱直墻形 圓拱直墻形 圓拱直墻形 馬蹄形 馬蹄形馬蹄形高壁拱(10)漸變段(ID矩形(12)圓拱直墻形直墻三心圓拱形(14)三心圓拱形二、支座類型 固定簡支 彈性三、荷載情況 圍巖壓力 自重灌漿壓力外水壓力 內水壓力四、輸出的結果 計算書 及圖形結

2、果：軸力圖剪力圖 彎矩圖變形圖切向位移圖 法向位移圖 轉角位移圖 抗力分 布圖等 第二章快速操作指南操作流程水工隧洞襯砌分析軟件的操作流程如圖，每一步驟都有相對應 的菜單操作。圖操作流程快速操作指南選擇工作路徑設置工作路徑，既可以調入已有的工作目錄，也可在輸入框中鍵入新的工作目 錄，后面操作中生成的所有文件均保存 在設置的工作目錄下。圖 指定工作路徑注意：此處指定的工作路徑是所有巖土模塊的工作路徑。進入 某一計算模塊后，還可以通過按鈕【選 工程】重新指定此模塊的工作路徑。增加計算項目 點擊【工程操作】菜 單中的【增加項目】菜單或“增”按鈕 來新增一個計算項目。圖工程操作界面 編輯原始數據 圖

3、數據交互對話框 注意： 1. 集中的參數交互界面，即把幾乎所有的 參數置于一個界面上，操作簡單，大大 提高了人機交互的效率，這是理正巖土系列軟件的一個共性特征。2.同時提供了有關參數的即時彈跳說明信息， 方便用戶理解參數的意義。當前項目計算在數據交互對話框中設置好各項參數，點擊【計算】按鈕來進 行當前題目的計算；或者單擊輔助功能 菜單的“計算”。計算結果查詢圖計算結果查詢界面 計算結果 查詢界面分為左右兩個窗口，左側窗口 用于查詢圖形結果，右側窗口用于查詢 文字結果。第三章 操作說明關于計算例題的編輯 增加例題與 刪除當前例題 1.通過【工程操作】 菜單的“增加項目”和“刪除當前項 目”來增加

4、一個新的例題或刪除當前的例題。2. “增”或“刪”按鈕增加一個新的例題或刪除當前的例題。點擊“算”按鈕打開當前模塊的交互界面。數據的讀寫通過【輔助功能】菜單的“讀入數據文件” 可以將原來保存好的數據讀進來進行計 算；通過【輔助功能】菜單的“數據存 盤到文件”可以將當前例題的數據保存 在磁盤上。把典型例題加入例題模板庫實際工程中會有一些具有一般代表性的典型例題，當完成該 例題的數據交互后，可通過【輔助功能】 菜單中的“將此例題加入模板庫”把該 例題存為例題模板，從而在每次新增例 題時可以重復調用該例題的數據，在此基礎上修改少量的數據進行計算計算簡圖輔助操作菜單在數據交互界面的左側圖形窗口單擊鼠標

5、右鍵， 彈出圖形顯示快捷菜單，使用該菜單可 有效的查看計算簡圖，可把計算簡圖存 為DXF格式的文件，用 AUTOCAD等 圖形編輯器進行編輯。第四章 編制原理本軟件采用襯砌的邊值問題及數值解 法附錄七隧洞襯砌計算通用程序）：將 襯砌結構的計算簡化非線性常微分方程 組的邊值問題，采用初參數數值解法， 并結合水工隧洞的洞型和荷載特點，以計算水工隧洞襯砌在各主動荷載及其組 合作用下的內力、位移及抗力分布。無 須假定襯砌上的抗力分布，程序經迭代 計算自動得出。編制依據：水工隧洞設計規范；水工建筑物第三版中國水利水電出版社1997年5月第三版；混凝土結構設 計規范；水工混凝土結構設計規 范；水工隧洞設計

6、規范；水 工隧洞設計規范；鐵路隧道設計 規范；公路隧道設計規范；水工建筑物抗震設計規范。 坐 標系統 于水工隧洞襯砌的特點，本 系統采用的坐標系是隨襯砌形狀不斷變 化的局部坐標系，即襯砌任一點的法向和切向構成的坐標系。荷載類型作用于襯砌上的各種荷載主要有：圍巖 壓力、內水壓力、外水壓力、自重和灌 漿壓力。一般來說，程序是分別把形狀 連續的襯砌段作為一個結構段劃分為若 干微段，然后分析每個微段上受的荷載， 把作用于該微段的荷載轉換成作用于該 點的切向荷載qr和法向荷載qn。qn以 指向內法向為正，qr以面向外法向向左 為正。襯砌自重 1.直線襯砌圖轉化示意圖2.弧線襯砌圖 轉化示意圖水壓力無論是

7、內水壓力還是外水壓力其大小沿水位高度呈三角形分布。程序交互的內水壓力水頭和外水壓力水頭相對于同一水頭零點，即襯砌底部軸 線標高。對于襯砌上任一點的水壓力方 向為該點的法向，外水壓力指向內法向， 內水壓力指向外法向。圖左：外水壓力 右：內水壓力 內水壓力：外水壓力：式中：Pw_in內水壓力；Pw_out外水壓力；Hin內水壓力水頭，用戶交互；Hout外水壓力水頭，用戶交互；丫 w 水的容重，程序中取10kN/m3; B 單 位長度1m;B -外水壓力折減系數，用戶交互。灌漿壓力灌漿壓力法向作用于襯砌的外表面，程 序可以分別交互頂拱的灌漿壓力Pd或其它部分的灌漿壓力 Pbo圖灌漿壓力 圍巖壓力 程

8、序可 以考慮上下左右4個方向的圍巖壓力如 圖：圖圍巖壓力 在任一位置圍巖壓力值 Qx 圍巖壓力分 布形狀上有3種：均布荷載、梯形荷載、 三角形荷載。1.均布荷載如圖的頂部圍巖壓力和底部圍巖壓力為 均布荷載。設均布荷載值為 Q,則其在 作用范圍內任一點的大小均為均布荷載 值Q,即：2.梯形荷載如圖的側向圍巖壓力為梯形荷載。假設 梯形分布荷載兩端部的值為 Q1、Q2,則 在其作用范圍內任一點的值可通過線性 內插求得，即Qx是Q1、Q2、x的函數:3.三角形荷載三角形荷載在任一位置的圍巖壓力值 Qx也通過線性內插求得，只是式中Q1、Q2其中之一為0。襯砌上任一點實際承受的圍巖壓力 qx1.直線襯砌上

9、任一點實際承受的圍巖壓力qx2.弧線襯砌上任一點實際承受的圍巖壓力 qx 如圖以半圓拱為例，按照荷載等效的原則求得 弧段上任意一點實際承受的圍巖壓力為：式中： Qx任一位置圍巖壓力值 Qx,式或式求得； qx 襯砌上任一點實際承受的圍巖 壓力；a 計算點與頂點之間包含的 圓心角。圖 圍巖壓力 襯砌上任一點實際承受的圍巖壓力 qx在切向和法向 的分力 式中： qx 襯砌上任一點實際 承受的圍巖壓力；a -計算點與頂點之間包含的圓心角；qx r 襯砌上任一點實際承受的圍巖壓力 qx在 切向的分力；qxn 襯砌上任一點實 際承受的圍巖壓力 qx在法向的分力。 注意：要靈活理解角度 a的位置，對不 同

10、方向的圍巖壓力或不同的弧段位置，a 的起始位置是不同的。圖a位置示意圖 圍巖壓力估算 用戶可以在主界面上直接輸入圍巖壓力 的各個值，同時也可以采用程序提供的“估算圍巖壓力”計算器來計算圍巖壓 力各個值。具體方法如下：水利行業洞室深埋；薄層狀及碎裂散體結構的圍 巖，作用在襯砌上的水平方向和垂直方 向的圍巖壓力按下式計算：式中：qh、qv 分別為水平和垂直圍巖壓力 強度；B、H 分別為洞室開挖的寬 度和高度；丫 一一圍巖容重注意：程序輸出的圍巖壓力計算結果是 每延米寬度內的圍巖壓力值，其他各個 行業及計算方法計算結果也是每延米寬 度內的圍巖壓力值。電力行業參見。鐵路行業1.深埋a、計算單線深埋隧道

11、襯砌時，圍巖壓力按 松散壓力考慮，其垂直均布壓力可按下 列規定確定：式中： qv 垂直均布壓力；y圍巖重度；h 計算圍巖高度，為中間計算結果，用戶可修改；S圍巖級別，如II級圍巖即S= 2。 b、計算深埋襯砌隧道時，圍巖壓力按松 散壓力考慮，其垂直均布壓力可按下列 規定確定：B 洞室開挖寬度；H洞室開挖高度；h 為洞頂覆 蓋層厚度；bl 洞室等效半寬； £垂直壓力折減系數，中間計算結 果，用戶可修改。注意：計算公式適用條件為hwb1/K, $ 地震 作用計算地震波傳播引起的軸向應力、剪切應力、彎曲應力采用水工 建筑物抗震設計規范中下式： 式中：圍巖的壓縮波波速的標準值；vp 圍巖的剪

12、切波波速的標準值；vs 襯砌材料動態彈 性模量標準值；E 襯砌材料 動態剪變模量標準值；G r0 隧洞截面等效半徑標準值；ah 水 平向設計地震加速度代表值；Tg 場地特征周期；亞-泊松比，混凝 土結構設計規范或水工混凝土結 構設計規范給出。 (T N 襯砌 截面軸向應力代表值；0- V -襯砌截面剪切應力代表值；CT M襯砌截面 彎曲應力代表值，截面彎曲應力按下圖分布。示意圖起的軸向力圖截面彎曲應力分布地震作用下地震波傳播引N,剪切力V,彎矩M按下式計算：式中： 地震波傳播引起的襯砌截面 軸向力；N 地震波傳播引起 的襯砌截面剪切力；V 地震 波傳播引起的襯砌截面剪切力； M 截面面積，截面

13、寬度取單位長； A h 截面厚度；荷載組合1 .混凝土結構設計規范承載能力極 限狀態：基本組合值：正常使用極限狀態： 標準組合值：2 .水工混凝土結構設計規范承載能力極限狀態：基本組合值：正常使用極限狀態：短期組合值：式中： Qik 第i個荷載標準值， 用戶交互； y 01 承載能力極限 狀態的結構重要性系數，用戶交互；丫 02 正常使用極限狀態的結構重要性 系數，用戶交互；丫 i 第i個荷載的 分項系數，用戶交互； “-設計 狀況系數，對應于持久狀況、短暫狀況、 偶然狀況，可分別取、 、，用戶交互。 內力計算基本方程的推導襯砌的微分段ds上作用有切向荷載 qt 和徑向荷載qn,其內力和變位的

14、符號規 定如下圖所示，即軸向力 T以拉為正、 剪力Q以繞計算截面逆時針轉動為正、 彎矩M以內邊受拉為正、法向位移 v以外法向為正、切向位移u以面向外法向 向右為正、轉角位移以逆時針轉動為正。 圖 微分段內力示意圖假設彈性抗力與襯砌表面外法向方向的位移成正 比。根據微分段上的靜力平衡和變形協 調條件，可得到下列方程組 考慮始端和終端的邊界條件，寫成矩陣 形式為：略去剪力位移項，并將位移u、v、3乘彈性模量E,則X、A、 P矩陣：式中： T襯砌計算截面的軸向力，以拉為正； Q 襯砌計算截面的剪力，以逆時針 轉動為正；M 襯砌計算截面的彎 矩，以內邊受拉為正；U'等于 Eu; V'

15、等于Ev;3等于EW ;u 襯砌計算截面的切向位移；v 襯砌計算截面的法向位 移；小一-襯砌計算截面的轉角位移； qt 襯砌計算截面的切向荷載強度； qn 襯砌計算截面的法向荷載強度； F 襯砌計算截面的的截面積；J 襯砌計算截面的的慣性矩；E襯砌材料的彈性模量；K 圍 巖的彈性抗力系數；B -襯砌計算截 面處的拱軸曲率； H 抗力分 布參數；當h=1 , v>0有彈性抗力；h=0, 當v C、D有以下幾種情況：1 .對稱點：Q = 0,u = 0,3=0 ,邊界 陣為：2.較支點：M = 0, u =0, v = 0,邊界陣為：3.固定端:u = 0, v = 0,3=0,邊界陣為：4

16、.彈性固端：T = KdnU , M = KJn WQ =0,邊界陣為：dn支端厚度；Jn 支端截面慣性矩。龍格-庫塔法求數值解求X解題時采用逐步近似的彈性抗力分布。 即首先假定各點沒有圍巖抗力的作用， 當某一點計算出的位移方向與假定的抗 力分布不一致時，重新假定該點為有抗 力作用，繼續計算，這樣反復假定抗力 作用情況，直到假定的抗力分布與計算 的位移方向一致。這樣每次求解時，A陣中的h為已知，方程組變為線性方程 組。采用龍格-庫塔法解微分方程組，具 體如下：6長；在計算過程中，把襯砌分為幾個結構段進 行計算，例如圓拱直墻形襯砌分為底板、直墻和頂拱3個結構段。每個結 構段的長度除以交互的計算分

17、段數，得 到單元長度，即為步長對于直線結構 段，步長6為單元長度；對于弧形結構 段，步長 6為單元弧長。Gn、Hn 的計算過程如下： 求X0方程組線性化后，式中 Gn即與解無關，因而Xn可用初參數X0表 示。經過推證并代入始點和終點的邊界 條件可解得X0的方程組如下：Dm、 Fm 的意義見下式：Xm 計算終點的X值。 關于 連接矩陣采用上述初參數法遞推求解時，在底板與邊墻、邊墻與頂拱、 圓弧與圓弧的連接處，存在著軸線的轉 折，因此，在遞推時除應區分開相連接 的兩部分的A陣和P陣外，在遞推求 Dm、Fm及Xn時，為保證折點處內力 平衡和位移連續，應引入折點處的連接 陣。這里以圓拱直墻形斷面中側墻

18、到頂 拱為例說明：圖折點處坐標轉換示意圖對于側墻到頂拱的坐標轉換，實際上是局部坐標系順時針旋 轉B = 90 a , a為頂拱半中心角。對于局 部坐標系順時針旋轉B的轉換矩陣如下： 數值解的步驟 1.求中的Gn、Hn;2.式、式遞推算出Dm、Fm； 3.式解 出X0;4.式遞推算出各計算點之X o配筋計算按b = 1000mm,h=壁厚的矩形壓彎構件進行配筋計算。軟件提供兩種規范供選擇：1.混凝土結構設計規范2.水工混凝土結 構設計規范混凝土結構設計規范分為對稱配筋和非對稱配筋。 對稱配筋 包括：軸壓計算、 偏壓計算、壓剪計算。軸壓計算式中：N 軸向壓力設計值，用戶交互； A 構件截面面積； A' s 受壓鋼筋截面面積；