文档介绍：第 5 期北方交通· 38 ·
基于 ANSYS 的厚度增减对公路
隧道衬砌结构安全影响分析
刘远明
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贵州大学土木建筑工程学院贵阳 550025
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摘要按照《公路隧道设计规范》( JTG D70 - 2004) 的相关规定和强度参数,采用荷载结构法,以深埋条件下
隧道为例,对按最小厚度分别增减一定幅度的各级围岩两车道公路隧道衬砌结构进行计算,求解强度安全系数并
进行对比分析。
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关键词公路隧道; 围岩; 荷载结构法; 衬砌结构; 安全系数
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中图分类号: U451 . 4 文献标识码: B 文章编号: 1673 - 6052 2013 05 - 0083 - 04
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我国的《公路隧道设计规范》 JTG D70 - 2004 系数并进行相关安全分析以解决上述工程人员关
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依据公路等级、车道数和设计时速规定了相应的公心的问题所得结论可作为工程人员的参考。
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路隧道内轮廓统一标准并依据围岩分级和工程类 1 基于 ANSYS 的荷载结构法的有限元解法简介
比法,推荐了两车道和三车道隧道复合衬砌初期支
1. 1 荷载结构法
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护和二次衬砌设计参数围岩级别 III 的隧道拱、墙荷载结构法将围岩对结构的作用简化为荷载作
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混凝土二次衬砌厚度不小于 35cm 围岩级别 V 的隧用于结构上进行计算。采用荷载结构法的数值计算
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道拱、墙、仰拱、混凝土二次衬砌厚度不小于 35cm 基本假定如下
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围岩级别 IV 的隧道拱、墙、仰拱混凝土二次衬砌厚 1 将隧道衬砌结构计算视为平面应变问题进
度不小于 45cm。该规范对公路隧道衬砌设计进行行分析。
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了简化推动了我国公路隧道发展。尽管工程人员 2 假定衬砌为小变形弹性梁衬砌为足够多
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按照规范进行设计和施工使工作简单化但是工程个离散直梁单元。
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人员仍十分关心以下问题规范基于围岩分级推荐 3 用弹簧单元模拟围岩和结构的相互作用
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的最小二次衬砌厚度能否满足安全结构安全要求弹簧单元只能承受压力不承受拉力。
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衬砌厚度偏差对隧道衬砌强度安全系数有何影响 4 按照局部变形理论确定弹性抗力。
公路隧道衬砌结构是多次超静定结构,衬砌结
1. 2 有限元数值解法
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构与围岩之间相互作用。衬砌结构变位是由主动 1 建立有限元模型。按照标准断面建立衬
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荷载和围岩弹性抗力的共同作用产生而弹性的砌结构几何模型并采用梁单元模拟。施加围岩压
大小和范围又决定于结构变位CAMEO楷模CAE案例库,故公路隧道衬砌力和衬砌重力,围岩和二次衬砌之间的相互作用通
结构计算较复杂,考虑因素较多,按常规求解方法过在单元的节点上施加径向弹簧进行模拟,设定边
较困难。墙底端位移边界条件。
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有限元数值解法广泛用于隧道结构计算和求解 2 求解有限元模型。先进行初步求解通过
隧道工程技术问题。ANSYS 软件是世界上最为通后处理程序查看衬砌结构弹簧受力情况。根据荷
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用和有效的商用有限元软件其强大的前/后处理功载—结构法假定地层弹簧不能承受拉力故应在模