一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析模型及方法技术

本发明专利技术属于地下结构防灾减灾领域，公开了一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析模型及方法，本发明专利技术的方法通过地基弹簧的刚度系数和梁单元计算参数构建双层梁分析模型，双层梁分析模型的极限状态符合判据则可以通过结构的弯矩和剪力快速判断结构的破坏状态，识别结构的破坏位置。与此同时，通过对弯矩项和剪力项占比的分析可以快速判断结构的破坏状态。本发明专利技术通过荷载梁实现了断层变形模式的高精度重现，通过双层梁模型重现了断层错动过程中跨断层隧道的受力变形特征，通过环形断面钢筋混凝土结构承载能力极限状态符合判据实现了对隧道结构破坏状态和破坏模式的快速判别。别。别。

【技术实现步骤摘要】
一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析模型及方法


[0001]本专利技术属于地下结构防灾减灾领域，具体涉及一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析模型及方法。

技术介绍

[0002]隧道作为长线形结构，线路设计时不可避免的会出现穿越断层的情况。断层错动是隧道结构安全的主要隐患，一旦出现问题后修复难度极大。如何避免断层两侧岩土体的相对错动对结构安全及线路运行产生影响是跨断层隧道力学行为及减灾措施研究的落脚点，其中如何快速高效地描述断层错动情况下隧道结构的受力破坏特征是阻碍跨断层隧道结构防灾减灾工作有效开展的关键技术问题。
[0003]当下，研究人员习惯通过模型试验和数值模拟手段讨论断层错动条件下隧道结构的受力、变形及破坏情况，大量的前期准备工作和较高的技术门槛使得防灾减灾工作难以高效开展。相比而言，基于弹性地基梁的跨断层隧道力学模型在计算效率和对隧道结构受力特征的表征上均满足当下需求，结合隧道结构的破坏判据即可开展受力破坏特征分析。但是，目前为止尚未建立基于弹性地基梁模型的跨断层隧道受力破坏特征的力学模型，对结构破坏判据的报道也较为罕见。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析模型及方法，能够基于简单的力学模型和有效的结构破坏判据快速获得断层错动情况下圆形隧道结构的受力及破坏特征，计算精度和效率均可得到保证，推广应用的潜力较大。
[0005]为了达到上述目的，一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析方法，包括：<br/>[0006]通过跨断层圆形隧道的围岩参数获取地基基床系数，得到地基弹簧的刚度系数；
[0007]根据跨断层圆形隧道的结构设计参数，获得结构梁单元计算参数，包括结构弹性模量和惯性矩；
[0008]根据地基弹簧的刚度系数以及结构梁单元计算参数，构建双层梁分析模型，根据断层几何参数确定破碎带宽度；
[0009]向双层梁分析模型的荷载梁主动盘段施加错动位移，获取双层梁分析模型的弯矩和剪力沿纵向的分布规律；
[0010]判断双层梁分析模型发生破坏的状态；
[0011]根据剪力项和弯矩项的占比判断双层梁分析模型所受破坏的主导项。
[0012]围岩参数结合静力有限元方法获取地基基床系数。
[0013]地基弹簧的刚度系数的计算方法如下：
[0014]k
t
＝KLW
[0015]k1＝1/3k
t
[0016]其中，k
t
为法向地基弹簧刚度，k1为纵向地基弹簧刚度，K为基床系数，L为地基的集中弹簧间距，W为隧道外径。
[0017]双层梁分析模型包括结构梁、荷载梁、法向地基弹簧和纵向地基弹簧。
[0018]双层梁分析模型的总长度一般大于300m或10倍断层破碎带宽度。
[0019]判断双层梁分析模型发生破坏的状态时，引入公式：
[0020][0021]其中，
[0022][0023][0024][0025][0026]式中：V为构件承受的剪应力；M为构件承受的弯矩；r
cor
为剪力流中心线到截面中心的距离；t为环形截面厚度；f
yv
为箍筋的屈服强度；f
y
为纵筋的屈服强度；A为环形截面面积；f
c
为混凝土的抗压强度；A
st
为纵筋的总截面积；A
sv
为单肢箍筋的截面积；s为箍筋间距；
[0027]当时认为双层梁分析模型发生破坏。
[0028]剪力项为弯矩项为当剪力项占比超过一半时，则认为双层梁分析模型破坏主要受剪切破坏主导，当弯矩项占比超过一半时，则认为双层梁分析模型破坏主要受弯曲破坏主导。
[0029]一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析模型，包括双层梁分析模型，双层梁分析模型包括结构梁和荷载梁，荷载梁分为主动盘段、断层段和被动盘段，结构梁和荷载梁间通过地基弹簧连接。
[0030]加载时，通过移动主动盘，使地基弹簧出现压缩，对结构梁施加断层错动的等效荷载。
[0031]与现有技术相比，本专利技术的方法通过地基弹簧的刚度系数和梁单元计算参数构建双层梁分析模型，双层梁分析模型的极限状态符合判据则可以通过结构的弯矩和剪力快速判断结构的破坏状态，识别结构的破坏位置。与此同时，通过对弯矩项和剪力项占比的分析可以快速判断结构的破坏状态。本专利技术通过荷载梁实现了断层变形模式的高精度重现，通过双层梁模型重现了断层错动过程中跨断层隧道的受力变形特征，通过环形断面钢筋混凝土结构承载能力极限状态符合判据实现了对隧道结构破坏状态和破坏模式的快速判别。本专利技术原理清晰、结构简单、精度和效率均较高，且可以快速实现对结构破坏状态和破坏模式的预判，在隧道工程的施工、设计及科研领域均具备较为广阔的应用前景。
[0032]本专利技术的分析模型的构梁与荷载梁之间通过地基弹簧连接，加载时，通过移动主
动盘，使地基弹簧出现压缩，对结构梁施加断层错动的等效荷载，模型符合断层错动过程中围岩
‑
结构之间的相互作用，可以同时体现地层变形对结构的驱动作用和地层本身的约束作用，获得的结构受力变形结果更加符合实际。
附图说明
[0033]图1为本专利技术中双层梁分析模型的结构图；
[0034]图2为本专利技术的流程图；
[0035]图3为实施例中模型隧道的承载能力判据变化规律图；
[0036]图4为实施例中原型隧道的承载力判据变化规律图；
[0037]图5为实施例中原型隧道结构变形及受力规律图；
[0038]图6为实施例中原型隧道的等效塑性应变规律图；
[0039]其中，1、结构梁；2、荷载梁；3、地基弹簧；4、被动盘；5、断层；6、主动盘。
具体实施方式
[0040]下面结合附图对本专利技术做进一步说明。
[0041]参见图1，一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析模型，包括双层梁分析模型，双层梁分析模型包括结构梁1和荷载梁2，荷载梁2分为主动盘段6、断层段5和被动盘段4，结构梁1和荷载梁2间通过地基弹簧3连接。加载时，通过移动主动盘，使地基弹簧3出现压缩，对结构梁1施加断层错动的等效荷载。
[0042]参见图2，一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析方法，包括：
[0043]步骤一，通过跨断层圆形隧道的围岩参数，结合静力有限元方法获取地基基床系数，得到地基弹簧的刚度系数；地基弹簧的刚度系数的计算方法如下：
[0044]k
t
＝KLW
[0045]k1＝1/3k
t
[0046]其中，k
t
为法向地基弹簧刚度，单位为N/m，k1为纵向地基弹簧刚度单位为N/m，K为基床系数，L为地基的集中弹簧间距，W为隧道外径。
[0047]步骤二，根据跨断层圆形隧道的结构设计参数，获得结构梁单元计算参数，包括结构弹性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析方法，其特征在于，包括：通过跨断层圆形隧道的围岩参数获取地基基床系数，得到地基弹簧的刚度系数；根据跨断层圆形隧道的结构设计参数，获得结构梁单元计算参数，包括结构弹性模量和惯性矩；根据地基弹簧的刚度系数以及结构梁单元计算参数，构建双层梁分析模型，根据断层几何参数确定破碎带宽度；向双层梁分析模型的荷载梁主动盘端施加错动位移，获取双层梁分析模型的弯矩和剪力沿纵向的分布规律；判断双层梁分析模型发生破坏的状态；根据剪力项和弯矩项的占比判断双层梁分析模型所受破坏的主导项。2.根据权利要求1所述的一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析方法，其特征在于，围岩参数结合静力有限元方法获取地基基床系数。3.根据权利要求1所述的一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析方法，其特征在于，地基弹簧的刚度系数的计算方法如下：k
t
＝KLWk1＝1/3k
t
其中，k
t
为法向地基弹簧刚度，k1为纵向地基弹簧刚度，K为基床系数，L为地基的集中弹簧间距，W为隧道外径。4.根据权利要求1所述的一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析方法，其特征在于，双层梁分析模型包括结构梁、荷载梁、法向地基弹簧和纵向地基弹簧。5.根据权利要求1所述的一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析方法，其特征在于，双层梁分析模型的总长度大于300m或10倍断层破碎带宽度。6.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑞，王启耀，高家庆，石卫，王春淼，
申请(专利权)人：陕西省水工环地质调查中心，
类型：发明
国别省市：