隧洞钢衬抗外压能力三维有限元计算方法及应用
水工压力隧洞结构应力计算
水工压力隧洞结构应力计算
水工压力隧洞的结构应力计算是一个复杂的过程，涉及到多种因素，包括水压、土壤压力、隧洞的几何形状和材料特性等。
这个计算过程主要可以分为以下几个步骤：
1. 静水压力和动水压力分析：首先，要分析隧洞内的静水压力和可能的动水压力。
静水压力是由于水自重产生的，而动水压力则是由于水流产生的。
这些压力会对隧洞的壁面产生作用力，进而影响结构应力。
2. 土壤压力分析：隧洞周围的土壤压力也是影响结构应力的一个重要因素。
土壤压力的大小和分布取决于土壤的物理性质、隧洞的几何形状以及隧洞周围土壤的固结程度。
3. 隧洞几何形状和材料特性分析：隧洞的几何形状（如直管段、弯管段、渐变段等）和使用的材料（如混凝土、岩石等）也会影响结构应力。
在设计和计算过程中，需要充分考虑这些因素。
4. 结构应力计算：基于上述分析，可以采用有限元分析（FEA）等方法来计算结构应力。
这种方法可以将复杂的结构简化为有限数量的单元，然后对这些单元进行应力分析。
5. 安全评估和设计优化：最后，根据计算出的结构应力，进行安全评估，判断隧洞是否能够承受各种压力，是否需要进行设计优化或加固。
这是一个综合性的工程问题，需要多方面的知识和技能。
在具体操作时，可能需要与专业的工程师和设计师进行合作。
盾构隧道管片接头受力的精细化三维有限元分析
内侧受拉 的弯矩 为正弯矩 ，使 管片接头外侧受拉 的 弯矩为负弯矩 。正弯矩对应正 Ｐ ，负弯矩对应负 ｅ 。
表１ 接头计 算弯矩 不变时不 同偏心距 ｅ下 的７ ｆ （ 平及 竖向加
载 力
偏心距 ｅ ／ ｍ
＋ ０． １ ５
钢 质高强螺栓 、橡胶止水密封垫外侧混凝 土缝 隙之
１ ． ２ 材 料 本构 模 型 及 参 数
图 ３ 管 片 接 头 模 型 加 载 示 意 图
的影响 因素分析 １ ）弹性 橡胶 密封垫 。橡胶密 封垫 受压时 的装 ２ 管片接 头 。 ． １ 偏 心 距 ｅ对 接 头 Ｊ （ 。的 影 响 配力 一压缩量 曲线 通过橡胶密 封垫压缩试验 获取 ； ２ 此外通过显式有 限元 进行计算 ］ 。由于弹性橡胶 密
Ｆ
的压力 一压缩量数据 由试验数据或有 限元数值模拟
分析提供 。 隧 道 衬 砌 管 片 接 头 中 ， 网 格 划 分 均 采 用
Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ 单元 库 中的三维六面体八节点缩减积分单 元 （ Ｃ ３ Ｄ ８ Ｒ ｏ该 单元具 有更 高 的分析 精度 ，划分
较少数量 的单元可 以达到与大量 四面体单元相 同的 效果 ， 采用 的接头模 型总共 约 ２ ５ ０ ０ ０ 个单元 。
ｌ Ｏ ０
ｌ ｏ ０ 一ｌ ０ ０ —１ ０ ０ —１ ０ ０
Ｏ． １ ５ ０． ２ Ｏ ０． ２ ５
－
－
３ ）接触 面参 数设 置 。盾 构隧道衬 砌管 片接 头 两侧接触 面切向力 学特性采用各 向等 向 Ｃ ｏ ｕ ｌ ｏ ｍ ｂ 定 律 ，摩 擦 因数 ０ ． ８； 法 向力 学 特性 采 用 “ 硬接 触 ” （ ” Ｈ ａ ｒ ｄ ” Ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｃ ｔ ） 模式 ，选用默认 的接触 面初始位 置 控 制方 法 。螺 栓 在套 筒 部分 的单元 用 Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ 中的嵌 入 （ “ Ｅ ｍｂ ｅ ｄ ｄ ｅ ｄ ”）约 束 方 式 嵌 入 管 片 单 元 中进行 计 算 。螺 栓螺 帽部分 单元 采用 Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ中
三维有限元计算在钢筋混凝土预应力梁中的应用
．
系 ：内部 预应 力和外 部荷 载 。计 算时 ，可 以 以外加 荷 载 替 代 钢铰丝 的预 应 力作用 ，如 图 １所 示 ，Ｎ为 预应 力 。 目的 是 为了使 梁事 先产 生一定 的 预拱 来抵 消 竖直荷 载作 用 下产 生 的挠度 ，减小梁上 下 两部位 的应力 ，并控 制裂缝 。
一
、
问题 的提 出
混 凝 土 等 级 Ｃ４ ， 弹 性 模 量 Ｅ＝ ．５ ａ ０ ３２ ｅＭＰ ，泊 松 比 和 钢筋在发 生裂缝 时未得 到充 分利用 的遗 憾ｎ Ｈ。 ０． ６７。 １ 预应力 混凝 土结 构 的三 维仿 真计 算能 客观 的模 拟 构件 预应 力 材料 为 高 强度 钢 铰丝 ，弹 性 模 量 Ｅ ２０ ａ ＝ ．ｅＭＰ ， 受 力后 的变形情 况 ，结 果直 观 、精确 ，并 能 为实 际设 计提 线 膨胀 系数 ａ ｅ ＝２ ～，设计张拉 控制 预应 力 ＝ ｌ ６ ８０ 供理 论依据 。 有 效 预 应 力 为 ：ｏ７ ｆ ， １ Ｎ 、 ３ 二 、预 应 力 混 凝 土 梁 加 荷 思 路 ５ Ｎ 、 ２ Ｎ 截面面积 ｎ ６０ ，Ｎ４截 面 面 积 ￣２ ｍｍ 产 生 的 有 效 作 用 力 ４ ， 施 加预 应力 后 的混凝 土 梁可 以等效 地 视 为承 受两 种 力 ２ １ ｍｍ２
仿真 计 算 预应 力混凝 土 梁构件 应用
理论 依据 。
关键词 ：三 维有 限元
图 ２中 Ｎ１ 、Ｎ２ 、Ｎ３ 、Ｎ４分 别为 预应力 钢铰丝 的 预 留 孔 ，采 用后张 法预 加应 力。 实际工 程 中 ，钢 筋 混凝 土构 件存 在裂 缝 控制 和 高强 度 ２模型 建立 ． 材 料 得 不 到充 分 利 用 的 问题 ，为 了 控 制 裂 缝 而 采 取 多 配 利用 Ｍｓ． ｒ 软 件进 行仿真 计算 。 ｃｍａｃ 筋 ，这是 不科 学 的。为 了充 分利 用材 料 ，实 际工 程 中很 多 由图 ２知 ，该 混凝 土 构 件是 轴 对 称 的 ，剖 分 网格 时 ， 采取了 预应力 混凝 土 ，即人 为 的事先 给 混凝 土构 件适 度 的 进 行 适 当 的 控 制 ，使 其 网格 基 本 呈 对 称 分 布 。 应 力 ，充 分利 用其较 高 的抗 压能 力 ，而 力钢铰 丝布置
盾构隧道管片力学特性三维有限元分析_陈俊生
建筑技术
ห้องสมุดไป่ตู้
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol. 12 No. 8 Mar． 2012 2012 Sci. Tech. Engrg.
盾构隧道管片力学特性三维有限元分析
2 计算结果及分析
图 5 管片与支承台之间的相互作用错缝 拼装形式管片
混凝土管片、支座和传力垫按照文献［7］的图
2. 1 计算结果 计算结果见表 2，各计算模型开裂形式见图 7。
在图 7 中，所有裂缝均为张开裂缝，圆环所在处均表 示管片张开裂缝的位置
表 1 计算模型
编号
荷载形式
模型 1 沿盾构推进方向千斤顶力
模型 2 沿盾构推进方向千斤顶力
模型 3 沿盾构推进方向千斤顶力
模型 4 管片外弧面均布压力 模型 5 沿弧长方向不均匀压力
模型 6 沿弧长方向不均匀压力
管片模型 半管片 半管片
整块管片
半管片 整块管片 整块管片
荷载及边界条件 管片与传力垫间紧密接触，没有间隙，是管片制作及施工均没有误 差的情况。每块传力垫有 1 360 kN 的顶力。 双千斤顶对应位置处管片与传力垫间有 1. 0 mm 的初始间隙，每 块传力垫有 1 360 kN 的顶力，是研究管片施工中出现极限状态时 的管片力学状态［4］。 侧边单千斤顶对应位置处管片与传力垫有 1. 0 mm 的初始间隙， 相邻的双千斤顶处管片与传力垫间有 0. 5 mm 的初始间隙，每块 传力 垫 有 1 360 kN 的 顶 力，是 施 工 状 态 时 管 片 配 筋 计 算 的 基础［4］。 荷载沿外弧面均匀分布。 荷载沿弧长方向比例为 1∶ 3∶ 1，峰值在弧长中线，量值为 4 500 kN / m2 。
隧道的结构计算公式及强度验算
在十九世纪末，混凝土已经是广泛使用的建筑材料，它具 有整体性好，可以在现场根据需要进行模注等特点。这时，隧 道衬砌结构是作为超静定弹性拱计算的，但仅考虑作用在衬砌 上的围岩压力，而未将围岩的弹性抗力计算在内，忽视了围岩 对衬砌的约束作用。由于把衬砌视为自由变形的弹性结构，因 而，通过计算得到的衬砌结构厚度很大，过于安全。大量的隧 道工程实践表明，衬砌厚度可以减小，所以，后来上述两种计 算方法不在使用了。
图4-3
脚反力的作用下围岩表面将发生弹性变形，使拱脚产生角位移 和线位移。拱脚位移将使拱圈内力发生改变，因而计算中除按 固端无铰拱考虑外，还必须考虑拱脚位移的影响。对于拱脚位 移，还可以作些具体分析，使计算图式得到简化。通常，拱脚 截面剪力很小，它与围岩之间的摩擦力很大，可以认为拱脚没 有径向位移只有切向位移，所以在计算图式中，在固端支座上 用一根径向刚性支承链杆加以约束，见图4-4(a)。切向位移可 以分解为垂直方向和水平方向两个分位移。在结构对称、荷载 对称条件下，两拱脚的位移也是对称的。对称的垂直分位移对 拱圈内力不产生影响。拱脚的转角 和切向位移的水平分位移
图4-4
式中： ——单位变位，即在基本结构上，因
作用时，在Xi方向
上所产生的变位；
——荷载变位，即基本结构因外荷载作用，在Xi方向的变位；
f ——拱圈的变位都能求出，则可用结构力学的力法
知识解算出多余未知力X1和X2，那时，拱圈内力即可求出。
三、拱脚位移计算
1. 单位力矩作用时 单位力矩作用在拱脚围岩上时，拱脚截面绕中心点a转过
一个角度 ，见图4-6，拱脚截面仍保持平面，其内(外)缘处 围岩的最大应力 为：
式中： ——拱脚截面厚度；
b ——拱脚截面纵向单位宽度，
有限元法在某项目建设对邻近隧道运营安全影响分析中的应用
有限元法在某项目建设对邻近隧道运营安全影响分析中的应用摘要：利用ABAQUS有限元分析软件，对某项目建设对邻近隧道运营安全影响进行评估分析，经过计算和现场调查，得出该项目建造不会对正在运营的隧道安全使用产生不利影响的结论。
关键词：项目建设、隧道安全运营、ABAQUS软件、有限元法1 工程概况拟建某项目位于舟山市普陀区沈家门荷外里坑的山脊凹部，属低山丘陵地貌，场地黄海高程一般为39.37～46.33m，目前分布为一座旧变电站，尚未完成拆迁。
本项目建设内容为二层、三层办公楼各一座，平面尺寸接近40m×50m，框架结构，设计荷载为12kPa/m2.层，拟采用浅基础。
场地整平高程：三层楼位置约39m，二层楼位置约45m。
在拟建场地东侧山脚分布有永兴隧道，近NE走向，平面上紧靠本项目外墙线，见图1.1所示；但高差至少有27m，见剖面图2.2和图2.3所示；隧道底板标高约12.4m，顶板标高约17.4m，隧道高5.0m，宽10m，隧道壁厚约45cm，见图1.2所示，隧道混凝土等级估算时取C30。
由于拟建项目距离隧道较近，应规划部门要求，需对项目建设对永兴隧道运营安全影响情况进行评估。
2场地工程地质条件根据我院于2011年5月提交的该项目岩土工程勘察报告，与本工程有关的岩土层主要有：1）Z层杂填土：杂色，松散~稍密，成分杂，主要由碎块石、建筑垃圾及少量粘性土组成，碎块石含量约占60%。
2）1层含砾砂粉质粘土：黄褐色，硬塑为主，局部可塑，厚层状，中压缩性，含铁锰质斑点，土质不甚均一，含少量砾砂，局部砾砂含量相对较高，总体干强度中等，韧性中等，无摇震反应。
3）2-1层全风化凝灰岩：浅黄～褐黄色，岩芯风化剧烈，原岩结构破坏，完全风化呈砾砂或粘性土状。
4）2-2层强风化凝灰岩：灰黄、褐黄色，凝灰质结构，块状构造，节理裂隙发育，铁钙质充填，岩芯呈碎块状，锤击声响、易碎。
5）2-3层中等风化凝灰岩：青灰色，凝灰质结构，块状构造，节理裂隙较发育，岩芯呈碎块状、短柱状，锤击声脆。
隧道工程中常用的设计方法
隧道工程中常用的设计方法
隧道工程的设计首先从处理基本的地质条件开始，并考虑许多其他因素。
一般而言，
隧道设计也包括选择工程材料、选择类型和位置以及最终形状等。
一般而言，隧道设计方法包括有限元分析、数值模拟方法、概率方法和经验分析方法。
有限元分析是一种解决固体力学分析问题的常用设计方法。
它充分考虑了结构的复杂性。
它通过分析构件的几何形状，确定各个组件的受力行为，从而求解结构的最优结果。
有限元分析的特点在于可以精确地模拟出实际应力和应变情况，给出更准确的设计结果。
数值模拟方法是一种模拟和预测隧道行为的设计方法。
通过数学模型，可以模拟隧道
结构和土体状态的变化，精确地估算工程参数，形成对隧道变形的准确预测，从而指导隧
道的设计。
概率方法是隧道工程中常用的设计方法。
它利用统计学原理，分析建筑参数和材料性
质的连贯性，从而预测建筑的平均性能，并计算各种概率，确定可能出现的最大限度值。
它也可以用于确定隧道寿命。
经验分析方法也是一种通用的设计方法，它采取有关项目的基础资料和隧道工程工程
实施过程，通过分析这些信息，结合多年来在此领域的设计经验，成功解决工程设计问题。
它具有设计简单、技术可行和成本低等特点，广泛应用于重质隧道的设计中。
最后，对于复杂地质条件的隧道，可以采用综合设计方法，即将上述单项设计方法相
结合，从而更精确、准确地设计隧道。
隧道盾构施工钢衬套施工工艺
中铁隧道股份有限公司
CHINA RAILWAY TUNNEL STOCK CO,. LTD.
隧道钢衬套修复加固原理
近年来，钢板衬加固混凝土结构技术已逐渐成为工程界关 注的热点问题，越来越多的工程技术人员和科研人员把注意力 转向该领域，目前，国内外工程界关于粘钢加固法在钢筋混凝 土结构加固领域的研究已取得不少成果。
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隧道钢衬套具体施工方法
（9）钢板定位安装 待植筋胶完全固化后进行钢板定位安装，将加工好的钢板放 入已切好嵌槽，与锚筋对孔，螺母满丝拧紧，并切除高出钢板 锚栓。 （10）埋管封边、注胶粘钢
在钢板一侧用电钻开小槽埋设灌浆管，钢板顶部埋设排气 管。埋管完成以后，采用环氧胶泥将钢板四周 封边，采用压注机进行注胶粘钢。
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隧道钢衬套具体施工方法
（5）基面及孔内清洗 基面打磨完成后采用高压风吹去混凝土表面及孔内粉尘、 杂物，然后用工业酒精清洗混凝土表面，再用试管毛刷蘸工业 酒精清洗锚栓孔。完成后用棉布封堵螺栓孔直至开始注胶植筋 。 （6）钢板加工及表面打磨 钢板加工及表面打磨在工厂进行，钢板按照规格下料，弯 曲弧度与衬砌内轮廓弧度一致。钢板粘结面需进行打磨除锈处 理，打磨采用砂轮机抛光打磨，去除钢板表面铁锈露出金属光 泽且粗糙，打磨完成后用清洗剂清洗钢板表面。
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隧洞钢衬抗外压能力三维有限元计算方法及应用
隧道是现代交通建设的重要组成部分，为了保证隧道的安全和稳定，隧道衬砌的设计和施
工显得尤为重要。
钢衬隧道是一种新型的隧道结构，它具有高强度、耐腐蚀、耐久性好等
特点，已经在国内外得到广泛应用。
本文将介绍隧洞钢衬抗外压能力三维有限元计算方法
及应用，以期为隧道工程的设计和施工提供参考。
一、钢衬隧道的抗外压能力
钢衬隧道的抗外压能力是指在隧道内部压力不断增大的情况下，钢衬结构能够承受外部地
层的压力，保证隧道的稳定和安全。
隧道的抗外压能力与地层的性质、隧道的尺寸和形状、钢衬的材料和厚度等因素有关。
因此，为了保证钢衬隧道的抗外压能力，需要进行精确的
计算和分析。
二、钢衬隧道抗外压能力的三维有限元计算方法
三维有限元计算方法是一种常用的结构分析方法，它可以模拟结构在外部荷载作用下的变
形和应力分布，从而评估结构的稳定性和安全性。
钢衬隧道的抗外压能力三维有限元计算
方法主要包括以下步骤：
1. 建立三维有限元模型
首先，需要根据隧道的实际尺寸和形状建立三维有限元模型。
在建模过程中，需要考虑隧
道的几何形态、地层的特性、钢衬的材料和厚度等因素，以确保模型的准确性和可靠性。
2. 设定边界条件和荷载
在建立有限元模型后，需要设定边界条件和荷载。
边界条件包括支承条件、约束条件和位
移条件等，荷载包括内部压力和外部地层压力等。
在设定荷载时，需要考虑地层的变形特
性和隧道的变形情况，以确保模型的真实性和可靠性。
3. 进行数值计算和分析
在设定边界条件和荷载后，可以进行数值计算和分析。
计算过程中，需要考虑材料的非线
性特性、接触面的摩擦效应、地层的非均匀性等因素，以确保计算结果的准确性和可靠性。
4. 分析计算结果和评估结构的稳定性
最后，需要分析计算结果并评估钢衬隧道的抗外压能力。
分析过程中，需要考虑结构的变形和应力分布情况，以确定结构的稳定性和安全性。
如果计算结果不满足要求，需要进行结构的调整和优化，以提高结构的稳定性和安全性。
三、应用案例
以某高速公路钢衬隧道为例，进行抗外压能力的三维有限元计算和分析。
该钢衬隧道长1000m，宽10m，高6m，采用Q345钢板材料，厚度为20mm。
地层为泥岩，地下水位深度为5m，内部压力为1MPa，外部地层压力为5MPa。
经过三维有限元计算和分析，得出该钢衬隧道的最大应力为120MPa，最大变形为0.5m，满足设计要求。
同时，还发现隧道的抗外压能力受到地下水位的影响较大，需要采取相应的加固措施，以提高结构的稳定性和安全性。
四、结论
钢衬隧道的抗外压能力三维有限元计算方法是一种有效的结构分析方法，可以模拟结构在外部荷载作用下的变形和应力分布，从而评估结构的稳定性和安全性。
在实际工程中，应根据隧道的实际情况，采用合适的计算方法和技术，以确保隧道的稳定和安全。