1.穿越活动断层隧道结构内力计算方法,其特征在于:包括以下步骤:一、获取活动断层水平向位错曲线Δfx,纵向位错曲线Δfy,竖向位错曲线Δfz;
二、建立穿越活动断层隧道结构内力计算模型;
三、基于有限差分法及Euler‑Bernoulli梁理论,计算隧道结构纵向变形uy;
四、基于有限差分法及Euler‑Bernoulli梁理论,计算隧道结构水平向变形ux、竖向变形uz;
五、基于有限差分法及Euler‑Bernoulli梁理论,计算隧道结构内力;
步骤二中,穿越活动断层隧道结构计算模型的建立方法为:
1)设活动断层错动下,隧道结构发生水平向、竖向、纵向三向变形,水平向为x轴方向,竖向为z轴方向,纵向为y轴方向,隧道结构埋深为C,衬砌厚度为t,隧道结构等效直径为D,断层倾角为α,隧道结构‑断层交角为β;
2)将穿越活动断裂带隧道结构简化为Euler‑Bernoulli梁,将围岩简化为三向弹簧,将断裂带错动简化为作用于三向弹簧的三向错动变形;在断层三向位错Δfx,Δfy,Δfz的作用下,隧道结构受到三向荷载qx,qy,qz作用,发生三向变形ux,uy,uz;
3)将穿越活动断层隧道结构内力计算模型分为水平向、竖向、轴向三向;
水平向、竖向及纵向围岩压力qx,qy,qz计算公式为:qx=kxΔux (1)qy=kyΔuy (2)qz=kzΔuz (3)式中,Δux,Δuy,Δuz分别为水平向、竖向及纵向隧道结构‑围岩相对变形;kx,ky,kz分别为水平向、竖向及纵向围岩地基反力系数;
水平向、竖向及纵向围岩地基反力系数kx,ky,kz计算公式为:ky=ξkz=ξkx (5)
式中,Et和I分别为隧道结构弹性模量和惯性矩;E和ν分别为地层弹性模量和泊松比;ξ为纵向围岩基床系数比;
水平向、竖向及纵向隧道结构‑围岩相对变形Δux,Δuy,Δuz计算公式分别为:Δux=Δfx‑ux (7)Δuy=Δfy‑uy (8)Δuz=Δfz‑uz (9)根据Euler‑Bernoulli梁理论,隧道结构水平向、竖向、纵向变形微分方程分别为:式中,A为隧道结构横断面面积。
2.根据权利要求1所述的穿越活动断层隧道结构内力计算方法,其特征在于:步骤三中,隧道结构纵向变形uy的计算方法为:
将穿越活动断裂带隧道结构分为n+5份,其中包括两端各两个虚节点,单元长度为Δ=L/n,L为隧道结构长度;
根据有限差分法,穿越活动断层隧道结构纵向变形微分方程式(11)的差分形式为:式中,kyi,uyi,Δfyi分别为i节点纵向围岩基床系数、隧道结构变形及断裂带变形;
根据穿越活动断裂带隧道结构受力特征,隧道结构两端的轴力为0,即当i=0或i=n,轴力N=0;根据有限差分方程及Euler‑Bernoulli梁理论得出:uy‑1=uy1 (14)uyn+1=uyn‑1 (15)联立式(13)~式(15),得出穿越活动断层隧道结构纵向变形uy计算公式为:[B](n+1)×(n+1)[uy](n+1)×1=[Δfy](n+1)×1 (16)式中
[B](n+1)×(n+1)=[B1](n+1)×(n+1)+[B2](n+1)×(n+1) (17)
3.根据权利要求2所述的穿越活动断层隧道结构内力计算方法,其特征在于:步骤四中,隧道结构水平向变形ux、隧道结构竖向变形uz的计算方法为:根据有限差分理论,隧道结构竖向变形微分方程式(12)的有限差分形式为:式中,kzi,uzi,Δfzi分别为i节点竖向围岩基床系数、隧道结构变形及断裂带变形;
根据穿越活动断裂带隧道结构受力特征,其两端边界条件为:当i=0或i=n,竖向弯矩Mz=0,竖向剪力Vz=0;基于有限差分公式,得出边界条件的差分形式为:uz‑1=2uz0‑uz1 (23)uz‑2=4uz0‑4uz1+uz2 (24)uzn+1=2uzn‑uzn‑1 (25)uzn+2=4uzn‑4uzn‑1+uzn‑2 (26)联立式(22)~式(26),得出穿越活动断层隧道结构竖向变形uz计算公式为:[A](n+1)×(n+1)[uz](n+1)×1=[Δfz](n+1)×1 (27)式中
[A](n+1)×(n+1)=[A1](n+1)×(n+1)+[A2](n+1)×(n+1) (28)将式(27)中的Δfz,kz采用Δfx,kx替换,即得到隧道结构水平向变形ux计算公式。
4.根据权利要求3所述的穿越活动断层隧道结构内力计算方法,其特征在于:步骤五中,内力的计算方法为:
求出穿越活动断层隧道结构三向变形ux、uy和uz后,基于有限差分法及Euler‑Bernoulli梁理论,即求出i节点的轴力N、弯矩Mx、Mz、剪力Vx、Vz:式中,Ni为i节点轴力,Mxi、Mzi分别为i节点水平向、竖向弯矩,Vxi、Vzi分别为i节点水平向、竖向剪力,uyi+1、uyi‑1分别为i+1、i‑1节点纵向位移,uzi、uzi‑1、uzi+1分别为i、i+1、i‑1节点竖向位移,uxi+2、uxi+1、uxi‑1、uxi‑2分别为i+2、i+1、i‑1、i‑2节点水平向位移,uzi+2、uzi+1、uzi‑1、uzi‑2分别为i+2、i+1、i‑1、i‑2节点竖向位移。
5.穿越活动断层隧道结构内力计算系统,其特征在于:其采用如权利要求1‑4中任一所述的穿越活动断层隧道结构内力计算方法,并包括:模型建立模块,用于建立穿越活动断层隧道结构内力计算模型;
隧道结构纵向变形计算模块,用于基于有限差分法及Euler‑Bernoulli梁理论,计算隧道结构纵向变形uy;
隧道结构水平向、竖向变形计算模块,用于基于有限差分法及Euler‑Bernoulli梁理论,计算隧道结构水平向变形ux、隧道结构竖向变形uz;
内力模块,用于基于有限差分法及Euler‑Bernoulli梁理论,计算隧道结构内力。
6.穿越活动断层隧道结构内力计算的存储介质,其特征在于:其存储有计算机程序,计算机程序被计算机执行实现权利要求1‑4中任一所述的穿越活动断层隧道结构内力计算方法。