基于荷載結(jié)構(gòu)原理的隧道結(jié)構(gòu)可靠度研究

趙懷東

(山西焦煤集團有限責任公司 計劃發(fā)展部，山西 太原030024)

1 隧道工程結(jié)構(gòu)的設計模型

地下工程的設計理論和方法經(jīng)歷了一個相當長的發(fā)展過程。早在19 世紀初期，地下工程（包括隧道和地下洞室）對以磚石作為襯砌，用木支撐的分布開挖方法進行施工， 這樣設計的襯砌結(jié)構(gòu)的厚度偏大。隨著社會的發(fā)展，科學技術(shù)的不斷進步，地下工程的科技人員提出了不同的設計計算方法。 如溫克爾提出了局部變形理論，假定了圍巖對襯砌結(jié)構(gòu)的抗力的大小與襯砌結(jié)構(gòu)本身的變形大小成正比；還有將襯砌和圍巖作為一體的連續(xù)介質(zhì)設計分析模型，用彈性力學的方法進行分析。 20 世紀50 年代，在地下工程的修建中，噴射混凝土和錨桿作為初期支護得到了廣泛應用，這樣的柔性支護使開挖后的洞室圍巖有一定的變形，圍巖內(nèi)部的應力重新分布，但是圍巖能夠發(fā)揮自穩(wěn)性，這樣可以大大減小襯砌結(jié)構(gòu)的設計厚度。 20 世紀60 年代，隨著計算機的發(fā)展和巖土本構(gòu)關(guān)系的建立，地下工程結(jié)構(gòu)的設計分析進入了以有限元為主的計算機數(shù)值模擬分析時期。

國際隧道協(xié)會于1978 年成立了結(jié)構(gòu)設計模型研究小組， 收集了各會員國所采用的地下工程結(jié)構(gòu)設計模型[1-2]（如表1）。

表1 隧道及地下工程結(jié)構(gòu)設計模型

其中： NATM——新奧法（New Austria Tunneling Method）

FEM——有限元法（Finite Element Method）

2 隧道襯砌荷載效應的隨機有限元原理

2.1 基本假定

假定襯砌為小變形梁，襯砌為足夠多個離散等厚度直梁單元。

用布置于模型各節(jié)點上的彈簧單元來模擬圍巖與結(jié)構(gòu)的相互作用性，彈簧單元不承受拉力，受拉力將自動脫落，彈簧的彈性系數(shù)由Winkler 假定為基礎的局部變形理論確定， 一般采用地層的彈性抗力系數(shù)K 值，再計算得出模擬結(jié)構(gòu)與地層相互作用間彈簧的彈性系數(shù)。

拱底作用相同的豎向反力來平衡地面荷載、土壓以及結(jié)構(gòu)自重。

因為隧道是細長結(jié)構(gòu)，采用平面應變模式進行分析[3]。

2.2 隨機有限元基本原理

在整體坐標系下，有限元方法的基本公式如下：

其中K、U、F 分別為剛度矩陣、位移、荷載向量。

當材料性質(zhì)、幾何尺寸和荷載作用具有隨機變化的性質(zhì)時上式就成為具有隨機性質(zhì)的矩陣位移分量的隨機有限元表達式

設具有隨機變化性質(zhì)的某一參數(shù)Z 用一個確定值Z0和一個隨機擾動動量αZ0的和來表示，即Z=Z0(1+α)。 其中α 為均值為零的隨機場，反映了參數(shù)Z 的隨機性。 Z0一般為均值。 將α 離散化為隨機向量{α}，則函數(shù)K、U、F 為隨α 而變的隨機函數(shù)，將分別在α=0 處按泰勒級數(shù)展開，略去二階以上的項，則有：

式中：N 表示隨機變量的總數(shù)，上式帶入上上式，略去含有3、4 階項，并運用二階攝動法即可得到如下的遞推公式：

在求出對α 的二階微分后，便可以求出節(jié)點位移的均值和方差：

其中um和un分別為U 的第m 個和第n 個分量。 同樣，由內(nèi)力與位移的關(guān)系可求得內(nèi)力得均值和協(xié)方差[4]。

3 隨機有限元法計算結(jié)構(gòu)可靠度的步驟

利用隨機有限元計算襯砌結(jié)構(gòu)可靠度的步驟如下：

1）建立功能極限函數(shù)

對于隧道結(jié)構(gòu)可靠度而言，采用最大抗拉強度，單元極限狀態(tài)方程為：

g(x)=R(x)-S(x)=σL-σ1

其中，σL—為材料的抗拉強度

σ1—為單元的最大拉應力

2）劃分網(wǎng)格，建立離散化模型

隨機有限元法分析結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的可靠度，需要將隨機場離散化為隨機場單元，其劃分網(wǎng)格的方法和要求與有限元計算類似，除了需要考慮物體內(nèi)部應力變化的劇烈程度以外，還要考慮物體內(nèi)部隨機場（或隨機變量）的變異性和相關(guān)結(jié)構(gòu)。一般來說，隨機場單元與有限單元可以共享一套網(wǎng)格，一個隨機場單元可以包含若干個有限單元，以便減少計算工作量。

3）準備數(shù)據(jù)信息。 輸入基本變量的均值、標準差等。

4）進行隨機變量抽樣。

5）代入上述計算公式，計算安全余量。

6）迭代計算可靠指標。

4 計算實例

設混凝土襯砌隧洞的橫截面如圖1 所示，其內(nèi)半徑ri=3.0m，襯砌厚度0.5m，埋深25m，承受0.5MPa 的荷載作用，各隨機變量及其統(tǒng)計特征見表2。

表2 隨機變量及其統(tǒng)計特征

泊松比取為定植，圍巖取值0.25。在邊界荷載下，計算隧洞周邊各單元的可靠指標。

圖1 混凝土襯砌單元圖

采用四節(jié)點等參隨機有限元法計算，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，左邊算得的結(jié)構(gòu)可靠指標列于表3：

表3 混凝土襯砌單元的結(jié)構(gòu)可靠指標

由表中的計算結(jié)果可以看出：隧洞頂部、底部單元的可靠指標較低，中部單元的可靠指標較高；隧道周邊單元的可靠指標均在3.6 以上，能滿足一般工程的要求。

5 結(jié)論

本文利用荷載結(jié)構(gòu)原理和隨機有限元基本原理，建立了隧道可靠度的功能函數(shù)， 以某混凝土襯砌為例， 采用ANSYS 軟件進行編程計算，利用四節(jié)點等參隨機有限元法計算了該隧道襯砌單元抗拉強度的可靠指標。 計算結(jié)果表明，利用該方法計算隧道結(jié)構(gòu)可靠指標是可行的。

［1］武清璽.結(jié)構(gòu)可靠性分析及隨機有限元法[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［2］李權(quán).ANSYS 在土木工程中的應用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

［3］畢忠偉，丁德馨，饒龍.工程可靠度的隨機模擬次數(shù)[J].水利水運工程學報，2005（1）：44-46.

［4］畢忠偉，丁德馨，宋會蓮.地下工程可靠度的研究進展及趨勢[J].礦業(yè)開發(fā)與研究，2004（3）：27-30.