一、技術領域：

本發(fā)明涉及隧道工程領域，具體涉及一種隧道鋼架連接縱梁的設計分析方法。

二、

背景技術：
：

軟弱地層隧道施工過程中，常因拱腳地基承載力不足或拱腳懸空，導致鋼架拱腳出現(xiàn)沉降，隨之松弛區(qū)擴大，引起拱部圍巖變形過大，穩(wěn)定性顯著降低，直接威脅施工安全。

鋼架的連接縱梁是目前國內(nèi)應用較為廣泛的一種拱腳沉降控制措施，但目前鋼架的連接縱梁仍缺乏一套可供隧道設計人員采用的設計分析和評價方法，致使應用上僅憑經(jīng)驗而存在較大的盲目性。

三、

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的提供一種隧道鋼架連接縱梁的設計分析方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：一種隧道鋼架連接縱梁的設計分析方法，其特征在于：所述的方法步驟為：

步驟1)：建立鋼架連接縱梁的力學分析模型；

步驟2)：根據(jù)步驟1)建立的力學分析模型，首先確定連接縱梁上方各鋼架傳遞的豎向作用荷載；

步驟3)：根據(jù)步驟1)建立的力學分析模型和步驟2)確定的豎向作用荷載，采用力法確定連接縱梁各處的多余未知力；

步驟4)：根據(jù)步驟3)確定的多余未知力，即可確定不同工況時鋼架各拱腳的地基荷載、各拱腳沉降量以及連接縱梁各截面的內(nèi)力；

步驟5)：根據(jù)步驟4)確定的鋼架各拱腳的地基荷載、各拱腳沉降量以及連接縱梁各截面的內(nèi)力，對不同工況時各拱腳的地基承載力、各拱腳沉降量和連接縱梁的設計參數(shù)，重新驗算直至滿足驗算要求。

所述的步驟1)建立的鋼架連接縱梁的力學分析模型應該滿足以下條件：

a：將連接縱梁在鋼架落底接長處視為固定端，鋼架未接長段的連接縱梁視為懸臂梁結(jié)構(gòu)；

b：鋼架未接長段自上而下傳遞的豎向作用荷載由連接縱梁和拱腳地基共同支承；對于連接縱梁而言，受到縱梁上方各鋼架傳遞的豎向作用荷載，同時受到縱梁下方鋼架拱腳傳遞的豎向地基反力，所述豎向地基反力服從溫克爾假定，相應的地基彈簧剛度分別為k1、k2、k3和k4等；

c：通過令地基彈簧剛度k1＝0，以考慮臺階下部開挖至懸空引起的拱腳地基支承力損失。

所述步驟2)確定連接縱梁上方各鋼架傳遞的豎向作用荷載，所述豎向作用荷載取兩種極端情況進行包絡取值。

所述步驟3)中多余未知力為鋼架各拱腳的豎向地基反力。

所述的步驟5)的驗算要求為：

a、各拱腳地基荷載小于地基允許荷載或應力；

b、各拱腳沉降量小于允許值；

c、連接縱梁的應力小于縱梁材料的屈服強度。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和效果：

本發(fā)明根據(jù)鋼拱架連接縱梁的作用機制，建立了連接縱梁的力學分析模型，經(jīng)力法求解得到連接縱梁支護作用下不同工況時鋼架拱腳的地基荷載、拱腳沉降以及連接縱梁的受力和變形，隧道設計人員可利用所得鋼架拱腳的地基荷載、拱腳沉降以及連接縱梁的受力和變形，對不同工況時拱腳地基的承載力、拱腳沉降以及連接縱梁的強度進行驗算和評價，最終完成對鋼架連接縱梁的設計。

本發(fā)明工作機制主要體現(xiàn)在以下兩方面：一是憑借連接縱梁的支托作用，減少上部鋼架的基底荷載，避免由于基底承載力不足而導致隧道發(fā)生整體沉降；二是當臺階下部開挖使上部鋼架部分拱腳產(chǎn)生懸空時，先前施作的連接縱梁在縱向兩端的穩(wěn)固支承下可發(fā)揮承載梁的作用，為處于懸空狀態(tài)的鋼架提供支承，同時利于拱腳下部的施工安全。

四、附圖說明：

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2(a)為連接縱梁沿隧道縱向的示意圖；(b)為連接縱梁沿隧道橫向的示意圖；

圖3(a)為現(xiàn)實中的連接縱梁示意圖；(b)為連接縱梁的理想化模型示意圖；

圖4(a)為圍巖荷載沿縱向均勻分布時作用于鋼拱架的荷載分配示意圖；(b)為拱腳荷載傳遞示意圖；

圖5(a)為圍巖荷載沿縱向呈三角形分布的示意圖；(b)為圍巖荷載沿縱向呈三角形分布時的荷載分配示意圖；

圖6連接縱梁求解的力法基本體系示意圖。

五、具體實施方式

下面結(jié)合具體的實施方式來對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細說明：

一種隧道鋼架連接縱梁的設計分析方法步驟為：

步驟1)：建立鋼架連接縱梁的力學分析模型；

所述的步驟1)建立的鋼架連接縱梁的力學分析模型應該滿足以下條件：

a：將連接縱梁在鋼架落底接長處視為固定端，鋼架未接長段的連接縱梁視為懸臂梁結(jié)構(gòu)；

b：鋼架未接長段自上而下傳遞的豎向作用荷載由連接縱梁和拱腳地基共同支承；對于連接縱梁而言，受到縱梁上方各鋼架傳遞的豎向作用荷載，同時受到縱梁下方鋼架拱腳傳遞的豎向地基反力，所述豎向地基反力服從溫克爾假定，相應的地基彈簧剛度分別為k1、k2、k3和k4等；

c：通過令地基彈簧剛度k1＝0，以考慮臺階下部開挖至懸空引起的拱腳地基支承力損失。

步驟2)：根據(jù)步驟1)建立的力學分析模型，首先確定連接縱梁上方各鋼架傳遞的豎向作用荷載；所述豎向作用荷載取兩種極端情況進行包絡取值。

步驟3)：根據(jù)步驟1)建立的力學分析模型和步驟2)確定的豎向作用荷載，采用力法確定連接縱梁各處的多余未知力，多余未知力為鋼架各拱腳的豎向地基反力。

步驟4)：根據(jù)步驟3)確定的多余未知力，即可確定不同工況時鋼架各拱腳的地基荷載、各拱腳沉降量以及連接縱梁各截面的內(nèi)力；

步驟5)：根據(jù)步驟4)確定的鋼架各拱腳的地基荷載、各拱腳沉降量以及連接縱梁各截面的內(nèi)力，對不同工況時各拱腳的地基承載力、各拱腳沉降量和連接縱梁的設計參數(shù)，重新驗算直至滿足驗算要求。

步驟5)的驗算要求為：

a、各拱腳地基荷載小于地基允許荷載或應力；

b、各拱腳沉降量小于允許值；

c、連接縱梁的應力小于縱梁材料的屈服強度。

實施例：

如圖1所示，所述設計方法，首先根據(jù)連接縱梁的作用機制，如圖2a和b所示，建立鋼架連接縱梁的力學分析模型，如圖3a和b所示，且滿足如下條件：

(1)將連接縱梁在鋼架落底接長處視為固定端，鋼架未接長段的連接縱梁視為懸臂梁結(jié)構(gòu)；

(2)鋼架未接長段自上而下傳遞的豎向作用荷載由連接縱梁和拱腳地基共同支承。對于連接縱梁而言，受到縱梁上方鋼架傳遞的豎向豎向荷載(如f1、f2、f3和f4等)，同時受到下部鋼架拱腳傳遞的豎向地基反力(如x1、x2、x3和x4等)。其中豎向地基反力服從溫克爾假定，相應的地基彈簧剛度分別為k1、k2、k3和k4等；

(3)通過令地基彈簧剛度k1＝0，以考慮臺階下部開挖至懸空引起的拱腳地基支承力損失。

為確定連接縱梁上方各鋼架傳遞的豎向作用荷載，取兩種極端情況進行包絡取值(實際情況總介于兩個極端之間)：

a：豎向圍巖荷載沿隧道縱向為均勻分布，即不計工作面前方巖土體對圍巖的支撐作用，如圖4a和b所示，則有f1＝f2＝f3＝f4＝f5＝f?？紤]到圍巖荷載的逐步釋放，不同荷載釋放系數(shù)η下的單榀鋼架所受的荷載集度為：

q＝ηq0ls(1)

進而可確定連接縱梁上方各鋼架傳遞的豎向作用荷載為：

所述η為鋼架承擔的圍巖荷載比例；所述q0為隧道總的豎向圍巖荷載，可按相關隧道設計規(guī)范進行計算取值(n/m)；所述ls為鋼架的縱向間距(m)；所述l為上臺階開挖寬度(m)。

b：圍巖荷載沿隧道縱向為三角形分布，即圍巖荷載在工作面處為零，然后隨著工作面距離增大而線性增大，最后在鋼架落底接長處達到最大，如圖5a和b所示。接下來在確定鋼架傳遞給連接縱梁的荷載之前，需首先確定當前圍巖荷載分布形式下各榀鋼架所分攤的圍巖荷載，實現(xiàn)將面分布荷載轉(zhuǎn)化為作用在各榀鋼架上的線分布荷載。在面分布荷載的任意縱向平面內(nèi)，為各榀鋼架劃分各自的荷載分攤區(qū)域，同時確保各分攤區(qū)域的形心位置與各榀鋼架所在位置相對應，然后將各分攤區(qū)域內(nèi)的分布荷載等效轉(zhuǎn)換為作用于各榀鋼架上的集中荷載，進而求得連接縱梁上方各鋼架傳遞的豎向作用荷載可分別表示為：

利用步建立的連接縱梁力學分析模型和確定的豎向作用荷載，對連接縱梁進行受力分析。首先取連接縱梁的力法基本體系如圖6所示，采用力法對所述連接縱梁力學分析模型中的多余未知力x1、x2、x3、x4及x5進行求解。多余未知力x1、x2、x3、x4及x5的求解過程如下：

結(jié)合圖6，根據(jù)連接縱梁在各鋼架拱腳處的豎向位移等于對應拱腳地基的壓縮變形，可列如下基本方程式：

其中

δ31＝δ13，δ32＝δ23

δ41＝δ14，δ42＝δ24，δ43＝δ34

δ51＝δ15，δ52＝δ25，δ53＝δ53，δ54＝δ45

所述x1、x2、x3、x4和x5分別為連接縱梁支護作用下鋼架各拱腳處的豎向地基反力；所述k1、k2、k3、k4和k5分別為鋼架各拱腳基底的豎向支承剛度，且有k1＝k2＝k3＝k4＝k5＝kfaf。所述kf為拱腳基底的地基反力系數(shù)，單位為mpa/m；所述af為鋼架拱腳與基底地基的接觸面積，單位為m²；所述δik為基本結(jié)構(gòu)在xk＝1作用下，沿未知力xi方向產(chǎn)生的變位，其中i、k＝1、2、3、4、5；所述δip為基本結(jié)構(gòu)在荷載f1、f2、f3、f4和f5共同作用下，沿未知力xi方向產(chǎn)生的變位，其中i＝1、2、3、4、5；所述δifk為基本結(jié)構(gòu)在fk作用下，沿未知力xi方向產(chǎn)生的變位，其中i、k＝1、2、3、4、5；所述ebib為連接縱梁的抗彎剛度，單位為n·m²。

整理式(6)，求解多余未知力x1、x2、x3、x4、x5的方程組可進一步表示為：

式中

a11＝δ11+1/k1a12＝δ12a13＝δ13a14＝δ14a15＝δ15a10＝δ1p

a21＝δ21a22＝δ22+1/k2a23＝δ23a24＝δ24a25＝δ25a20＝δ2p

a31＝δ31a32＝δ32a33＝δ33+1/k3a34＝δ34a35＝δ35a30＝δ3p

a41＝δ41a42＝δ42a43＝δ43a44＝δ44+1/k4a45＝δ45a40＝δ4p

a51＝δ51a52＝δ52a53＝δ53a54＝δ54a55＝δ55+1/k5a50＝δ5p

解方程組(7)，可求得多余未知力為：

其中

根據(jù)所述多余未知力x1、x2、x3、x4和x5，進而可確定連接縱梁支護作用下不同工況時鋼架各拱腳的地基荷載、各拱腳沉降量以及連接縱梁各截面的內(nèi)力，過程如下：

1、確定連接縱梁支護作用下鋼架各拱腳的地基荷載：

n1＝x1n2＝x2n3＝x3n4＝x4n5＝x5(9)

2、確定各拱腳沉降量：按溫克爾假定，可得連接縱梁支護作用下，臺階下部開挖前鋼架各拱腳地基的豎向壓縮變形即拱腳沉降為：

當臺階下部開挖一個進尺至鋼架拱腳懸空(令地基彈簧剛度k1＝0)時，該處拱腳的相應沉降為：

v1＝-(δ11x1+δ12x2+δ13x3+δ14x4+δ15x5+δ1p)(11)

3、確定連接縱梁各截面的內(nèi)力

在求得多余未知力x1、x2、x3、x4和x5后，連接縱梁則成為靜定結(jié)構(gòu)。根據(jù)圖6，可求得連接縱梁各截面的內(nèi)力。

最后，對連接縱梁支護作用下鋼架各拱腳的地基承載力、各拱腳沉降量以及連接縱梁的強度進行驗算。應滿足以下驗算要求：各拱腳的地基荷載小于地基允許荷載或應力；各拱腳沉降量小于允許值；連接縱梁的應力小于縱梁材料的屈服強度。若不滿足驗算要求，則須調(diào)整連接縱梁設計參數(shù)，重新計算、驗算，直至滿足驗算要求，最終完成連接縱梁的設計。