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Δf x ,纵向位错曲线Δf y ,竖向位错曲线Δf z ;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u y ;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u x 、竖向变形u z ;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Δf x ,Δf y ,Δf z 的作用下,隧道结构受到三向荷载q x ,q y ,q z 作用,发生三向变形u x ,u y ,u z ;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q x ,q y ,q z 计算公式为:q x =k x Δu x (1)q y =k y Δu y (2)q z =k z Δu z (3)式中,Δu x ,Δu y ,Δu z 分别为水平向、竖向及纵向隧道结构-围岩相对变形;k x ,k y ,k z 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k x ,k y ,k z 计算公式为:k y =ξk z =ξk x (5)式中,E t 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Δu x ,Δu y ,Δu z 计算公式分别为:Δu x =Δf x -u x (7)Δu y =Δf y -u y (8)Δu z =Δf z -u z (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u y 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,k yi ,u yi ,Δf yi 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:u y-1 =u y1 (14)u yn+1 =u yn-1 (15)联立式(13)~式(15),得出穿越活动断层隧道结构纵向变形u y 计算公式为:[B] (n+1)×(n+1) [u y ] (n+1)×1 =[Δf y ] (n+1)×1 (16)式中[B] (n+1)×(n+1) =[B 1 ] (n+1)×(n+1) +[B 2 ] (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u x 、隧道结构竖向变形u z 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,k zi ,u zi ,Δf zi 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M z =0,竖向剪力V z =0;基于有限差分公式,得出边界条件的差分形式为:u z-1 =2u z0 -u z1 (23)u z-2 =4u z0 -4u z1 +u z2 (24)u zn+1 =2u zn -u zn-1 (25)u zn+2 =4u zn -4u zn-1 +u zn-2 (26)联立式(22)~式(26),得出穿越活动断层隧道结构竖向变形u z 计算公式为:[A] (n+1)×(n+1) [u z ] (n+1)×1 =[Δf z ] (n+1)×1 (27)式中[A] (n+1)×(n+1) =[A 1 ] (n+1)×(n+1) +[A 2 ] (n+1)×(n+1) (28)将式(27)中的Δf z ,k z 采用Δf x ,k x 替换,即得到隧道结构水平向变形u x 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u x 、u y 和u z 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M x 、M z 、剪力V x 、V z :式中,N i 为i节点轴力,M xi 、M zi 分别为i节点水平向、竖向弯矩,V xi 、V zi 分别为i节点水平向、竖向剪力,u yi+1 、u yi-1 分别为i+1、i-1节点纵向位移,u zi 、u zi-1 、u zi+1 分别为i、i+1、i-1节点竖向位移,u xi+2 、u xi+1 、u xi-1 、u xi-2 分别为i+2、i+1、i-1、i-2节点水平向位移,u zi+2 、u zi+1 、u zi-1 、u zi-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u y ;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u x 、隧道结构竖向变形u z ;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。