[发明专利]一种隧道衬砌局部拆除的附加荷载计算方法

权利要求书

1.一种隧道衬砌局部拆除的附加荷载计算方法，其特征在于，所述计算方法的实施步骤包括：

(1)概化隧道衬砌局部拆除的弹性地基梁计算模型；

(2)确定所述弹性地基梁计算模型控制方程的待定参数；

(3)计算衬砌局部拆除导致的临近结构承受的附加荷载及范围；

所述隧道衬砌拆除的弹性地基梁计算模型的概化方法如下：

(1)将衬砌结构层、围岩承载层假定为同形心的无限长筒状结构，并沿形心划分为若干个扇形带状计算微元；

(2)将计算微元中的围岩承载层和衬砌结构非拆除层共同假定为弹性均质直梁；

(3)将衬砌结构拆除层假定为均质弹性地基，以地基弹簧代替，衬砌局部拆除相当于对应地基弹簧的移除；

所述弹性地基梁计算模型控制方程为弹性地基梁控制方程，其表述如下：

其中，E_bI_b为均质直梁的抗弯刚度；K为地基弹簧的基床系数；B为均质直梁的宽度；q_b(x)为均质直梁上的均布荷载集度；W(x)为弹性地基梁的挠度；

需要确定的弹性地基梁计算模型控制方程的待定参数为均质直梁抗弯刚度E_bI_b、地基弹簧的基床系数K和均质直梁上的均布荷载集度q_b；

所述弹性地基梁计算模型控制方程的待定参数确定方法如下：

(1)均质直梁抗弯刚度E_bI_b按照叠合梁抗弯刚度等效原则计算；

(2)地基弹簧的基床系数K按照结构力学的力法和叠合梁抗弯刚度等效原则计算；

(3)均质直梁上的均布荷载集度q_b按照隧道衬砌局部拆除工况取值计算；

所述均质直梁抗弯刚度E_bI_b的计算如下：

隧道包含有围岩承载层、初次衬砌层和二次衬砌层，当仅拆除二次衬砌层时，将围岩承载层和初次衬砌层等效为叠合梁，当拆除初次衬砌层和二次衬砌层时，则相当于围岩承载层与厚度为零的层等效为叠合梁；

衬砌局部拆除的对象仅为二次衬砌层，直梁抗弯刚度计算公式如下：

其中，E_r为围岩承载层中围岩的弹性模量；h为弹性均质直梁的截面高度；t_p为初次衬砌层厚度；t_l为二次衬砌层厚度；

衬砌局部拆除的对象为二次衬砌层和初次衬砌层时，直梁抗弯刚度计算公式如下：

E_bI_b＝E_r·Bh³/12

所述地基弹簧的基床系数K的计算如下：

二次衬砌层为均质弹性地基，以地基弹簧代替，基床系数为：

其中，p为隧道拱顶荷载；Δ_p为隧道拱顶位移；E_sI_s为均质弹性地基的抗弯刚度；R为均质弹性地基截面的等效半径；

所述均质直梁上的均布荷载集度q_b的计算如下：

均质直梁所受荷载集度按照隧道衬砌局部拆除的范围取值计算，因其与计算圆心角θ相关，故确定计算微元中的均质直梁受到的法向荷载为：

q_b(θ)＝γ_rh(cosθ+λsinθ)+γ_pt_pcosθ；

其中，γ_r为围岩承载层的围岩重度；γ_p为初次衬砌层的等效重度；

移除衬砌拆除部分对应的地基弹簧，并将该部分的地基反力作为新的均布荷载集度，反向加载至所述均质直梁上，计算此时的弹性地基梁挠度和地基反力，反复迭代计算至地基反力小于一给定的阈值，将所有迭代计算过程叠加，得到衬砌局部拆除后的临近结构承受的最大荷载集度。

2.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌局部拆除的附加荷载计算方法，其特征在于，所述衬砌局部拆除导致临近结构承受的附加荷载及范围计算方法如下：

(1)迭代计算得到拆除局部衬砌导致临近结构承受的荷载集度；

(2)比较拆除衬砌两侧结构承受荷载的计算值与设计值，确定二者相等处为衬砌局部拆除卸载作用的影响边界，即局部衬砌拆除前的既有结构预加固范围。