[发明专利]基于落石质量与下落高度的缓冲层-拱形明洞设计方法

说明书

本发明涉及基于落石质量与下落高度的缓冲层‑拱形明洞设计方法，根据落石质量、缓冲层等效弹簧系数、冲切破坏等效弹簧系数、冲切破坏结构等效质量、弯曲破坏等效弹簧系数和弯曲破坏结构等效质量结合拱形明洞结构的多自由度系统理论模型计算冲切位移和弯曲位移；将冲切位移与弯曲位移的差值和弯曲位移分别与对应的极限位移值进行比较，得到落石冲击下拱形明洞结构的损伤破坏状态及模式；根据损伤破坏状态及模式进行拱形明洞结构的设计优化以及损伤程度评定，提供了拱形明洞落石冲击损伤破坏机理，并且根据该机理能够准确的进行拱形明洞结构设计优化和有效的结构损伤破坏评估。

技术领域

本发明涉及拱形明洞结构设计与评估技术领域，特别是涉及一种基于落石质量与下落高度的缓冲层-拱形明洞结构设计方法。

背景技术

随着铁路、公路向西部艰险山区的建设推进，由于地形险峻，选线困难，有相当数量的隧道洞口处于高陡边仰坡下，上方存在难以彻底根除治理的高位危岩体，在雨水、地震等触发下，极易发生落石灾害，给洞口工程结构和线路运营带来极大威胁，接长拱形明洞并上覆缓冲土层是可靠且环保的工程措施。然而，由于线路提速、桥台进洞、桥隧一体化建设，隧道洞口拱形明洞结构尺寸和形式较以往有很大改变，上覆缓冲土层与结构的协同与设计优化尤为重要，现有设计理论与方法已难以适应工程建设需求，同时，已建成运营隧道洞口拱形明洞结构受落石冲击发生裂损致承载性能降低。由于拱形明洞落石冲击损伤破坏机理不清，目前还缺乏有效的结构损伤破坏评估方法。基于此，本申请根据落石冲击在缓冲层和拱形明洞结构间的传递过程，提出一种基于落石质量与下落高度的缓冲层-拱形明洞设计方法。

发明内容

本发明的目的是提供基于落石质量与下落高度的缓冲层-拱形明洞设计方法，提供了拱形明洞落石冲击损伤破坏机理，并且根据该机理能够准确的进行结构损伤破坏评估和拱形明洞结构设计优化。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

基于落石质量与下落高度的缓冲层-拱形明洞设计方法，包括：

建立落石和缓冲层-拱形明洞结构的多自由度系统理论模型；

在预期的落石质量和预期的下落高度下，根据所述落石对所述缓冲层产生的冲击力及冲击深度计算所述多自由度系统理论模型中的落石冲击下缓冲层土体等效弹簧系数，记为缓冲层等效弹簧系数；

计算所述多自由度系统理论模型中的落石冲击下拱形明洞结构发生冲切破坏力学行为的等效弹簧系数和冲切范围内的土体和明洞结构的等效质量分别记为冲切破坏等效弹簧系数和冲切破坏结构等效质量；

计算所述多自由度系统理论模型中的弯曲破坏力学行为的等效弹簧系数和拱形明洞结构发生弯曲破坏时塑性绞线范围内结构的等效质量，分别记为弯曲破坏等效弹簧系数和弯曲破坏结构等效质量；

根据所述预期的落石质量、所述缓冲层等效弹簧系数、所述冲切破坏等效弹簧系数、所述冲切破坏结构等效质量、所述弯曲破坏等效弹簧系数和所述弯曲破坏结构等效质量结合所述多自由度系统理论模型计算冲切破坏范围内土体和明洞结构相对于静止地面的竖向位移和弯曲破坏范围内拱形明洞结构的弯曲位移，分别记为冲切位移和弯曲位移；

计算所述冲切位移与所述弯曲位移的位移差值，并根据所述位移差值和所述弯曲位移分别与对应的极限位移的比值结合落石冲击下拱形明洞结构损伤破坏判断准则确定当前所述预期的落石质量和所述预期的下落高度下的拱形明洞结构损伤破坏程度；

根据所述拱形明洞结构损伤破坏程度进行结构设计优化。

基于落石质量与下落高度的缓冲层-拱形明洞设计方法，包括：

建立落石-缓冲层-拱形明洞结构的多自由度系统理论模型；