初期支护安全性理论和方法探究

《初期支护安全性理论和方法探究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、初期支护安全性理论和方法探究　　摘要：文章阐述了隧道初期支护结构可靠度分析的基本原理，研究了目前结构可靠度分析的常用方法，运用有限元响应面方法计算隧道初期支护结构荷载效应的统计特征，并结合可靠度计算的验算点法进行了结构可靠指标的计算。关键词：初期支护；有限元响应面法；可靠度；验算点法中图分类号：TD353文献标识码：A1引言在隧道设计施工中，复合支护已成为广泛采用的一种支护形式。这种支护的结构层通常由两层或者三层组成。其中外层常为喷射混凝土层或是与锚杆、钢支撑、格栅的联合支护，称为初期支护。初期支护的作用在于：

2、保持隧道断面的使用净空，承受可能出现的各种荷载，与永久支护相互配合。因此评估初期支护的安全状况对于隧道安全施工及正常使用具有重要的意义。应用可靠性理论和推行概率极限状态设计，是当今国内外工程结构发展的必然趋势，也是提高我国工程结构设计水准的有效途径。9隧道工程的特点是影响作用效应的随机变量多，包括岩土、支护结构的各种物理力学特性及几何尺寸的随机变异。这些随机变量与作用效应的关系复杂，常常难以用简单的显式函数表达出来，而且其主要影响作用的随机变量的变异性和离散性都比较高，它们对可靠度的影响比计算模式不定性的影响大

3、得多。一般的泰勒技术展开和摄动法为基础的随机有限元方法，对于变异性较大（大于0.2时）的随机结构分析结果都将带来较大的误差。隧道衬砌作用效应分析面临的问题是：能否找到保证分析精度和能近似反映各种随机变量与作用效应显式函数的有限元分析方法，以满足隧道截面可靠度分析和隧道系统可靠度分析的需要。经过几年来对各种方法实现结构可靠度分析的可行性，发现蒙特卡罗响应面法能够很好的模拟隧道围岩参数的不确定性，适合用于分析隧道初期支护的可靠度，具有很强的可操作性。2结构可靠度的基本理论2.1结构可靠度与极限状态9结构的安全性、适

4、用性和耐久性这三者总称为结构的可靠性，可靠性的数量描述一般用可靠度。极限状态是衡量结构完成各项功能的标志，主要用来分区结构工作状态的可靠程度。结构的极限状态一般分为三类:①承载能力极限状态，这种极限状态对应于结构达到最大承载能力，或达到不适应于极限承载的变形；②正常使用极限状态，这种极限状态对应于结构达到正常使用和耐久性的各项规定极限值；③逐渐破坏极限状态，指偶然作用后产生的次生灾害限度，即结构因偶然作用造成局部破坏后，其余部分不发生连续破坏的状态。在结构可靠度分析中，结构的极限状态一般由功能函数加以描述。当有

5、n个随机变量影响结构的可靠度时，结构功能函数为：（2-1）式中：，为结构上的作用效应、结构构件的性能等基本变量。当Z>0时，结构处于可靠状态；当Z=0时，结构处于极限状态；当Z0时，结构处于可靠状态；当Z　　抽样方差减缩技术常用的有：对偶抽样技巧，条件期望抽样技巧，重要抽样技巧，分层抽样法，控制变数法，相关抽样法等，现采用较易编程实现的对偶抽样技巧。假若U是一组[0,1]区间均匀分布的样本，且相应的基本随机变量为X(U)，X服从概率密度函数的分布，也存在I-U和X（I-U），并且与U和X(U)呈负相关，那么工程

6、结构的破坏概率的模拟估计为：（3-8）很明显，式（8）是无偏估计，且模拟估计的误差为（3-9）9其中，与呈负相关，。可以看出：模拟抽样技巧并不是改变原来的抽样模拟估计过程，只是利用了抽样子样的负相关性，使得抽样数目N得以减少。4随机有限元响应面法4.1响应面法原理当功能函数Z与各随机变量的关系表达式很难直接给出时，可用响应面方法设计一系列变量值，每一组变量值组成一个试验点，然后逐点进行结构数值计算，得到对应的一系列功能函数值。通过这些变量值和功能函数值来拟合一个明确的函数关系，以近似代替难以直接表达的真实函数，

7、从而进行可靠度分析。本文采用二水平分数因子设计法[6]，其计算步骤为：（1）根据每个变量的均值和标准差，求得每个变量的两个水平：(高水平)和(低水平)，其中和分别为随机变量的均值和标准差；（2）根据需要确定的响应面函数系数的数目，用每个因子的两个水平设计出相应的组合数，即所谓的设计矩阵[D]，例如具有3个独立变量X1，X2，X3的问题，其响应面函数的精确拟合为：（4-1)式中：a0，a1，a2，…，a123为8个系数，因此，需要X1，X2，X3的8种组合才能求得，故设计矩阵如表1左部分所示，表中的“+”，“－”

8、分别代表前述的两个水平；9（3）根据设计矩阵中所列的因子组合，用有限元方法分别进行分析，即可得计算点响应值z1，z2,…，z8={z}，求解联列方程组得到响应面函数的系数矩阵：表1设计矩阵和X矩阵计算次数设计矩阵[D]X矩阵1－－－－－－＋＋＋－2＋－－＋－－－－＋＋3－＋－－＋－－＋－＋4＋＋－＋＋－＋－－－5－－＋－－＋＋－－＋6＋－＋＋－＋－＋－－7－＋＋－＋＋－－＋－8＋＋＋＋