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《隧道工程》 第5章 隧道工程的结构设计及计算
邵 鹏
spsyc@126.com
中国矿业大学力学与建筑工程学院
2017年4月9日星期日
1. 荷载-结构模型
5.3 隧道结构设计计算方法
荷载-结构模型
(与结构型式相适应的计算方法)
主动荷载模型(不考虑弹性抗力)
主动荷载+围岩弹性约束模型
(假定弹性抗力)
适用:浅埋明挖矩形结构
软弱土层中的圆形结构
半拱形结构(半衬砌)
适用:曲墙拱形结构
直墙拱形结构
计算符号说明:
主系数?ii(i=1,2……n):单位赘余力 单独作用于基本结构时,所引起的沿其本身方向上的位移,恒为正;
副系数?ij(i?j):单位赘余力 单独作用于基本结构时,所引起的沿Xi方向的位移,可为正、负或零,且由位移互等定理:?ij=?ji ;
自由项?ip:荷载Fp单独作用于基本体系时,所引起 方向的位移,可正、可负或为零。
5.3 隧道结构设计计算方法
1)矩形框架结构(浅埋)
底面宽度较小、结构地板刚度相对于地层刚度较大时,基底反力大小、分布根据静力平衡条件按直线分布假定求得。
中间隔墙用梁、柱代替,变成梁、柱传力体系。按弯矩分配法计算。
5.3 隧道结构设计计算方法
(1) 不考虑弹性抗力的计算方法
2)软土层中的圆形结构
可不考虑弹性抗力的条件:松软含水地层,且标贯值N2。
计算方法按接头刚度分类:整体结构;多铰结构。
5.3 隧道结构设计计算方法
整体结构
多铰结构
装配式圆形结构的处理方法
多铰圆环
整体均质圆环
圆柱形
接缝式
螺栓式
接头能传递全部内力
接头不传递弯矩
5.3 隧道结构设计计算方法
2)软土层中的圆形隧道 整体结构(自由变形圆环)
计算方法:弹性中心法
5.3 隧道结构设计计算方法
2)软土层中的圆形隧道 多铰结构(弹性铰圆环)
计算方法:将接头简化为理想的弹性铰,用接头刚度系数K表示弹性铰的刚度特征。
5.3 隧道结构设计计算方法
3)半拱形结构的计算
也叫半衬砌,拱圈直接支承在围岩侧壁上。
适合于坚硬和较完整的I、II级围岩。
5.3 隧道结构设计计算方法
5.3 隧道结构设计计算方法
确定荷载与基本假设
建立半衬拱结构计算图示
根据基本结构建立典型方程
拱顶截面单位位移和荷载位移计算
拱脚截面位移计算
半拱截面内力计算
选取基本结构
计算关键
计算步骤
基本假定:
a)拱圈向隧道内的变形为自由变形;
b)拱脚处产生角位移和线位移;
c)拱脚处没有径向位移,只有切向位移;
d)对称的垂直分位移对拱圈内力不产生影响;
e)拱脚的转角和切向位移的水平分位移必须考虑。
5.3 隧道结构设计计算方法
计算图示
基本结构
1)圆形结构计算方法 整体结构(自由变形圆环)
5.3 隧道结构设计计算方法
(2) 假定弹性抗力的计算方法
弹性抗力分布:
1)圆形结构计算方法 多铰结构(弹性铰圆环)
5.3 隧道结构设计计算方法
取1/4圆周计算
弹性抗力分布:
基本结构
三种情况
2)曲墙拱形结构的计算
常用于IV~VI级围岩;
拱圈和曲边墙作为一个整体按无铰拱计算;存在“脱离区”和“抗力区”;不考虑仰拱对衬砌内力的影响。
5.3 隧道结构设计计算方法
5.3 隧道结构设计计算方法
确定荷载与基本假设
建立曲墙拱结构计算图示
根据基本结构建立典型方程
拱顶截面单位位移和荷载位移计算
拱脚截面位移计算
最大跨度处荷载位移计算
选取基本结构
计算关键
计算步骤
半拱截面内力计算
5.3 隧道结构设计计算方法
荷载和假设
计算图示
基本结构
弹性抗力分布按布加耶娃假定(二次抛物线)
用3个特征点控制:
-上零点b(脱离区的边界)
与轴线间的夹角采用45°
-下零点a取在墙脚
-最大弹性抗力点h假定在衬
砌最大跨度处,ah≈2/3ab
5.3 隧道结构设计计算方法
由结构和荷载对称条件,以曲臂曲梁为基本结构(赘余力为X1,X2,剪力X3=0);
由拱顶相对转角及水平位移为0的条件,得到典型方程
上述方程中,还包含未知量 ,因此需增加一个方程式。
5.3 隧道结构设计计算方法
典型方程
利用h点的
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