隧道工程(第5章-2)课案.ppt

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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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