隧道衬砌设计与计算演示课件.pptx

第5章 隧道衬砌结构计算;5.1 概述;一、简况;2、弹性抗力的确定 衬砌在受力过程中的变形，一部分结构有离开围岩形成“脱离区”的趋势，另一部分压紧围岩形成所谓“抗力区’(如图5-1所示)。在抗力区内，约束着衬砌变形的围岩，相应地产生被动抵抗力，即“弹性抗力” 弹性抗力因围岩性质、围岩压力大小和结构变形的不同而异。但是对这个问题有不同的见解，即局部变形理论和共同变形理论。;图5-1;局部变形理论;共同变形理论; 国际隧道协会(ITA)在1987年成立了隧道结构设计模型研究组，收集和汇总了各会员国采用的地下结构设计方法。经过总结，国际隧道协会认为，目前采用的地下结构设计方法可以纳为以下4种设计模型: 以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主的经验设计法; 以现场量测和试验为主的实用设计方法; 荷载一结构模型。将围岩对结构的作用简化为荷载作用于结构上进行计算; 连续介质模型，将围岩和结构作为整体进行计算。包括解析法和数值法，数值计算法前主要是有限单元法，也可利用各种有限元软件来计算。; 从各国的地下结构设计实践看，主要采用上述后两类计算模型，荷载-结构计算模型主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承担围岩“松动”压力的情况。利用这类模型进行隧道支护结构设计的关键问题，是如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最主要的是围岩所产生的松动压力，以及弹性支承给支护结构的弹性抗力。一旦这两个问题解决了，剩下的就只是运用普通结构力学方法求出超静定结构的内力和位移了。属于这一类模型的计算方法有: 弹性连续框架(含拱形) 法、假定抗力法和弹性地基梁(含曲梁和圆环) 法等都可属于荷载-结构法。;3.隧道衬砌荷载及其类型 ;《公路隧道设计规范》JTG D70-2004中在对隧道结构进行计算时，《列出了荷载类型，（如表5-1所示）并按其可能出现的最不利组合考虑。;表5-2 各级 围岩弹性抗力系数表;地层结构法 设计原理：将衬砌和地层视为整体共同受力的统一体系，在满足变形协调的前提下分别计算衬砌与地层的内力，据以验算地层的稳定性和进行结构截面设计。 ;5.2 半衬砌的计算;半衬砌：拱圈直接支承在坑道围岩侧壁（如图5-4所示） 常用于坚硬、较完整的围岩（Ⅱ、Ⅲ级）。 用先拱后墙法施工时，在拱圈已做好，但马口尚未开挖前，拱圈也处于半衬砌工作状态 ;1、基本假定 ⑴ 在垂直荷载作用下拱圈向隧道内变形为自由变形，不产生弹性抗力 ； ⑵ 拱脚产生角位移和线位移，并使拱圈内力发生改变，计算中除按固端无铰拱考虑外，还必须考虑拱脚位移的影响 ⑶ 拱脚没有径向位移，只有切向位移； ⑷ 对称的垂直分位移对拱圈内力不产生影响； ⑸ 拱脚的转角 和切向位移的水平分位移 是必须考虑的;3、正则方程（拱顶切开处截面相对位移为0）;4、单位变位及荷载变位的计算 由结构力学求变位的方法（轴向力与剪力影响忽略不计）得知：;;图5-5;;?;⑵ 单位水平力作用时 单位水平力可以分解为轴向分力 和切向分力 ，计算时只需考虑轴向分力的影响，（见图5-7）作用在围岩表面的均布应力 和拱脚产生的均匀沉陷 为：;;(4) 拱脚位移 拱脚的最终转角 和水平位移 可分别考虑 和外荷载的影响，按叠加原理求得，可表示为： ;;;5.3 曲墙式衬砌计算;曲墙式衬砌常用于Ⅳ～Ⅵ级围岩； 拱圈和曲边墙作为一个整体按无铰拱计算； 施工时仰拱是在无铰拱业已受力之后修建的，不考虑仰拱对衬砌内力的影响 ；;1. 计算假设 在主动荷载作用下，顶部衬砌向隧道内变形而形成脱离区，两侧衬砌向围岩方向变形，引起围岩对衬砌的被动弹性抗力 （1） 上零点b（即脱离区与抗力区的分界点）与衬砌垂直对称中线的夹角假定为 （2） 下零点a在墙脚 ;（3） 最大抗力点h假定发生在最大跨度处附近，计算时一般取 为简化计算可假定在分段的接缝上。 （4） 抗力图形的分布假定为两段二次抛物线 （5） 忽略衬砌与围岩之间的摩擦力 （6） 墙脚支承在弹性岩体上，可发生转动和垂直位移(无水平位移) ;2 、主动荷载作用下的力法方程和衬砌内力;;求得 后，在主动荷载作用下，衬砌内力即可计算：;;3、最大抗力值的计算 先求出 和 变位由两部分组成，即结构在荷载作用下的变位和因墙底变位（转角）而产生的变位之和 ;● h点所对应的 ，则该点的径向位移约等于水平位移 ● 拱顶截面的垂直位移对h点径向位移的影响可以忽略不计 按照结构力学方法，在h点加一单位