《隧道结构计算》.ppt

隧道工程;第六章 隧道结构计算;6.1 概述 1、引言 ⑴ 隧道结构与地面结构的区别 隧道结构工程特性、设计原则和方法与地面结构完全不同 ● 隧道结构是由周边围岩和支护结构两者组成共同的并相互作用的结构体系；； ● 周边围岩在很大程度上是隧道结构承载的主体； ● 隧道衬砌的设计计算必须结合围岩自承能力进行； ● 对不同型式衬砌结构物应该用不同方法进行强度计算。 ;⑵ 隧道结构计算的简化问题 ● 在十九世纪末，隧道衬砌结构是作为超静定弹性拱计算的，但仅考虑作用在衬砌上的围岩压力，忽视了围岩对衬砌的约束作用 ● 弹性抗力：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”，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 ● 进入本世纪后，通过长期观测，发现围岩不仅对衬砌施加压力，同时还约束着衬砌的变形。围岩对衬砌变形的约束，对改善衬砌结构的受力状态有利，不容忽视。 ;⑶ 局部变形理论和共同变形理论 ● 局部变形理论：是以温克尔(E.Winkler)假定为基础的。它认为应力和变形之间呈直线关系，即围岩弹性抗力系数 ● 共同变形理论把围岩视为弹性半无限体，考虑相邻质点之间变形的相互影响。它用纵向变形系数E和横向变形系数表示地层特征，并考虑粘结力C和内摩擦角的影响。 ;2、隧道结构体系的计算模型 经过总结，国际隧道协会(ITA) 认为，目前采用的地下结构设计方法可以归纳为以下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； ● 以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法 ● 作用与反作用模型，即荷载—结构模型 ● 连续介质模型，包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法。 ; 从各国的地下结构设计实践看，目前，在设计隧道的结构体系时，主要采用两类计算模型 ● 一类是以支护结构作为承载主体，围岩作为荷载同时考虑其对支护结构的变形约束作用的模型，即结构力学模型，又称为荷载一结构模型 ； ● 另一类则相反，视围岩为承载主体，支护结构则为约束围岩变形的模型 ，即岩体力学模型或称为围岩—结构模型或复合整体模型。;6.2 隧道衬砌上的荷载类型及其组合 1、基本荷载 围岩压力与结构自重力是隧道结构计算的基本荷载 2、隧道结构上的荷载及其类型 作用在衬砌上的荷载，按其性质也可以区分为主动荷载与被动荷载。 ● 主动荷载是主动作用于结构、并引起结构变形的荷载； ● 被动荷载是因结构变形压缩围岩而引起的围岩被动抵抗力，即弹性抗力，它对结构变形起限制作用。;;6.3 半衬砌的计算 拱圈直接支承在坑道围岩侧壁上时，称为半衬砌 ● 适合于坚硬和较完整的围岩(Ⅱ、Ⅲ级)中 ● 用先拱后墙法施工时，在拱圈已作好，但马口尚未开挖前，拱圈也处于半衬砌工作状态 ;1、计算图式、基本结构及正则方程 ⑴ 在垂直荷载作用下拱圈向坑道内变形，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 假定拱脚没有径向位移，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;正则方程式;2、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）知道：;3、拱脚位移计算 ⑴ 单位力矩作用时;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，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： ;;6.4 曲墙式衬砌计算 ● 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 ● 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 计算图式 ⑴ 在主动荷载作用不，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 ⑵ 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 ;⑶ 下零点a在墙脚 ⑷ 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。 ⑸ 抗力图形的分布假定为二次抛物线 ;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