《隧道工程》(第二版)课件-第六章-隧道衬砌结构计算方法.pptx

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第六章隧道衬砌结构计算方法

1概述隧道结构计算理论发展历程及计算模型

2荷载-结构计算法

3地层-结构计算法

4案例

学习要求及重点难点

内容及要求:隧道结构计算理论的发展历程,隧道结构常用的计算模型,隧

道荷载的分类与组合,衬砌结构的内力计算方法。通过本章的学习,应了解

隧道结构的荷载的分类及组合形式,掌握隧道结构荷载-结构法和地层-结构

法的基本原理、分析流程及衬砌结构的强度验算方法。

重点:荷载-结构法和地层-结构法的基本原理、分析流程。

难点:荷载-结构法和地层-结构法的基本原理、计算步骤。

概述隧道结构计算理论发

6.1展历程及计算模型

6.1.1概述

隧道衬砌结构的工程特性、设计原则和方法与地面结构完全不同,隧道承载结构是由周边围

岩和衬砌结构两者共同组成并相互作用的结构体系。各种围岩因具有不同程度的自稳能力,能与

隧道衬砌结构共同承担各类荷载,其承载能力在隧道结构设计时应加以充分利用。隧道衬砌结构

的设计计算必须结合围岩自承能力进行,对隧道衬砌结构的要求除必须保证有足够的净空外,还

要求有足够的强度,以保证结构物在设计使用年限内有可靠的安全性。

抗力区和脱离区

6.1.1概述

19世纪——刚性结构阶段:砖石材料衬砌的拱形圬工结

构,截面尺寸很大,结构受力后的弹性变形很小,将结

构视为刚性结构,荷载为顶部上覆地层的重力,按压力

线理论进行计算。

20世纪初——弹性结构阶段:混凝土和钢筋混凝土材料

的整体性较好,按弹性连续拱形框架以超静定结构力学

方法计算结构内力,荷载来源为围岩的松动压力,并考

虑了地层对结构产生的弹性反力的约束。

围岩与变形的关系

6.1.1概述

自20世纪80年代以来,我国隧道工程结构设计一直依靠经验为主的标准设计和类比设计方法。21世纪

以来,在借鉴、消化和吸收国外“新奥法”“挪威法”“新意法”等理念的基础上,充分结合我国的地形、

地质及气候条件复杂多变的特点,逐渐向半定量和定量的解析设计方法转发,从容许应力法到基于极限状

态的概率可靠度法转变。如张顶立等提出的隧道全变形过程控制设计原理,肖明清等提出的隧道支护结构

设计总安全系数法等。朱永全对隧道结构可靠度分析的几种算法进行了对比,提出Cai二次矩近似计算法,

提高了计算精度。此外,随着盾构机国产化和盾构隧道的快速推广,从大型盾构隧道多体结构的特征出发,

提出了盾构隧道结构整体化分析方法。

6.1.2隧道结构计算模型

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

设计的方法,见下表。经过总结,ITA认为可将其归纳为以下4种模型:

(一)以参照以往隧道工程的实践经验进行工程类比为主的经验设计法。

(二)以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法,例如以洞周位移量测值为根据的收敛-限

制法。

(三)作用-反作用模型,例如对弹性地基圆环和弹性地基框架建立的计算法等。

(四)连续介质模型,包括解析法和数值法。解析法中有封闭解,也有近似解;数值计算法目前

主要是有限单元法、有限差分法、边界元法、离散元法、流形元法和无网格法等。

6.1.2隧道结构计算模型

部分国家地下结构设计中所采用的计算模型

方法

盾构开挖的软土质隧道喷锚钢拱支撑的软土质隧道中硬石质的深埋隧道明挖施工的框架结构

地区

弹性地基圆环,有限元法,收

奥地利弹性地基圆环经验法弹性地基框架

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