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  1. 隧道工程 第6章 隧道结构计算 重庆交通大学 隧道及岩土工程系 2008年10月

  2. 本章学习要求: (1)熟悉公路隧道的荷载类型及其隧道结构的计算模型简化方法; (2)掌握半衬砌和曲墙式衬砌结构内力计算方法; (3)了解公路隧道的数值分析方法。

  3. 第6章 隧道结构计算 6.1 概述 6.2 隧道衬砌上的荷载类型及其组合 6.3 半衬砌的计算 6.4 曲墙式衬砌计算 6.5 直墙式衬砌计算 6.6 衬砌截面强度验算 6.7 单元刚度矩阵 6.8 结构刚度方程

  4. 6.1 概述 1、隧道结构环境及其简化 2、隧道结构体系的计算模型

  5. 1、隧道结构环境及其简化 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

  6. ⑴ 隧道结构与地面结构的区别 ● 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

  7. ⑴ 隧道结构与地面结构的区别 ● 隧道衬砌的设计和计算应结合围岩自承能力进行,保证使用寿限内的安全度

  8. ⑵ 隧道结构计算的简化问题 根据实际环境和边界条件 如何简化对计算结果影响非常重要

  9. 根据实际环境和边界条件

  10. 根据实际环境和边界条件

  11. 根据实际环境和边界条件

  12. ⑵ 隧道结构计算的简化问题

  13. 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

  14. ⑵ 隧道结构计算的简化问题 ● 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

  15. ⑵ 隧道结构计算的简化问题 ● 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

  16. 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线性关系,即为围岩弹性抗力系数

  17. ⑶ 局部变形理论和共同变形理论 ● 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。

  18. 人工喷射混凝土的场景

  19. 2、隧道结构体系的计算模型 计算模型的如何建立? 隧道结构计算如何简化? 不同简化计算结果差异大!

  20. 2、隧道结构体系的计算模型 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:

  21. 2、隧道结构体系的计算模型 ● 以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法 ● 荷载—结构模型方法 ● 岩体力学模型方法,包括解析法和数值法。

  22. 从各国的地下结构设计实践看,目前主要采用两类计算模型:从各国的地下结构设计实践看,目前主要采用两类计算模型: ● 一类是以支护结构作为承载主体,结构力学模型,又称为荷载-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。

  23. 6.2 隧道衬砌上的荷载类型 1、隧道结构上的基本荷载 2、隧道结构上的荷载及其类型

  24. 1、基本荷载 (1)围岩压力 (2)结构自重力

  25. 2、隧道结构上的荷载及其类型 按其性质可以区分为两大类: ● 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。

  26. 2、隧道结构上的荷载及其类型 《公路隧道设计规范》JTG D70-2004将隧道结构上荷载仿照桥规分为: ● 永久荷载 ● 可变荷载 ● 偶然荷载

  27. 隧规P28:表6.1.1 作用在隧道结构上的荷载

  28. 荷载组合: ● 结构自重+围岩压力+附加恒载(基本) ● 结构自重+土压力+公路荷载+附加恒载 ● 结构自重+土压力+附加恒载+施工荷载 +温度作用力 ● 结构自重+土压力+附加恒载+地震作用 附加恒载:伴随隧道运营的各种设备设施的荷载等。

  29. 6.3 半衬砌的计算 拱圈直接支承在隧道围岩侧壁上时,称为半衬砌

  30. 6.3 半衬砌的计算 ● 适合于坚硬和较完整的围岩(Ⅱ、Ⅲ级);

  31. 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

  32. 1、基本假定 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

  33. 2、基本结构

  34. 3、正则方程 式中: 是单位变位,即在基本结构上,因作用时,在 方向上所产生的变位; 为荷载变位,即基本结构因外荷载作用,在 方向的变位;f为拱圈的矢高;

  35. 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:

  36. 2、单位变位及荷载变位的计算 在很多情况下,衬砌厚度是改变的,给积分带来不便,这时可将拱圈分成偶数段,用抛物线近似积分法代替。

  37. 3、拱脚位移计算 ⑴ 单位力矩作用时

  38. 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: 的水平投影即为点a的水平位移 ,均匀沉陷时拱脚截面不发生转动,则有:

  39. (3) 外荷载作用时 在外荷载作用下,基本结构中拱脚点处产生弯矩 和轴向力 ,如图所示,拱脚截面的转角 和水平位移 为:

  40. (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:

  41. 4 拱圈截面内力 将以上两组方程代入正则方程可得:

  42. 则任意截面处的内力为

  43. 6.4 曲墙式衬砌计算

  44. 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 ;

  45. 1 计算假设 ⑴ 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 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

  46. 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 bh段: ha段: