隧道工程第6章隧道结构计算.ppt
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1、重庆交通大学 隧道及岩土工程系2006年10月学习本课程的目的:学习本课程的目的:(1 1)要求掌握有关公路隧道的勘查、)要求掌握有关公路隧道的勘查、设设计计、构造原理和有关、构造原理和有关计算方法计算方法;(2 2)理解公路隧道围岩稳定性的影响因)理解公路隧道围岩稳定性的影响因素及其与施工方法的关系;素及其与施工方法的关系;(3 3)了解公路隧道工程施工组织管理。)了解公路隧道工程施工组织管理。第第6 6章章 隧道结构计算隧道结构计算6.1 6.1 概述概述6.2 6.2 隧道衬砌上的荷载类型及其组合隧道衬砌上的荷载类型及其组合6.3 6.3 半衬砌的计算半衬砌的计算6.4 6.4 曲墙式衬
2、砌计算曲墙式衬砌计算6.5 6.5 直墙式衬砌计算直墙式衬砌计算6.6 6.6 衬砌截面强度验算衬砌截面强度验算6.7 6.7 单元刚度矩阵单元刚度矩阵6.8 6.8 结构刚度方程结构刚度方程6.1 6.1 概述概述1 1、引言、引言2 2、隧道结构体系的计算模型、隧道结构体系的计算模型1 1、引、引 言言 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 隧道结构与地面结构的区别 隧道衬砌的设计计算必须结合围岩自承能力进行,隧道衬砌
3、除必须保证有足够的净空外,还要求有足够的强度,以保证在使用寿限内结构物有可靠的安全度 对不同型式的衬砌结构物应用不同方法进行强度计算 隧道结构计算的简化问题隧道结构计算的简化问题 根据实际环境和边界条件根据实际环境和边界条件 如何如何简化非常重要简化非常重要 隧道结构计算的简化问题隧道结构计算的简化问题 隧道结构计算的简化问题 在十九世纪末,隧道衬砌结构是在十九世纪末,隧道衬砌结构是作为作为超静定弹性拱超静定弹性拱计算的,但仅考虑计算的,但仅考虑作用在衬砌上的围岩压力,忽视了围作用在衬砌上的围岩压力,忽视了围岩对衬砌的约束作用岩对衬砌的约束作用 隧道结构计算的简化问题隧道结构计算的简化问题 弹
4、性抗力弹性抗力:衬砌在受力过程中的:衬砌在受力过程中的变形,一部分结构有离开围岩形成变形,一部分结构有离开围岩形成“脱离区脱离区”的趋势,另一部分压紧围岩的趋势,另一部分压紧围岩形成所谓形成所谓“抗力区抗力区”,在抗力区内,在抗力区内,约束着衬砌变形的围岩相应地产生被约束着衬砌变形的围岩相应地产生被动抵抗力动抵抗力 隧道结构计算的简化问题隧道结构计算的简化问题 进入本世纪后,通过长期观测,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,同发现围岩不仅对衬砌施加压力,同时还时还约束着衬砌的变形约束着衬砌的变形。围岩对衬。围岩对衬砌变形的约束,砌变形的约束,对改善衬砌结构的对改善衬砌结构的
5、受力状态有利受力状态有利,不容忽视,不容忽视 局部变形理论和共同变形理论局部变形理论和共同变形理论 局部变形理论:是以温克尔局部变形理论:是以温克尔(E.Winkler)假定为基础的。它认假定为基础的。它认为应力和变形之间呈为应力和变形之间呈线性关系线性关系,即为,即为围岩弹性抗力系数围岩弹性抗力系数 局部变形理论和共同变形理论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共同变形理论把围岩视为弹性半无限体,无限体,考虑相邻质点之间变形的相考虑相邻质点之间变形的相互影响互影响。它用纵向变形系数。它用纵向变形系数E E和横向和横向变形系数表示地层特征,并考虑粘结变形系数表示地层特征,并
6、考虑粘结力力C C和内摩擦角的影响。和内摩擦角的影响。2 2、隧道结构体系的计算模型、隧道结构体系的计算模型 计算模型的如何建立?计算模型的如何建立?隧道结构计算如何简化?隧道结构计算如何简化?不同简化计算结果差异大!不同简化计算结果差异大!2 2、隧道结构体系的计算模型、隧道结构体系的计算模型 国际隧道协会国际隧道协会(ITA)(ITA)在在19871987年成年成立了隧道结构设计模型研究组,收集立了隧道结构设计模型研究组,收集和汇总了各会员国目前采用的地下结和汇总了各会员国目前采用的地下结构设计方法。经过总结,国际隧道协构设计方法。经过总结,国际隧道协会认为,目前采用的地下结构设计方会认为
7、目前采用的地下结构设计方法可以归纳为以下法可以归纳为以下4 4种设计模型种设计模型:2 2、隧道结构体系的计算模型、隧道结构体系的计算模型 以工程类比为主的以工程类比为主的经验设计法经验设计法;以现场量测和实验室试验为主的以现场量测和实验室试验为主的实用实用设计方法设计方法 荷载荷载结构模型结构模型方法方法 岩体力学模型岩体力学模型方法,包括解析法和数方法,包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法。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,目前主要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:采用两类计算模型:一类是一类是以支护结构作为承载主体以支护
8、结构作为承载主体,围岩作为,围岩作为荷载同时考虑其对支护结构的变形约束作用的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,又称为荷载结构模模型,即结构力学模型,又称为荷载结构模型型 ;另一类则相反,视另一类则相反,视围岩为承载主体围岩为承载主体,支护结,支护结构则为约束围岩变形的模型构则为约束围岩变形的模型 ,即岩体力学模型,即岩体力学模型或称为围岩或称为围岩结构模型。结构模型。6.2 6.2 隧道衬砌上的荷载类型隧道衬砌上的荷载类型 及其组合及其组合1 1、隧道结构上的、隧道结构上的基本荷载基本荷载2 2、隧道结构上的荷载及其类型、隧道结构上的荷载及其类型1 1、基本荷载、基
9、本荷载 (1 1)围岩压力)围岩压力 (2 2)结构自重力)结构自重力2 2、隧道结构上的荷载及其类型、隧道结构上的荷载及其类型 作用在衬砌上的荷载,按其性质可以作用在衬砌上的荷载,按其性质可以区分为主动荷载与被动荷载两大类。区分为主动荷载与被动荷载两大类。主动荷载主动荷载是主动作用于结构、并引起是主动作用于结构、并引起结构变形的荷载;结构变形的荷载;被动荷载被动荷载是因结构变形压缩围岩而引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。结构变形起限制作用。2 2、隧道结构上的荷载及其类型、隧道结构上的荷载及其类型 公路隧道设
10、计规范公路隧道设计规范JTG D70-2004JTG D70-2004将隧将隧道结构上荷载仿照桥规分为:道结构上荷载仿照桥规分为:永久荷载永久荷载 可变荷载可变荷载 偶然荷载偶然荷载编号编号荷载类型荷载类型荷荷 载载 名名 称称1 1永久荷载永久荷载(恒载)(恒载)围岩压力围岩压力2 2结构自重力结构自重力3 3填土压力填土压力 水压力水压力4 4混凝土收缩和徐变影响力混凝土收缩和徐变影响力5 5可可变变荷荷载载基本基本可变可变荷载荷载公路车辆荷载,人群荷载公路车辆荷载,人群荷载6 6立交公路车辆荷载及其所产生的冲击力和土压力立交公路车辆荷载及其所产生的冲击力和土压力7 7 立交铁路列车活载及
11、其所产生的冲击力和土压力立交铁路列车活载及其所产生的冲击力和土压力8 8其它其它可变可变荷载荷载立交渡槽流水压力立交渡槽流水压力9 9温度变化的影响力温度变化的影响力1010冻胀力冻胀力 施工荷载施工荷载1111偶然偶然荷载荷载落石冲击力落石冲击力1212地震力地震力隧规隧规P28P28:表:表6.1.1 6.1.1 作用在隧道结构上的荷载作用在隧道结构上的荷载 荷载组合:荷载组合:结构自重围岩压力附加恒载结构自重围岩压力附加恒载(基本)(基本)结构自重土压力公路荷载附加恒载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结构自重土压力附加恒载施工荷载 温度作用力温度作用力 结构
12、自重土压力附加恒载地震作用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。附加恒载:伴随隧道运营的各种设备设施的荷载等。6.3 6.3 半衬砌的计算半衬砌的计算 拱圈直接支承在隧道围岩侧壁上拱圈直接支承在隧道围岩侧壁上时,称为半衬砌时,称为半衬砌6.3 6.3 半衬砌的计算半衬砌的计算 适合于坚硬和较完整的围岩适合于坚硬和较完整的围岩(、级级);用先拱后墙法施工时,在拱圈已作好,但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马口尚未开挖前,拱圈也处于半衬砌工作状态 1 1、基本假定、基本假定 在垂直荷载作用下拱圈向隧道内变形为在垂直荷
13、载作用下拱圈向隧道内变形为自自由变形由变形,不产生弹性抗力,不产生弹性抗力 ;拱脚产生拱脚产生角位移和线位移角位移和线位移,并使拱圈内力,并使拱圈内力发生改变,计算中除按固端无铰拱考虑外,还发生改变,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必须考虑拱脚位移的影响 拱脚拱脚没有径向位移没有径向位移,只有切向位移;,只有切向位移;对称的垂直分位移对拱圈内力不产生影响;对称的垂直分位移对拱圈内力不产生影响;拱脚的转角拱脚的转角 和切向位移的水平分位移和切向位移的水平分位移 是必须考虑的是必须考虑的2 2、基本结构、基本结构 式中:式中:是单位变位,即在基本结构上,是单位变位,即在基本结构
14、上,因作用时,在因作用时,在 方向上所产生的变位;方向上所产生的变位;为荷为荷载变位,即基本结构因外荷载作用,在载变位,即基本结构因外荷载作用,在 方向方向的变位;的变位;f f为拱圈的矢高;为拱圈的矢高;拱脚截面的最拱脚截面的最终转角和水平位移。终转角和水平位移。3 3、正则方程、正则方程 2 2、单位变位及荷载变位的计算、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:影响忽略不计)知道:2 2、单位变位及荷载变位的计算、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,在很多情况下,衬砌厚度是改变的,给积分带来
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