第章隧道結(jié)構(gòu)計算二

隧道工程第6章隧道結(jié)構(gòu)計算重慶交通大學隧道及巖土工程系2008年10月本章學習要求：（1）熟悉公路隧道的荷載類型及其隧道結(jié)構(gòu)的計算模型簡化方法；（2）掌握半襯砌和曲墻式襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算方法；（3）了解公路隧道的數(shù)值分析方法。第6章隧道結(jié)構(gòu)計算6.1概述6.2隧道襯砌上的荷載類型及其組合6.3半襯砌的計算6.4曲墻式襯砌計算6.5直墻式襯砌計算6.6襯砌截面強度驗算6.7單元剛度矩陣6.8結(jié)構(gòu)剛度方程6.1概述1、隧道結(jié)構(gòu)環(huán)境及其簡化2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型1、隧道結(jié)構(gòu)環(huán)境及其簡化⑴隧道結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別

隧道結(jié)構(gòu)工程特性、設(shè)計原則和方法與地面結(jié)構(gòu)完全不同⑴隧道結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別●隧道結(jié)構(gòu)是由周邊圍巖和支護結(jié)構(gòu)兩者組成共同的并相互作用的結(jié)構(gòu)體系●周邊圍巖在很大程度上是隧道結(jié)構(gòu)承載的主體

●隧道襯砌的設(shè)計和計算應(yīng)結(jié)合圍巖自承能力進行，保證使用壽限內(nèi)的安全度⑴隧道結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別⑵隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題根據(jù)實際環(huán)境和邊界條件如何簡化對計算結(jié)果影響非常重要根據(jù)實際環(huán)境和邊界條件根據(jù)實際環(huán)境和邊界條件根據(jù)實際環(huán)境和邊界條件⑵隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題⑵隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題●在十九世紀末，隧道襯砌結(jié)構(gòu)是作為超靜定彈性拱計算的，但僅考慮作用在襯砌上的圍巖壓力，忽視了圍巖對襯砌的約束作用●彈性抗力：襯砌在受力過程中的變形，一部分結(jié)構(gòu)有離開圍巖形成“脫離區(qū)”的趨勢，另一部分壓緊圍巖形成所謂“抗力區(qū)”，在抗力區(qū)內(nèi)，約束著襯砌變形的圍巖相應(yīng)地產(chǎn)生被動抵抗力⑵隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題●進入本世紀后，通過長期觀測，發(fā)現(xiàn)圍巖不僅對襯砌施加壓力，同時還約束著襯砌的變形。圍巖對襯砌變形的約束，對改善襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有利，不容忽視⑵隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題⑶局部變形理論和共同變形理論●局部變形理論：是以溫克爾（E.Winkler）假定為基礎(chǔ)的。它認為應(yīng)力和變形之間呈線性關(guān)系，即為圍巖彈性抗力系數(shù)●共同變形理論把圍巖視為彈性半無限體，考慮相鄰質(zhì)點之間變形的相互影響。⑶局部變形理論和共同變形理論人工噴射混凝土的場景2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型

計算模型的如何建立？隧道結(jié)構(gòu)計算如何簡化？不同簡化計算結(jié)果差異大！

2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型

國際隧道協(xié)會(ITA)認為，目前采用的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計方法可以歸納為以下4種設(shè)計模型：●以工程壓類比為消主的經(jīng)驗設(shè)薦計法；●以編現(xiàn)場量果測和試營驗為主蹄的實用絡(luò)設(shè)計燃法●荷載—結(jié)構(gòu)乳模型方法●巖體力目學模型方法口，包謠括解兔析法嫂和數(shù)圈值法追。2、隧道斷結(jié)構(gòu)體漁系的計昨算模型從各國挪的地下馳結(jié)構(gòu)設(shè)奮計實踐柳看，目葛前主要雹采用兩三類計算襯模型：●一類城是以支券護結(jié)衛(wèi)構(gòu)作緊為承災(zāi)載主些體，結(jié)構(gòu)趟力學模宿型，又櫻稱為荷噴載－結(jié)把構(gòu)模型日；●另機一類則沫相反，固視圍巖為慕承載主姿體，支放護結(jié)至構(gòu)則拌為約妙束圍盈巖變盜形的醋模型圓，盡即巖叉體力堂學模擠型或葵稱為群圍巖—結(jié)構(gòu)攔模型宅。6.2隧道襯鬼砌上的墨荷載類彎型1、隧擱道結(jié)養(yǎng)構(gòu)上虜?shù)幕竞苫d2、隧道焦結(jié)構(gòu)上革的荷載糖及其類洽型1、基湯本荷炭載（1）圍巖炊壓力（2）結(jié)構(gòu)棚自重力2、隧袖道結(jié)嚼構(gòu)上葡的荷室載及罪其類斧型按其性康質(zhì)可以蠅區(qū)分為蜘兩大類:●主動懼荷載是主動燦作用于椒結(jié)構(gòu)、識并引起拳結(jié)構(gòu)變衰形的荷萌載；●被動荷裁載是因結(jié)鐘構(gòu)變形毫壓縮圍磁巖而引歌起的圍缺巖被動迅抵抗力鎖，即彈霧性抗力捷，它對盟結(jié)構(gòu)變椅形起限磁制作用爆。2、隧道筋結(jié)構(gòu)上刷的荷載末及其類峽型《公路隧喂道設(shè)計求規(guī)范》J贏TG剝D汽70百-2懂00腎4將隧道練結(jié)構(gòu)上醫(yī)荷載仿揉照橋規(guī)夠分為：●永久墊荷載●可變荷作載●偶然判荷載編號荷載類型荷載名稱1永久荷載（恒載）圍巖壓力2結(jié)構(gòu)自重力3填土壓力水壓力4混凝土收縮和徐變影響力5可變荷載基本可變荷載公路車輛荷載，人群荷載6立交公路車輛荷載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力7

立交鐵路列車活載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力8其它可變荷載立交渡槽流水壓力9溫度變化的影響力10凍脹力施工荷載11偶然荷載落石沖擊力12地震力隧規(guī)P2批8：表6.1卸.1作用在么隧道結(jié)址構(gòu)上的擱荷載荷載高組合斧：●結(jié)構(gòu)自啊重＋圍蹦巖壓力兆＋附加鍵恒載（基阿本）●結(jié)構(gòu)薯自重吼＋土極壓力納＋公肌路荷筆載＋炮附加浙恒載●結(jié)構(gòu)腎自重斗＋土局壓力戀＋附墊加恒葵載＋補施工嶼荷載＋溫襯度作巴用力●結(jié)構(gòu)會自重逗＋土葬壓力第＋附特加恒轟載＋交地震翁作用附加恒行載：伴若隨隧道懷運營的炊各種設(shè)話備設(shè)施孤的荷載氧等。6.3半襯砌叼的計算拱圈緣瑞直接若支承便在隧領(lǐng)道圍悉巖側(cè)韻壁上共時，分稱為破半襯陸砌●適合錫于堅殘硬和滅較完澡整的倉圍巖(Ⅱ、Ⅲ級)；6.潔3半襯砌削的計算⑴在垂憶直荷臨載作逼用下異拱圈擇向隧明道內(nèi)抽變形醋為自由赴變形，不妨產(chǎn)生捧彈性黑抗力艙；1、基弦本假疑定⑵拱腳產(chǎn)釣生角位移竹和線位眨移，并使陪拱圈內(nèi)惑力發(fā)生杠改變，優(yōu)計算中城除按固滿端無鉸菊拱考慮訪外，還齊必須考聲慮拱腳甩位移的或影響⑶拱腳沒有引徑向的位移，只有痕切向位送移；⑷對稱惡的垂蠶直分閃位移絞對拱柿圈內(nèi)鮮力不憤產(chǎn)生楚影響麻；⑸拱腳的甲轉(zhuǎn)角胃和切向問位移的蘆水平分徐位移留是必須箭考慮的1、基勵本假嗽定2、基批本結(jié)危構(gòu)式中士：柳是叉單位膚變位賭，即室在基弟本結(jié)中構(gòu)上帳，因襲作用麻時，故在翅方向榜上所悠產(chǎn)生屆的變批位；穩(wěn)為荷原載變酒位，伙即基止本結(jié)剖構(gòu)因悶外荷煤載作發(fā)用，負在碼方順向的半變位懷；f為拱圈聰?shù)氖父呔G；3、正則著方程2、單位屬變位及燦荷載變踏位的計獸算由結(jié)抵構(gòu)力寫學求巾變位癥的方污法（購軸向提力與岔剪力渠影響提忽略醬不計塘）知剖道：2、單位色變位及上荷載變惰位的計扭算在很多詞情況下饅，襯砌捐厚度是線改變的峰，給積紀分帶來源不便，協(xié)這時可街將拱圈叢分成偶柱數(shù)段，貓用拋物少線近似駝積分法級代替。3、拱腳墾位移計役算⑴單鑼位力矩匪作用時⑵單位監(jiān)水平基力作彼用時單位水追平力可縮慧以分解憂為軸向凱分力混和切舊向分力也，計劃算時只弟需考慮藥軸向分魂力的影飾響，作雅用在圍暖巖表面數(shù)的均布協(xié)應(yīng)力麥和拱郊腳產(chǎn)生看的均勻仍沉陷嚷為：的水須平投到影即惠為點a的水平志位移與，均散勻沉陷撓時拱腳界截面不蠅發(fā)生轉(zhuǎn)住動，則鼻有：（3）犬外荷孟載作美用時在外嗎荷載索作用閘下，拘基本箭結(jié)構(gòu)尋中拱曬腳點殘?zhí)幃a(chǎn)隆生彎俊矩沸和軸蘇向力威，栗如圖計所示堡，拱值腳截總面的搖轉(zhuǎn)角士和壞水平技位移申為耳：(4)拱腳普位移拱腳夫的最架終轉(zhuǎn)麗角值和群水平餡位移餐可分魔別考苦慮和外體荷載嗚的影衫響，鋤按疊淹加原懶理求繞得，鞭可表譯示為涼：4拱圈遣截面次內(nèi)力將以挎上兩覆組方嫩程代艙入正益則方雀程可甘得：令則任意叫截面處私的內(nèi)力振為6.賤4曲墻匙式襯寬砌計擦算6.胡4曲墻式追襯砌計僻算●常疏用于Ⅳ～Ⅵ級圍巖掠；●拱窗圈和曲搜邊墻作沖為一個揪整體按責無鉸拱全計算估；●施攀工時仰選拱是在恒無鉸拱誼業(yè)已受真力之后蝴修建的如，不考訴慮仰拱浸對襯砌缸內(nèi)力的陜影響湊；1計算假索設(shè)⑴在籃主動荷牌載作用背下，頂粥部襯砌勿向隧道從內(nèi)變形疏而形成潮脫離區(qū)淚，兩側(cè)顫襯砌向珍圍巖方孝向變形乓，引起稀圍巖對煌襯砌的侵被動彈嬸性抗力⑵上春零點b（即脫浮離區(qū)與意抗力區(qū)奮的分界介點）與捐襯砌垂色直對稱饞中線的雁夾角假帶定為⑶下迷零點a在墻腳⑷最大抗俱力點h假定發(fā)年生在最動大跨度兩處附近如，計算話時一般述取鑰為簡次化計算肉可假定攝在分段性的接縫憑上。⑸抗覽力圖形胸的分布凈假定為友二次拋旬物線bh段：ha段：⑹忽略襯講砌與圍悲巖之間覽的摩擦縮慧力⑺墻偏腳支承合在彈性漆巖體上寸，可發(fā)屋生轉(zhuǎn)動軍和垂直姐位移(無水平包位移)2、主潑動荷政載作蝴用下音的力央法方賞程和畫襯砌陰內(nèi)力式中蟻為妹墻底位行移。分揪別計算罪和選外荷載否的影響根，然后務(wù)按照疊療加原理皺相加得黨到2、主動麗荷載作毛用下的威力法方爭程和襯揉砌內(nèi)力由于墻糧底無水上平位移失，故式中：耽是驗基本結(jié)仰構(gòu)的單舍位位移醋和主動科荷載位挑移；健是墻底候單位轉(zhuǎn)棗角；剛為基告本結(jié)構(gòu)剝墻底的鴨荷載轉(zhuǎn)麗角；f為襯款砌的督矢高意。求得籌后蓋，在刪主動朗荷載飼作用桐下，捎襯砌毫內(nèi)力納即可緩計算濟：在具欄體進窄行計憂算時蛛，還歐需進問一步尾確定伙被動李抗力湖的大伯小，孟這需臂要利錘用最慈大抗?jié)O力點h處的奴變形問協(xié)調(diào)略條件輔。3、最性大抗瀉力值全的計態(tài)算●先追求出桃和●變聞位由絨兩部讓分組秧成，休即結(jié)識構(gòu)在窮荷載喬作用麻下的澆變位業(yè)和因土墻底蛙變位逢（轉(zhuǎn)怖角）行而產(chǎn)泳生的總變位沾之和●h點所族對應(yīng)堵的粉，合則該酷點的頁徑向戚位移鞏約等搜于水晴平位鑄移●拱窯頂截面值的垂直藍位移對h點徑向鑒位移的鋒影響可辟以忽略翅不計按照結(jié)形構(gòu)力學顯方法，郵在h點加兄一單扯位力匙，可濱以求堵得清和4、在豬單位孟抗力屆作用窩下的乓內(nèi)力將抗蛛力圖還視尾為外凳荷載對單獨紅作用緊時，撐未知婦力蘭及撇可坡以參軟照蘭及餅的求凈法得攜出4、在單營位抗力記作用下豈的內(nèi)力解出創(chuàng)及萍后輛，即明可求旗出襯鄙砌在院單位潑抗力懼圖為隙荷載決單獨舞作用愁下任泥一截白面內(nèi)膨力：5、襯禍砌最緞終內(nèi)吹力計眼算及溪校核佩計算拜結(jié)果頓的正即確性襯砌轉(zhuǎn)任一茫截面未最終賄內(nèi)力奮值可開利用皂疊加呼原理鑼求得畏：校核仔計算坑結(jié)果半正確浸性時使，可貌以利翅用拱脈頂截碌面轉(zhuǎn)樂角和犬水平桐位移叛為零鋼條件股和最徹大抗拒力點a的位移爽條件：式中憲是屬墻底炊截面割最終島轉(zhuǎn)角，6.辱5直墻休式襯顆砌計搬算6.5直墻演式襯四砌計統(tǒng)算1、計門算原支理⑴拱嫂圈按彈性無唇鉸拱計算，瞞邊墻按彈性謠地基隆上的孫直梁計算積，并脊考慮塘邊墻罰與拱乳圈之顆間的羅相互演影響只；⑵邊萬墻支承找拱圈并陵承受圍遞巖壓力飲；⑶拱歌腳區(qū)段冰的彈性蔑抗力為喘二次拋棉物線分概布位于45o～55o之間⑷該Wi遠nk蠅le討r假定成未立，即⑸煉拱腳或位移題考慮橋邊墻視頂變蝴位的饞影響2、邊墻屠的計算——彈性地維基上的簡直梁⑴屠直邊機墻計驢算分向類：●肆剛性邊狂墻●敵短邊絡(luò)墻●伏長邊墻⑵邊墻為債短梁的回計算：短梁的概一端受祥力及變肌形對另支一端有醒影響，旺計算墻滲頂變位選時，要鞭考慮到微墻腳的組受力和鬼變形的光影響?！駢攤趩蚊}位彎耳矩優(yōu)單獨揉作用卷下，練墻頂侵的轉(zhuǎn)阿角豬和水歐平位未移膊為●墻頂密在單最位水愈平力=1單獨作霞用下，廳墻頂位弦移為海和慚為●在主動昌側(cè)壓力撈（梯形糕荷載）編作用下雕，墻頂普位移勒為：其中為基儲底彈掛性抗?jié)B力系攝數(shù)；k是側(cè)傷向彈守性抗吉力系眨數(shù)；撕是基突底作傲用有五單位廢力矩裙時所抱產(chǎn)生揮的轉(zhuǎn)肚角；h為邊枕墻的聾側(cè)面膝高度喘；最后結(jié)砍果為：⑶長邊墻打計算——彈性胳地基祥上的惠半無旨限長公梁，餅墻頂飼受力蠢與墻稼底無襲關(guān)，曠上述毅公式盡可得浮到一霉定的圈簡化含。墻項汁單位崖位移雙可以神簡化徑為：⑷邊墻為蘿剛性梁●近似頂作為竄彈性占地基濃上的耀絕對績剛性拉梁，派近似鴉認為旬（即你）●邊墻本攏身不產(chǎn)挎生彈性膜變形，夢在外力遷作用下乒只產(chǎn)生雄剛體位荷移，墻輛頂處為念最大值挑為：稱為兩剛討性墻帆的綜警合轉(zhuǎn)澡動慣勸量，洲因而板墻側(cè)膀面的撞轉(zhuǎn)角牲為：6.噴6襯砌截弟面強度駐驗算1、襯砌補結(jié)構(gòu)檢垃算目前我蕉國公路置隧道設(shè)西計規(guī)范虹規(guī)定，云隧道襯煤砌和明足洞應(yīng)按碗破損階沒段檢算咱構(gòu)件截居面強度。結(jié)構(gòu)抗裂有要求限時，對見混凝土商構(gòu)件進啞行抗裂叫驗算。2、偏心栗受壓構(gòu)圍件的極插限承載晶能力，適計算截枝面的抗窩壓（或合抗拉）欣強度安單全系數(shù)K。檢查夜是否滿鎖足規(guī)范曾所要求辨的數(shù)值障，即：式中：君是截面扔的極限瓶承載能剛力；師為截誘面的實囑際內(nèi)力(軸向力);是規(guī)范花所規(guī)定漢的強度撥安全系份數(shù)，見域下表混凝第土和判砌體塵結(jié)構(gòu)子的強雀度安昌全系濕數(shù)圬工種類混凝土砌體荷載組合永久荷載+基本可變荷載永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載永久荷載+基本可變荷載永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載混凝土或砌體達到抗壓極限強度2.42.02.72.3混凝土達到抗拉極限強度3.63.0鋼筋混蝕凝土結(jié)皮構(gòu)的強芝度安全爽系數(shù)荷載組合永久荷載+基本可變荷載永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載鋼筋達到設(shè)計強度或混凝土達到抗壓或抗剪極限強度2.01.7混凝土達到抗拉極限強度2.42.03、抗裂決要求：⑴當勞時，按夸抗拉強爽度控制奮承載能語力，并峽用下式慮計算：⑵對隧道債襯砌和銹明洞的雷混凝土匆偏心受碌壓構(gòu)件棉的軸向涂力偏心簽距限制電為：不碑宜大于0.4駛