衬砌设计讲稿PPT学习教案

1、会计学1 衬砌设计讲稿衬砌设计讲稿 1.1.2 1.1.2 衬砌的结构形式衬砌的结构形式 第1页/共75页 第2页/共75页 2）厚拱薄墙衬砌结构 在中硬岩层中，拱顶 所受的力可通过拱脚大 部分传给岩体，充分利 用岩石的强度，使边墙 所受的力大为减少，从 而减少边墙的厚度，形 成厚拱薄墙结构。这种 结构适宜于在水平压力 较小，且稳定性较好的 围岩中。 第3页/共75页 3）直墙拱形衬砌结构 在一般或较差岩层中 的隧道结构，通常是拱顶 与边墙浇筑在一起，形成 一个整体结构，即直墙拱 形结构。这是一种广泛应 用的隧道结构形式。 第4页/共75页 第5页/共75页 第6页/共75页 第7页/共75页

2、 第8页/共75页 第9页/共75页 第10页/共75页 第11页/共75页 第12页/共75页 第13页/共75页 第14页/共75页 第15页/共75页 隧道衬砌类型应根据隧道围岩地质条件、施工条件 和使用要求确定。高速公路、一、二级公路的隧 道应采用复合式衬砌；汽车横通道、三级及以下 的公路隧道，在、级围岩条件下，除洞 口段外可采用喷锚衬砌；隧道洞口段宜采用复合 式衬砌。 第16页/共75页 第17页/共75页 1.2.1 荷载种类荷载种类 1.2 荷载计算荷载计算 第18页/共75页 第19页/共75页 1. 围岩压力的概念及影响因素 隧道开挖后，因围岩变形或松散等原因，作用于洞 室周

3、边岩体或支护结构上的压力。围岩压力可分 为围岩垂直压力、围岩水平压力及围岩底部压力 。 影响围岩压力的因素包括岩体的结构、岩石 的强度、地下水的作用、洞室的尺寸与形状、支 护的类型和刚度、施工方法、洞室的埋置深度和 支护时间等。 第20页/共75页 2. 围岩压力的确定方法 围岩压力的确定目前常用下列三种方法： （1）直接量测法 它是一种切合实际的方法，也是研究发展的 方向，但由于受量测设备和技术水平的限制，目 前还不能普遍采用。 （2）经验法或工程类比法 它是根据大量以前工程的实际资料的统计和 总结，按不同围岩分级提出围岩压力的经验数值 ，作为后建隧道工程确定围岩压力的依据的方法 ，目前使用

4、较为普遍。 第21页/共75页 第22页/共75页 3.规范法确定围岩压力 1)计算荷载等效高度hq 1 0.45 2s q hw hq用数理统计的方法得到的经验公式计算的各级围岩坍 塌高度（公式适用条件H/B Hp) （1）垂直压力： 围岩重度 第24页/共75页 (2) 水平均布压力 第25页/共75页 4)超浅埋隧道围岩压力的确定（h岩hq） qhh 岩岩土土 2 (/2)tan (45/2) tc ehhH 岩岩土土岩 垂直压力： 水平均布压力： 第26页/共75页 第27页/共75页 5)浅埋隧道围岩压力的确定（ hq h岩Hp） t (1tan B h qhh 岩 岩岩土土 ） 侧

5、压力系数： 第28页/共75页 为竖直滑面的摩擦角，根据公路隧道设计规 范附录E 水平均布压力e： (/2) t ehhH 岩岩土土岩 第29页/共75页 1.3 衬砌内力计算衬砌内力计算 1.3.1国内外地下建筑结构计算方国内外地下建筑结构计算方 法法 1.国外计算方法 国际隧道协会经过总结，将其归纳为四种模型 ： （1）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； （2）以现场量测和实验室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； 第30页/共75页 （3）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方法； （4）连续介质模型，包括解析

6、法和数值法，解 析法中有封闭解，也有近似解，数值计算法 目前主要是有限元法。 第31页/共75页 2.国内计算方法 我国采用的设计方法有以下四种模型： （1）荷载结构法 荷载结构模型认为地层对结构的作用只是 产生作用在地下建筑结构上的荷载（包括主动地 层压力和被动地层抗力），衬砌在荷载作用下产 生内力和变形，与其相应的计算方法称为荷载结 构法。根据所得到的衬砌内力进行构件截面设计 。本设计中采用此方法。 第32页/共75页 第33页/共75页 第34页/共75页 第35页/共75页 第36页/共75页 1.3.2衬砌的几何要素衬砌的几何要素 第37页/共75页 1.3.3 计算简图计算简图 第

7、38页/共75页 在竖向压力作用下，圈顶产生 竖向位移，形成一个不受约束的脱 离区，同时竖向荷载所引起的侧墙 部分的变形将受到侧面围岩的约束 ，形成抗力区。 第39页/共75页 第40页/共75页 假定弹性抗力为镰刀形分布，由三个特征点控 制，抗力零点b，一般与对称中线夹角为b ， b=4060度；抗力零点a在曲墙墙脚处（由于墙 脚与围岩间摩擦力很大，故此处无水平位移，因 而无弹性抗力）；最大抗力点h假设在衬砌跨度 最大处，通常h点在抗力区2/3处，设h点的抗力为 h，则 2 22 22 :1 coscos : coscos i ih h bi ih bh y ah y bh 第41页/共75

8、页 1.3.3 计算简图计算简图 第42页/共75页 1.3.3 计算简图计算简图 对称结构 对称荷载，取 一半结构作为 计算基本单元 ，拱顶截面只 有对称内力： 弯矩和轴力。 第43页/共75页 1.3.4 1.3.4 计算步骤计算步骤 1. 计算主动荷载作用下的衬砌内力 q x y e O X1p X2p 第44页/共75页 1111221121 2112222121 ()0 ()0 pppppap pppppap XXXXf XXXXfff 111121211 2 221122212 ()()0 ()()0 pppap pppap XXf XfXff 整理后得： 式中 主动荷载墙底位移

9、ik ip 、 基本结构的单位位移和主动荷载位移 1 墙底单位转角 ap f衬砌矢高。 第45页/共75页 求出未知力后，根据结构力学的方法，采用下列 公式求解各截面内力： 0 12 0 2 cos pppp ppp MXyXM NXN 00 N pp M 、 基本结构中由外力产生的截面弯矩 和轴力。 第46页/共75页 2. 计算抗力作用下的衬砌内力 1)( h 第47页/共75页 111121211 2 221122212 ()()0 ()()0 a a XXf XfXff 式中 被动荷载位移 ik i 基本结构的单位位移和主动荷载位移 1 墙底单位转角 a f衬砌矢高。 第48页/共75

10、页 00 NM 、基本结构中由抗力力产生的截面弯矩 和轴力 求出未知力后，根据结构力学的方法，采用下列 公式求解各截面内力： 0 12 0 2 cos MXyXM NXN 第49页/共75页 3. 求出最大抗力值 h 根据第2步求出的主动荷载截面内力值和第3步 求出的抗力截面弯矩值，可求出最大抗力值方向上 的位移值 ，则总位移值为 hph h 、hhphh 根据局部变形理论，假设衬砌变形和围岩之间 符合文克勒假定，即 ，于是可得 hh k 1 hp h h k 第50页/共75页 4. 计算衬砌总内力 ph h M N p MM NN 总 总 第51页/共75页 1.3.5 拱圈基本方程各参数

11、的确定 (/1/4) ikik iks M MN N dsdfl EIEA (/1/4) ik ik M M ds fl EI 根据结构力学中的位移法，曲梁某一点在单位力 作用下的变位计算基本公式为 ik 1.单位力作用下的位移 的计算 111121211 2 221122212 ()()0 ()()0 pppap pppap XXf XfXff 第52页/共75页 第53页/共75页 u 变位积分的近似计算辛普生法 变位值的计算归根到底是求定积分，但当截 面和拱轴线及荷载的变化规律所用的数学表达 式比较复杂时，积分非常困难。因此，在实际 工作中通常采用数值积分法来计算，在拱的变 位值计算中常

12、采用辛普生公式，又称抛物线公 式。具体做法如下： 第54页/共75页 用图解法以一定比例绘出 拱圈的断面； 用图解法或数值法确定拱 圈的轴线长； 将拱圈轴线等分为n段，分 段的多少与计算精度的要 求有关，一般每段弧线长 度为1.01.5m，n为偶数 。通常可将半个轴线等分 为410段； 第55页/共75页 用图解法或数值法 确定拱圈各段截面 中心点的坐标值xi ，yi，以及该截面 与竖直线的夹角i ，量出或算出各截 面厚度di ； 第56页/共75页 计算不同单 位力在各 分段截面 中心点产 生的弯矩 值Mim， Mkm ； 第57页/共75页 ik 计算变位值 000111 22233344

13、4 222 111 (/4/ 3 2/4/2/ 2/ 4/) b ik ikikik a ikikik inknn inknninknn M MS dsM MIM MI EIE M MIM MIM MI MMI MMIM MI 第58页/共75页 1.3.5 拱圈基本方程各参数的确定 2. 主动荷载作用下的位移 的计 算 111121211 2 221122212 ()()0 ()()0 pppap pppap XXf XfXff iP 00 (/1/4) ipip ips M MN N dsdfl EIEA 0 (/1/4) ip ip M M ds fl EI 第59页/共75页 计算出每

14、一分块 上的作用力，包 括竖向力、水平 压力和自重力， 并用图解法或数 值法确定拱圈各 分块集中力对下 一截面的力臂 ； 同样采用辛普生近似积分法计算。 第60页/共75页 结合计算图式，计算各截面的弯矩 和轴力 ； 计算主动荷载在x1和x2方向上的位移 和 。 0 p M 0 p N 1P 2P 0 /2 00 000111 0 000 222333444 0 (2)(2)2 00 (1)(2)1 (/4/ 3 2/4/2/ 2/ 4/) s ip ipipip ipipip i np nn i np nninpnn M M S dsM MIM MI EIE M MIM MIM MI MMI

15、 MMIM MI 第61页/共75页 1.3.5 拱圈基本方程各参数的确定 3. 墙底单位弯矩作用下产生的转角位移 的计算 111121211 2 221122212 ()()0 ()()0 pppap pppap XXf XfXff 1 单位弯矩作用下墙底的转角可按下列公式计算： 1 3 112 kIkbd k围岩弹性抗力系数，kN/m3 。可由公路隧 道规范附表A.0.4-1查得/P74。 第62页/共75页 1.3.5 拱圈基本方程各参数的确定 4. 主动荷载作用下墙底转角 的计算 111121211 2 221122212 ()()0 ()()0 pppap pppap XXf XfX

16、ff ap 0 1appn M 第63页/共75页 111121211 2 221122212 ()()0 ()()0 a a XXf XfXff 1.3.5 拱圈基本方程各参数的确定 5. 被动荷载作用下的位移 的计算 i 00 (/1/4) ii is M MN N dsdfl EIEA 0 (/1/4) i i M M ds fl EI 第64页/共75页 计算出每一分块上 的抗力集中力Ri； 1 () 2 ii ii RS 外 楔块 i 外缘长度， 可通过量取夹角，用 弧长公式求得， Ri 的方向垂直于衬砌外 缘，并通过楔块上抗 力图形的形心。 i S 外 第65页/共75页 计算抗力

17、集中力Ri与 摩擦力的合力Ri； 2 1 ii RR Ri作用方向与抗 力集中力Ri的 夹角为 arctan 为围岩与衬砌间的摩擦系数 第66页/共75页 将Ri的方向线延 长，使之交于竖 直轴，量取夹角 k，将Ri分解 为水平与竖直两 个分力，即 sin cos Hiik Viik RR RR 第67页/共75页 计算单位抗力及 相应的摩擦力 在基本结构中 产生的内力； 0 6 0 66 sincos i ij ji j ii iiVjiHj jj MR r NRR 第68页/共75页 计算单位抗力与相应摩擦力合力在X1、X2方向上 的位移。 0 00 000111 000 22233344

18、4 0 (2)(2)2 00 (1)(2)1 (/4/ 3 2/4/2/ 2/ 4/) i iii iii i nnn i nnninnn M MS dsM MIM MI EIE M MIM MIM MI MMI MMIM MI 第69页/共75页 111121211 2 221122212 ()()0 ()()0 a a XXf XfXff 1.3.5 拱圈基本方程各参数的确定 6. 被动荷载作用下的墙底转角 的计算 a 0 1an M 单位抗力及相应摩擦力作用下的墙底转角为 第70页/共75页 1.3.6 最大抗力值的求解 计算由主动荷载 在最大抗力值方向上产生 的位移值 ； hp p M p1 hp000121 222333444 (2)22 (1)11 ()/4()/ 3 2()/4()/2()/ 2()/ 4()/()/sin h X phph phphph p nhnn p nhnnpnhnnh M M S dsMyyIMyyI EIE MyyIMyyIMyyI MyyI M