第章隧道结构计算

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。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

●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⑴隧道结构与地面结构的区别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根据实际环境和边界条件根据实际环境和边界条件根据实际环境和边界条件⑵隧道结构计算的简化问题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●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⑵隧道结构计算的简化问题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●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。⑶局部变形理论和共同变形理论人工喷射混凝土的场景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！

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：●以工每程类呆比为电主的经验份设计茫法；●拳以现田场量浮测和扎试验开为主叶的实用星设计构法●荷载—结构竿模型方法●岩体力按学模型方法升，包豪括解妇析法变和数阔值法乞。2、隧铸道结月构体辉系的循计算庆模型从各规国的柏地下肿结构穿设计陶实践患看，丽目前洗主要猪采用址两类眨计算买模型及：●一类是以支护贴结构作券为承载锹主体，结构拼力学模洞型，又雪称为荷该载－结香构模型贸；●斩另一镜类则畅相反摸，视围岩为遭承载主伸体，支凉护结悦构则矛为约走束围私岩变公形的裹模型耀，过即岩私体力鲁学模房诚型或冬称为盈围岩—结构模澡型。6.2隧道衬案砌上的撕荷载类洒型1、隧道挨结构上赌的基本库荷载2、隧道雁结构上朽的荷载惹及其类亮型1、基本基荷载（1）围寺岩压盈力（2）结构昼自重力2、隧道牛结构上龄的荷载厅及其类愉型按其性挪质可以水区分为斥两大类:●主动要荷载是主动多作用于快结构、翅并引起滑结构变膏形的荷芒载；●被动荷钟载是因旗结构惯变形妻压缩祖围岩梁而引忽起的马围岩干被动袖抵抗准力，灶即弹水性抗出力，地它对慈结构歉变形冬起限夜制作辛用。2、隧剥道结蹈构上理的荷梨载及岗其类什型《公路隧乌道设计锋规范》J死TG效D赶70苗-2辱00池4将隧狠道结糟构上吼荷载厨仿照经桥规螺分为槽：●永久油荷载●可变刚荷载●偶然啄荷载编号荷载类型荷载名称1永久荷载（恒载）围岩压力2结构自重力3填土压力水压力4混凝土收缩和徐变影响力5可变荷载基本可变荷载公路车辆荷载，人群荷载6立交公路车辆荷载及其所产生的冲击力和土压力7

立交铁路列车活载及其所产生的冲击力和土压力8其它可变荷载立交渡槽流水压力9温度变化的影响力10冻胀力施工荷载11偶然荷载落石冲击力12地震力隧规P28：表6.1财.1作用在想隧道结凳构上的园荷载荷载赴组合驻：●结构蛋自重缠＋围想岩压励力＋邮附加凶恒载（基璃本）●结构蓝自重历＋土仔压力垄＋公级路荷江载＋某附加寺恒载●结构涂自重叉＋土貌压力求＋附挎加恒对载＋窃施工韵荷载＋温天度作叮用力●结构哈自重塔＋土滴压力全＋附犬加恒勤载＋后地震男作用附加排恒载示：伴约随隧虏道运疯营的剖各种伟设备瞎设施粗的荷于载等罢。6.首3半衬砌驻的计算拱圈疾直接堆支承轰在隧译道围默岩侧描壁上嚼时，蔑称为卷半衬钳砌●适合狂于坚过硬和籍较完促整的鞠围岩(Ⅱ、Ⅲ级)；6.盼3半衬限砌的就计算⑴在垂直搂荷载作洁用下拱辆圈向隧黑道内变厘形为自由释变形，不产份生弹性伶抗力谎；1、基本遗假定⑵拱脚产剃生角位封移和模线位碗移，并阿使拱饶圈内葱力发好生改衔变，劳计算挡中除敢按固过端无黄铰拱爸考虑耍外，捎还必族须考颈虑拱难脚位超移的仆影响⑶拱脚没有喉径向具位移，只有辰切向位时移；⑷对称的职垂直分幅位移对木拱圈内痕力不产文生影响奸；⑸拱脚的永转角刷和切向弄位移的邀水平分闲位移肚是必须逆考虑的1、基本夫假定2、基本存结构式中：楚是单位收变位，债即在基哪本结构兼上，因蹄作用时诸，在逝方辆向上所朋产生的击变位；治为伶荷载变裁位，即笋基本结壤构因外椅荷载作弃用，在承方说向的变说位；f为拱诉圈的层矢高记；3、正则阿方程2、单位猴变位及赴荷载变栏位的计近算由结告构力洁学求惊变位梳的方事法（币轴向赠力与岂剪力露影响底忽略蒸不计策）知筒道：2、单蔬位变苍位及蚊荷载淘变位膜的计违算在很多抗情况下斩，衬砌耕厚度是德改变的湿，给积侄分带来砌不便，粱这时可弯将拱圈月分成偶赔数段，身用抛物吨线近似忍积分法始代替。3、拱外脚位申移计云算⑴单灯位力矩夸作用时⑵单位储水平唉力作逐用时单位称水平赶力可础以分峡解为禁轴向蚂分力游和切疮向分遥力秀，堵计算淡时只纲需考眠虑轴汇向分严力的弯影响列，作碑用在街围岩乓表面脊的均跳布应巩力键和拱溉脚产选生的翁均匀迁沉陷协为：的水平僵投影即溉为点a的水骑平位泳移市，均视匀沉死陷时露拱脚拆截面慕不发搂生转停动，寨则有沙：（3）外尺荷载作输用时在外荷疯载作用麻下，基惠本结构缓中拱脚现点处产堪生弯矩感和磁轴向力场，光如图所职示，拱葬脚截面付的转角笼和矮水平位款移贪为：(4连)拱脚奇位移拱脚的坡最终转宿角予和拆水平位岂移须可肌分别考乘虑和外荷第载的影塌响，按具叠加原断理求得描，可表村示为：4拱圈截默面内力将以上种两组方示程代入味正则方兔程可得貌：令则任虫意截挥面处室的内饿力为6.锤4曲墙式营衬砌计装算6.4曲墙式赛衬砌计凑算●撒常用惹于Ⅳ～Ⅵ级围收岩；●祥拱圈割和曲碌边墙材作为写一个仙整体沫按无印铰拱艳计算第；●云施工晓时仰榨拱是百在无唤铰拱绳业已楼受力熄之后涂修建吸的，乱不考军虑仰增拱对框衬砌锁内力宇的影柏响妹；1计算假庄设⑴哲在主意动荷姐载作币用下基，顶犯部衬慰砌向讽隧道卵内变成形而惑形成剥脱离顿区，族两侧霞衬砌炮向围蹈岩方溜向变治形，录引起锄围岩裳对衬缎砌的馒被动拥弹性玩抗力⑵目上零目点b（即脱未离区与封抗力区穿的分界臣点）与搂衬砌垂头直对称团中线的冶夹角假音定为⑶下再零点a在墙条脚⑷最大抗放力点h假定王发生被在最郊大跨讨度处扇附近卖，计苍算时繁一般若取必为丢简化膏计算家可假喝定在短分段坐的接怒缝上借。⑸劲抗力岁图形刃的分矮布假惜定为甚二次表抛物叼线bh段：ha段：⑹忽略制衬砌讲与围杂岩之扩间的敢摩擦电力⑺墙钥脚支承温在弹性努岩体上让，可发府生转动功和垂直杰位移(无水植平位校移)2、主动幅荷载作势用下的府力法方萌程和衬珠砌内力式中难为驾墙底烧位移预。分煮别计掏算柄和外曾荷载盯的影斑响，遮然后龙按照龟叠加芽原理没相加漫得到2、主动曲荷载作处用下的阁力法方肤程和衬年砌内力由于墙水底无水闯平位移愿，故式中：妙是致基本结历构的单妨位位移刚和主动颗荷载位茂移；挥是墙底冤单位转愿角；娇为基惨本结构渡墙底的局荷载转义角；f为衬献砌的少矢高撞。求得森后，在提主动荷拒载作用港下，衬董砌内力沙即可计躺算：在具体弄进行计躺算时，存还需进熄一步确院定被动震抗力西的大小丈，这需呼要利用科最大抗溪力点h处的变开形协调姿条件。3、最婶大抗想力值萌的计挪算●先倚求出此和●变拥位由杯两部晚分组性成，寻即结袜构在迁荷载捐作用踪蝶下的脖变位滩和因赛墙底将变位厅（转鸟角）聋而产无生的垫变位侮之和●脚h点所对统应的婆，则西该点的显径向位莫移约等吓于水平架位移●雅拱顶滴截面浪的垂摸直位贪移对h点径向停位移的忽影响可樱以忽略胖不计按照结宏构力学旬方法，按在h点加冈一单访位力郑，可穗以求吸得飘和4、在呢单位离抗力熄作用袄下的斯内力将抗力麦图厦视为脆外荷载萌单独作筹用时，瞒未知力盆及她可以营参照胆及路的求滔法得出4、在顶单位抢抗力锹作用树下的拉内力解出竭及乏后虑，即只可求代出衬冷砌在绸单位喂抗力镜图为蜓荷载悲单独仍作用绣下任漆一截舟面内魂力：5、衬蚁砌最竭终内纠力计齐算及堵校核迷计算府结果愧的正怕确性衬砌稀任一茎截面阁最终娇内力坚值可拼利用哄叠加究原理比求得父：校核陆计算袋结果澡正确挨性时江，可暑以利叙用拱但顶截掩面转榴角和跃水平谦位移画为零雀条件既和最眠大抗扛力点a的位移流条件：式中贱是太墙底乡丰截面撑最终伏转角，6.宿5直墙式脆衬砌计宇算6.缺5直墙式余衬砌计费算1、计聚算原瘦理⑴蚂拱圈望按弹性无义铰拱计算，羊边墙按弹性地致基上的抽直梁计算废，并扎考虑地边墙匀与拱吧圈之逝间的鞋相互烛影响盾；⑵傅边墙传支承垃拱圈刮并承技受围笔岩压友力；⑶混拱脚看区段叛的弹助性抗掩力为研二次凭抛物辛线分梳布位于45o～55o之间⑷W灯ink固ler假定成约立，即⑸皆拱脚焰位移贵考虑形边墙否顶变知位的服影响2、边墙仓的计算——弹性地妖基上的逃直梁⑴直娇边墙计厌算分类富：●网刚性边迎墙●炮短边催墙●道长边墙⑵边墙为泳短梁的次计算：短梁堤的一惠端受捉力及超变形共对另饮一端察有影砖响，怕计算费墙顶陵变位赶时，缎要考亡虑到植墙脚令的受偏力和波变形避的影服响。●墙顶在碌单位弯晶矩思单柿独作用草下，墙嗓顶的转本角夕和水菜平位移跳为●墙顶羞在单鞋位水慨平力=1单独祖作用夕下，瞧墙顶机位移衰为锁和街为●在主动访侧压力滤（梯形雅荷载）溉作用下臣，墙顶仇位移刚为：其中为基底般弹性抗次力系数染；k是侧绝向弹掀性抗行力系侵数；钞是基洽底作妻用有盐单位贪力矩火时所掀产生姻的转毫角；h为边夫墙的号侧面芝高度仔；最后气结果楚为：⑶长边形墙计仍算——弹性地稼基上的测半无限揪长梁，燃墙顶受突力与墙芽底无关澡，上述吧公式可暗得到一悼定的简宝化。墙项单烫位位移错可以简逼化为：⑷边墙为侨刚性梁●近似作蒸为弹性异地基上厅的绝对桌刚性梁漠，近似脾认为茂（即检）●边墙本土身不产俗生弹性激变形，若在外力闯作用下像只产生扫刚体位讲移，墙曾顶处为昼最大值初为：称为端刚性墙华的综合往转动惯睛量，因逗而墙侧赏面的转修角为：6.6衬砌刻截面枕强度泊验算1、衬砌慌结构检锦算目前我恳国公路钟隧道设脑计规范希规定，屠隧道衬响砌和明蓄洞应按咏破损阶彩段检算信构件截葱面强度。结构抗裂有要求加时，对乳混凝土抗构件进银行抗裂准验算。2、偏心困受压构缝件的极抽限承载狼能力，吧计算截梨面的抗仪压（或偏抗拉）辫强度安巾全系数K。检枕查是墙否满涂足规绵范所轻要求脚的数泽值，景即：式中扮：陆是截狗面的版极限轧承载级能力密；桌为链截面谁的实喷际内蚂力(轴向吩力);是规焦范所屯规定盘的强置度安缘瑞全系握数，亚见下片表混凝土捞和砌体乱结构的战强度安续全系数圬工种类混凝土砌体荷载组合永久荷载+基本可变荷载永久荷载+基本可变荷载+其它可变荷载永久荷载+基本可变荷载永久荷载+基本可变荷载+其它可变荷载混凝土或砌体达到抗压极限强度2.42.02.72.3混凝土达到抗拉极限强度3.63.0钢筋水混凝奋土结懒构的怪强度胃安全浙系数荷载组合永久荷载+基本可变荷载永久荷载+基本可变荷载+其它可变荷载钢筋达到设计强度或混凝土达到抗压或抗剪极限强度2.01.7混凝土达到抗拉极限强度2.42.03、抗裂缴要求：⑴当婆时，按暗抗拉强踏度控制确承载能屋力，并喘用下式艘计算：⑵对隧道榴衬砌和聚明洞的洁混凝土司偏心受诱压构件零的轴向倘力偏心只距限制锹为：不杀宜大于0.4侮5