隧道工程第章隧道结构计算

隧道工程第6章隧道结构计算本章学习要求：（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------在保证安全的前提下尽可能地经济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。2、隧道结构体系的计算模型

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。

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1、基本荷载（1）围岩压力（2）结构自重力2、隧道舍结构上必的荷载脱及其类肃型按其军性质宜可以映区分熟为两肝大类:●主动第荷载是主乱动作南用于名结构书、并女引起咸结构扣变形催的荷是载；●被动荷浇载是因壁结构贵变形铸压缩夏围岩模而引拆起的纤围岩选被动华抵抗故力，槽即弹偷性抗知力，庭它对致结构潮变形窗起限倾制作转用。2、隧道先结构上胸的荷载踩及其类沟型《公路帝隧道距设计款规范》JT骑GD恶70-刺200镇4将隧道放结构上查荷载仿华照桥规零分为：●永久数荷载●可变惑荷载●偶然范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P2州8：表6.1丙.1作用葬在隧交道结锁构上渣的荷萌载荷载组专合：●结构自资重＋围印岩压力图＋附加饶恒载（基本莫）●结构种自重券＋土能压力抗＋公惰路荷召载＋宽附加浴恒载●结构自份重＋土芹压力＋压附加恒有载＋施佛工荷载＋温度蹈作用力●结构自肃重＋土壁压力＋合附加恒涝载＋地刃震作用附加恒咱载：伴禾随隧道刻运营的罢各种设般备设施弓的荷载秤等。6.3半衬爹砌的泪计算拱圈直丸接支承卷在隧道断围岩侧仿壁上时着，称为邪半衬砌●适合于链坚硬和狮较完整折的围岩(Ⅱ、Ⅲ级)；6.3半衬砌蹲的计算⑴在垂直深荷载作窝用下拱精圈向隧块道内变朗形为自由变此形，不撒产生民弹性凶抗力坚；1、基胳本假辟定⑵拱脚产完生角位野移和蛙线位讲移，并牧使拱漠圈内慢力发槐生改忠变，青计算厘中除角按固每端无霸铰拱满考虑巷外，副还必郊须考良虑拱叶脚位值移的张影响⑶拱脚没有侮径向员位移，只有阔切向位伍移；⑷对称的塔垂直分凳位移对度拱圈内抓力不产袍生影响迅；⑸拱脚的丽转角跑和切向栏位移的熟水平分黎位移岁是必须背考虑的1、基置本假眠定——有支座析位移无蒸铰拱2、基毅本结急构式中：棕是单位饼变位，价即在基简本结构牲上，因枯作用时只，在鄙方数向上所逮产生的祖变位；唤为旧荷载变爹位，即过基本结消构因外孤荷载作痰用，在净方姨向的变构位；f为拱寺圈的佣矢高政；3、正则视方程2、单块位变欢位及羊荷载两变位矩的计状算由结构反力学求艺变位的酒方法（末轴向力拌与剪力刘影响忽攻略不计伏）知道匹：2、单位稻变位及见荷载变棚位的计货算在很多文情况下麻，衬砌端厚度是营改变的改，给积赏分带来奥不便，齐这时可队将拱圈挑分成偶为数段，挤用抛物拒线近似隙积分法每代替。3、拱悦脚位规移计出算⑴单做位力矩头作用时⑵单位水猴平力作饿用时单位晨水平倘力可果以分句解为商轴向淘分力狠和切念向分壳力阁，宋计算良时只臭需考蓬虑轴请向分币力的泼影响贱，作躬用在赌围岩败表面词的均触布应彼力钩和拱爽脚产方生的咐均匀谁沉陷偏为：的水平圆投影即单为点a的水平握位移圣，均计匀沉陷梢时拱脚词截面不抚发生转姓动，则垃有：（3）外念荷载作础用时在外荷析载作用阔下，基捏本结构怠中拱脚护点处产刺生弯矩惯和惭轴向力先，劲如图所勇示，拱僚脚截面闭的转角渴和杠水平位茂移聚为：(4寄)拱脚位科移拱脚的辫最终转舌角肿和溪水平位魔移辩可到分别考砍虑和外望荷载堂的影灭响，类按叠惑加原竿理求奔得，躬可表版示为鹿：4拱圈桌截面挖内力将以即上两私组方屈程代石入正缩慧则方肺程可缸得：令则任意谣截面处坊的内力黎为6.4曲墙剧式衬身砌计据算●常兽用于Ⅳ～Ⅵ级围厅岩；●拱唉圈和曲适边墙作责为一个纷整体按无铰拱计算劲；●矮施工炼时仰歼拱是例在无徐铰拱胶业已踏受力处之后加修建梳的，互不考等虑仰贷拱对谜衬砌以内力伯的影叠响迈；1计算假毙设⑴扎在主残动荷溪载作失用下裙，顶凑部衬茎砌向桌隧道雄内变尽形而册形成种脱离窝区，长两侧咸衬砌忠向围庸岩方陶向变返形，技引起置围岩赴对衬什砌的托被动首弹性乔抗力⑵上槐零点b（即脱汇离区与撑抗力区冠的分界扇点）与锻衬砌垂添直对称遣中线的歉夹角假做定为⑶鸟下零丝式点a在墙惨脚⑷最大驰抗力念点h假定发惧生在最学大跨度唤处附近脱，计算逐时一般躬取昂为简易化计算糕可假定为在分段影的接缝庙上。⑸抗目力图形秆的分布悲假定为菊二次抛脆物线bh段：ha段：⑹忽略衬摩砌与围颤岩之间受的摩擦内力⑺墙愧脚支承吗在弹性潮岩体上波，可发更生转动哗和垂直爱位移(无水拣平位蜓移)2、主动蒜荷载作拍用下的释力法方驱程和衬刑砌内力式中蜓为将墙底位付移。分欧别计算知和军外荷载袜的影响乞，然后痒按照叠洒加原理衣相加得停到2、主动柏荷载作母用下的荡力法方葱程和衬珠砌内力由于墙楚底无水改平位移庙，故式中：植是虽基本结悉构的单嗽位位移昏和主动灵荷载位像移；摄是墙底奶单位转季角；惯为基易本结构临墙底的少荷载转蜜角；f为衬称砌的废矢高距。求得亏后，在柴主动荷蹈载作用诞下，衬券砌内力篇即可计著算：在具短体进笑行计重算时烤，还俘需进千一步染确定柏被动饭抗力瞧的大车小，锤这需权要利蝇用最奔大抗寻力点h处的变形协说调条件。3、最大介抗力值谨的计算●先俱求出激和●变册位由茂两部罩分组叉成，洲即结抹构在忧荷载键作用待下的舍变位青和因礼墙底棉变位绵（转等角）拐而产永生的文变位抖之和●画h点所对威应的歇，则父该点的挨径向位建移约等后于水平恨位移●堆拱顶椅截面还的垂丝式直位挂移对h点径萍向位屋移的值影响恐可以雨忽略绸不计按照阵结构吩力学车方法对，在h点加一陶单位力雀，陶可以求菊得心和4、在施单位狂抗力驾作用往下的膨内力将抗旨力图士视诱为外奴荷载澡单独它作用核时，方未知闯力腿及瓶可朗以参硬照消及凡的求男法得攀出4、在单匹位抗力西作用下酸的内力解出草及废后，恋即可求答出衬砌哭在单位塑抗力图识为荷载旁单独作维用下任盯一截面苍内力：5、衬庙砌最现终内拣力计装算及酱校核社计算京结果朱的正屠确性衬砌任贺一截面远最终内窝力值可僻利用叠付加原理厦求得：校核计潮算结果逐正确性梨时，可艇以利用海拱顶截高面转角缺和水平膨位移为刘零条件舰和最大大抗力点a的位坑移条签件：式中毛是墙酷底截面捐最终转碑角，6.扔5直墙糠式衬絮砌计好算6.5直墙式唯衬砌计贿算1、计床算原间理⑴闻拱圈汉按弹性瘦无铰浮拱计算，挥边墙按弹性地袭基上的放直梁计算亦，并芳考虑瞧边墙竞与拱蚕圈之穴间的魔相互漂影响忍；⑵详边墙丢支承跪拱圈宁并承谈受围拢岩压赚力；⑶拱讨脚区段剑的弹性往抗力为鹿二次抛唤物线分避布位于45o～55o之间⑷涌Wi阅nk敢le竿r假定成恭立，即⑸联拱脚仇位移拌考虑市边墙病顶变雀位的声影响2、边墙示的计算——弹性地旅基上的膨直梁⑴直瓜边墙计夫算分类猪：●蹦刚性边菠墙●匀短边母墙●甲长边墙⑵边墙为壤短梁的故计算：短梁溉的一纳端受习力及亦变形钢对另昌一端础有影排响，井计算拔墙顶御变位惩时，抹要考登虑到疾墙脚器的受办力和扣变形桂的影惹响。●墙顶呈在单球位弯质矩乔单独牧作用侮下，悬墙顶扫的转层角毒和水悄平位透移悠为●墙顶在垦单位水确平力=1单独作氧用下，猛墙顶位俩移为晋和晴为●在主动图侧压力磨（梯形刃荷载）泳作用下宇，墙顶找位移晋为：其中为基克底弹由性抗碌力系湖数；k是侧枪向弹聪性抗体力系炭数；怒是基吹底作编用有梅单位宁力矩眯时所竿产生忘的转杀角；h为边苏墙的渐侧面首高度俱；最后棵结果救为：⑶长边墙新计算——弹性地千基上的灭半无限呢长梁，股墙顶受幅力与墙挂底无关斑，上述话公式可五得到一滴定的简逐化。墙项单瞒位位移君可以简门化为：⑷边墙为串刚性梁●近似作兰为弹性兽地基上痕的绝对瓶刚性梁颜，近似磨认为弓（即薯）●边墙晚本身睁不产筝生弹闲性变皇形，损在外侨力作千用下页只产岔生刚味体位底移，哗墙顶冻处为无最大唐值为双：称为素刚性墙德的综合辣转动惯夏量，因锯而墙侧恐面的转道角为：6.亲6衬砌截柜面强度棋验算1、衬砌能结构检爱算目前我嫩国公路热隧道设侨计规范枕规定，裙隧道衬帽砌和明乐洞应按盾破损阶范段检算听构件截模面强度。结竖构抗裂有要握求时属，对计混凝枕土构播件进拆行抗西裂验灾算。2、偏疑心受授压构遗件的莲极限旧承载挑能力挡，计掏算截瓦面的仆抗压霞（或忆抗拉择）强坡度安裙全系驳数K。检查由是否满市足规范芦所要求疏的数值雕，即：式中：降是截面么的极限沫承载能妙力；通为截扫面的实冈际内力(轴向改力)竭;是规范院所规定斜的强度熊安全系沉数，见亡下表混凝土连和砌体下结构的业强度安旷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钢筋祖混凝孟土结锋构的饮强度闻安全捎系数荷载组合永久荷载+基本可变荷载永久