地下建筑隧道结构计算模型简化方法

地下建筑结构地下建筑隧道结构计算模型简化方法本章学习要求：（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15章整体式隧道结构计算15.1概述15.2隧道衬砌上的荷载类型及其组合●结构力学方法——矩阵位移法*岩石力学方法15.3半衬砌的计算15.4曲墙式衬砌计算15.5直墙式衬砌计算15.6衬砌截面强度验算15.1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隧道封结构读计算释的简丛化问视题根据大实际截环境录和边浅界条傲件如何板简化束对计烛算结碍果影六响非赴常重草要根据效实际言环境企和边旱界条骂件根据诊实际万环境碑和边拍界条倒件根据额实际句环境栏和边狱界条蠢件⑵隧道鸡结构绞计算棚的简扩化问赌题⑵隧道喘结构晓计算角的简还化问席题●在十慎九世柜纪末句，隧程道衬拌砌结条构是雀作为超静汤定弹快性拱计算油的，吊但仅坐考虑汁作用敏在衬棕砌上茅的围忌岩压连力，故忽视酿了围文岩对撤衬砌皆的约姻束作脊用●弹性歼抗力：衬巡寿砌在牧受力府过程永中的冰变形亿，一无部分唇结构蓄有离陷开围贺岩形兔成“脱离肝区”的趋删势，衡另一似部分掏压紧办围岩拴形成兴所谓“抗力观区”，在启抗力掘区内洋，约束迹着衬着砌变滥形的柄围岩粉相应脖地产辈生被惭动抵触抗力⑵隧道绞结构捧计算系的简娇化问拔题●进入羡本世脏纪后箩，通慕过长领期观止测，珍发现挡围岩围不仅考对衬需砌施兴加压货力，枕同时咏还约束接着衬谈砌的欧变形。围们岩对都衬砌娃变形势的约江束，对改贝善衬拣砌结报构的育受力挖状态盯有利，不化容忽真视⑵隧道瘦结构屈计算名的简游化问呈题⑶局部查变形渡理论岁和共辆同变仁形理邻论●局部追变形抖理论唯：是番以温馒克尔（E.贡Wi咏nk膜le俗r）假定霞为基练础的摔。它劣认为番应力精和变许形之计间呈线性银关系，即区为围岩掏弹性耻抗力龙系数●共同卵变形崇理论液把围急岩视移为弹哄性半蚀无限历体，考虑臭相邻讯质点韵之间些变形伪的相湿互影踪蝶响。⑶局部抛变形浙理论啊和共编同变仿形理院论人工舟喷射岔混凝桨土的挪场景2、隧管道结调构体阀系的彻计算逐模型计算翁模型逗的如矿何建饺立？隧道洪结构钳计算统如何社简化郑？不同梦简化停计算滚结果尺差异岁大！2、隧刺道结演构体喘系的明计算颂模型国际撞隧道廊协会(I谋TA道)认为竹，目普前采摧用的蒜地下避结构竭设计踪蝶方法兽可以宰归纳犬为以帆下4种设挡计模聋型：●以工疾程类烤比为宋主的经验让设计买法；●驴以现岔场量驻测和碌试验煮为主旁的实用递设计敲法●荷载—结构聋模型方法●岩体美力学龄模型方法开，包涛括解铲析法棚和数染值法哑。2、隧搁道结集构体拖系的宜计算何模型从各要国的诸地下兴结构垫设计仓实践恨看，脉目前访主要恒采用奔两类呼计算聋模型郑：●一类降是以支仇护结拐构作节为承己载主舌体，结布构力挣学模默型，秃又称树为荷董载－雨结构共模型如；●绸另一筒类则肥相反材，视围岩聋为承迅载主雾体，支章护结简构则浮为约导束围夫岩变物形的绩模型培，斩即岩归体力挨学模纵型或稍称为敢围岩—结构郑模型疼。15拳.2隧道贷衬砌贫上的饶荷载籍类型1、隧骄道结硬构上局的基本绑荷载2、隧倒道结林构上是的荷符载及津其类趟型1、基殊本荷肾载（1）围准岩压怪力（2）结价构自笋重力2、隧云道结爆构上洲的荷乡丰载及何其类耀型按其堤性质趣可以猛区分讲为两宅大类:●主动随荷载是主欺动作辉用于痛结构雕、并师引起饶结构脆变形刑的荷碑载；●被动雾荷载是因碌结构俭变形眯压缩钻围岩碑而引既起的弱围岩忍被动趁抵抗坐力，漆即弹串性抗步力，劳它对屡结构舞变形疤起限驱制作瞒用。2、隧情道结励构上缝的荷哲载及漫其类砌型《公路冷隧道迅设计古规范》J广TG湖D捎70纠-2贼00妻4将隧猎道结关构上伏荷载暂仿照推桥规摧分为白：●永久盼荷载●可变太荷载●偶然酸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泳8：作局用在矛隧道毫结构爸上的嘴荷载荷载诸组合挪：●结构克自重迫＋围投岩压述力＋鄙附加五恒载（基腐本）●结构喷自重矛＋土仍压力喷＋公拨路荷损载＋络附加融恒载●结构怒自重掌＋土齐压力缸＋附贪加恒通载＋慨施工附荷载＋温萍度作故用力●结构伪自重废＋土垫压力柏＋附猪加恒步载＋衫地震袋作用附加塌恒载归：伴员随隧费道运殊营的俱各种正设备碧设施疗的荷币载等级。结构栏力学前方法——矩阵句位移药法1.结构茂力学粥模型特点域：◆以支烤护结耳构作消为承适载主仇体；◆围岩长对支棋护结歉构的赴作用赖间接汁地体阅现为桐两点脑：①围廉岩压锈力；告②趋围岩歪弹性借抗力制。◆采用自结构丘力学团方法括计算落。适用惠于：模筑倘砼衬示砌概碰述结构捧力学风方法1.基本芦原理◆将支用护和尸围岩洪分开帮考虑放，支纲护结灯构是无承载防的主坟体，矮围岩算作为矿荷载伙的来刊源和根支护踏结构蹦的弹灶性支泥承，店与其源对应扔的计舰算模仅型称框为荷只载—结构笼模型鸟。根据疼对荷裙载的垮处理队不同因，它务大致赔有如挨下三农种模锻式：◆主动疮荷载割模式现（图15－1（a））◆主动概荷载聪加被禁动荷瓜载模元式（玻图15－1（b）)◆实际兼荷载近模式执（图15－1（c）)。结构纯力学货方法图15—1荷载—结构单模式结构皮力学稼方法2.隧道汽衬砌勉受力答变形犹的特巧点结构咸力学监方法3.隧道弦衬砌梨承受督的荷旧载及亭分类(1板)主动鞋荷载◆主要罪荷载◆附加楚荷载(2笼)被动广荷载铃～围震岩抗爪力◆共同毕变形洗理论◆局部找变形哲理论图15社-3局部漏变形搭示意置图结构酿力学拍方法5.朝2.票3隧道老衬砌服结构鹿计算丽的矩逢阵位平移法1.基本杀原理矩阵笼位移柔法又击叫直赤接刚肃度法等，它曾是以毙结构消节点毙位移毁为基疮本未纸知量梢，联功接在队同一托节点兴各单越元的创节点过位移赴应该嫌相等绣，并玻等于的该点株的结犬构节堪点位盾移（好变形摇协调那条件突）；铅同时友作用探于某盼一结忽构节纺点的柜荷载幼必须光与该卵节点滴上作劫用的诊各个泰单元阵的节毅点力咸相平告衡（老静力设平衡惕条件系）。结构本力学踢方法计算阅特点:①三种傍单刚◆衬砌叙单刚惨：梁皆单元◆抗力潮单刚妈：二钉力杆艰单元◆基础填单刚芝：支丢座单促元虹②指拼总另刚(结构明刚度祖矩阵)③边界咽条件践～墙狱基础湾水平幻玉位移惹为0巾④求解滔以节鄙点位锡移为犬未知瓶量的龄方程踩组～日高斯局消去啦法等哀⑤修由器节点哨位移扣求出故单元袖节点送力～激内力结构浇力学筒方法2.计算陷图式衬砌虚结构辨的处筋理◆衬砌蛮的处捎理：佩将衬朴砌沿挥其轴分线离孩散化佛为直绑杆单分元（岸梁单世元）闻，并炸将单线元的既联接飞点称拿为节狱点。◆墙基胸础的装处理得：假肥设边拳墙底街端是楚弹性合固定昌，即澡能产诞生转泡动和尼垂直层下沉嫩，不取能产达生水枪平位化移。结构赤力学独方法图15舟-4直刚跃法计佳算图约式结构惰力学剩方法(2收)等效哭节点虽荷载播的处建理◆按“静力宪等效”原则汉进行层，即拳均布旺荷载笑所作层的虚厕功应马等于股节点线荷载亿所作较的虚俭功。2.计算酒图式结构缩慧力学臣方法图15访-5等效寺节点像荷载线计算愿示意晴图结构辰力学慎方法垂直者均布贸荷载趟作用瞒在单惹元上脆的等笛效节筛点力撕分量扔为：结构询力学锅方法水平雅均布冠荷载荷作用皇在单歼元上梨的等缘瑞效节夜点力共分量闷为：结构窑力学逐方法2.计算润图式(3笨)围岩赞弹性沈抗力馋的处认理◆以弹幼簧支气承模穴拟围捎岩弹鉴性抗椅力，看即在炉每个绩节点晴上设生置一近根弹娃簧链析杆，双弹簧蹈力即已为围战岩抗侵力；◆以温衡氏假送定反地映抗匀力与己节点到位移岗的关忍系；◆弹簧膜支承外的方忍向：利应按压衬砌傻与围降岩的乔接触型状态贡而定甜。结构乔力学干方法2.计算妄图式图15鼠-6围岩宪弹性达抗力医链秆冻设置吹示意旗图结构泉力学系方法3.单元造刚度能矩阵衬砌役单元柴刚度施矩阵(衬砌柱单刚)弹性缠支承生链杆侧单元叮刚度吓矩阵(抗力刚单刚)要点毛：◆其局候部坐犯标系羞与总回体坐喉标系本一致哈；◆由温医氏假蜻定求稻抗力闪。墙脚将弹性逼支座晃单元专刚度廊矩阵结构胁力学引方法3.单元肝刚度难矩阵图15煌-7弹性追链秆菊单元茄示意昏图3.单元正刚度惹矩阵图5-待8墙角工弹性站支座埋单元商示意位图结构震力学咏方法4.建立忠结构社刚度分方程（1）结偶构刚记度方的程的保形成（2）异结构闯刚度愧矩阵飘的特举点◆对称采矩阵(反力劝互等绑定理)；◆稀疏壮的带呼状矩满阵，醋非零哭元素烘的个寸数一仙般只嫂占元狐素总垦数的5％左桥右；◆是非难奇异恳矩阵愁。因喜抗力影弹簧瞒本身俱就是隆对衬扑砌结赚构的陵约普束，其故衬可砌结唇构不赌能作致刚体梯移动塔。结构恋力学龙方法5.未知纲节点县位移疾的求盟解和召弹性幅支承纱的调海整（1）边镜界条么件◆围岩节抗力你弹簧喊支承坛就是瞧一种啊边界交约束较，已市在拼框总刚紧中考聋虑了剂；◆基底拉支座息～水亭平位竿移为0。（2）方焦程组骑求解誓：高拨斯消捉去法住；迭烂代法（3）对爷围岩苗抗力逃弹簧养支承个的自促动调骆整结构段力学舞方法6.衬砌兔内力倦的计蚊算（1）单活元结汤点位响移（2）单隔元结狡点力结构厉力学卫方法7.直刚得法计顽算流批程图结构何力学朽方法特点亭：◆支护担结构榆与围殊岩视逃为一追体，瓜共同钓承受顽荷载丝式，且初以蛇围岩处作为柏承载铺主体始；◆支护姨结构兰约束膝围岩皂的变涝形；◆采用岂岩体落力学悔方法眠计算炒；◆围岩非体现埋为形智变压收力。适用垂于：锚喷性支护岩体蔬力学役方法1、解析喉法岩体垒力学派方法2数值轻分析火法岩体驴力学口方法1.概述◆边界滴元法俊、无华限元坊法、袄有限功元法毙、有句限元饶法耦贪合方蹄法等荡，仅忽介绍值有限厉元法2.有限半元法活处理唐特点（1）单畅元类评型的逐选择赵和网周格划畅分2数值柿分析隙法图15着-1壶1隧道糠计算议范围剃及网迎格划扩分岩体臣力学袭方法（2）计每算范郊围的工选取①杨隧道引开挖爪影响糟范围药～距安开挖秤面中乡丰心点3~烟5倍洞材跨的刚范围猎；②敢边界奇上位别移为可零。岩体境力学既方法（3）边循界条闪件和缎初始蔽应力（4）卸悦荷释补放荷衬载及己卸荷革过程手模拟（5）开动挖施惰工步影骤的凶模拟（6）求波单元呼应力（8）有管限元文法计寸算的域可信猾度（7）围蓄岩与揪支护臣结构搬稳定策性判粗断岩体疲力学卖方法5.代3半衬招砌的西计算拱圈型直接故支承搁在隧页道围担岩侧染壁上牢时，慕称为疑半衬腰砌●适合液于坚虾硬和易较完敲整的川围岩(Ⅱ、Ⅲ级)；15冬.3半衬盾砌的蔬计算⑴在垂快直荷否载作堡用下佛拱圈棚向隧棚道内茎变形蜡为自由咱变形，不苦产生窜弹性株抗力关；1、基抓本假乘定⑵拱脚族产生角位织移和剃线位困移，并首使拱芬圈内课力发隔生改备变，习计算冶中除摊按固幸端无软铰拱述考虑械外，芳还必爷须考幅虑拱脸脚位睡移的仇影响⑶拱脚没有吵径向欢位移，只象有切长向位启移；⑷对称梢的垂急直分祥位移彻对拱帜圈内岔力不粮产生灾影响阔；⑸拱脚愈的转蚊角温和抓切向供位移车的水蕉平分肤位移锈是必笔须考先虑的1、基县本假祝定2、基使本结突构式中吵：肃是稀单位租变位萍，即纵在基威本结某构上银，因苹作用抹时，夫在算方向换上所煮产生谷的变鞠位；壮为荷当载变州位，政即基亮本结附构因赶外荷洗载作匪用，籍在岛方幸向的爱变位陵；f为拱顺圈的璃矢高拢；3、正顽则方险程2、单攻位变作位及议荷载狗变位猾的计冈算由结搂构力火学求藏变位异的方氧法（杰轴向宴力与损剪力昌影响扒忽略绒不计低）知扒道：2、单苦位变书位及省荷载恶变位溪的计栋算在很掀多情药况下勉，衬他砌厚士度是裹改变爽的，愿给积箭分带袭来不燥便，向这时谋可将道拱圈则分成泪偶数值段，追用抛筛物线顺近似寸积分暑法代许替。3、拱变脚位战移计瘦算⑴自单位纸力矩赛作用诉时⑵单位奶水平咱力作祥用时单位迟水平跨力可紧以分次解为击轴向裤分力阀和切烟向分享力进，易计算皇时只乖需考健虑轴诊向分架力的均影响责，作理用在好围岩威表面脆的均犁布应百力自和拱姿脚产攻生的袋均匀食沉陷燥为：的水片平投造影即脆为点a的水课平位弄移脂，均匆匀沉掉陷时丸拱脚棵截面掘不发雾生转她动，持则有懒：（3）辫外荷炕载作喇用时在外熟荷载歌作用率下，省基本歉结构祸中拱典脚点削处产辉生弯隶矩庸和轴晒向力颠，剪如图尊所示援，拱旬脚截援面的落转角球和黑水平蜘位移疑为慨：(4甩)拱脚趋位移拱脚闪的最载终转区角淋和储水平骡位移净可分满别考夫虑蚁和馒外荷莫载的栋影响把，按占叠加衰原理津求得隔，可蚀表示便为：4拱圈矩截面恳内力将以湾上两择组方椅程代谎入正捕则方兴程可迁得：令则任挎意截月面处跃的内姨力为15闻.4曲墙慌式衬丝式砌计猜算15孤.4曲墙绝式衬南砌计砖算●丧常用录于Ⅳ～Ⅵ级围民岩；●暮拱圈屈和曲域边墙迟作为缺一个损整体仙按无宇铰拱播计算扔；●可施工器时仰研拱是黄在无富铰拱罚业已堤受力船之后湖修建庆的，泊不考尝虑仰庆拱对造衬砌模内力舰的影圾响碰；1计算款假设⑴追在主睁动荷届载作再用下肯，顶陈部衬粉砌向减隧道腔内变鸭形而宵形成惕脱离乒区，平两侧垂衬砌诸向围昏岩方阁向变办形，窃引起喝围岩友对衬燃砌的粉被动旺弹性结抗力⑵屑上零樱点b（即闷脱离透区与语抗力宫区的沸分界扮点）河与衬椒砌垂软直对视称中奏线的渡夹角涌假定喂为⑶豆下零知点a在墙抹脚⑷最大仔抗力相点h假定梦发生狭在最腔大跨霞度处帜附近良，计捆算时浴一般脏取触为政简化谜计算维可假蹄定在慢分段踏的接静缝上铃。⑸考抗力疤图形寻的分谦布假桨定为为二次菠抛物改线bh段：ha段：⑹忽略拳衬砌刘与围体岩之虾间的掌摩擦任力⑺慎墙脚絮支承脉在弹歼性岩栗体上枕，可仙发生但转动省和垂糠直位求移(无水娇平位纵移)2、主辈动荷培载作劳用下篇的力巨法方设程和迅衬砌朱内力式中懒为屠墙底器位移泄。分缩慧别计枕算笨和外疯荷载祖的影增响，部然后音按照亩叠加庄原理胳相加出得到2、主肢动荷锄载作诞用下抹的力肿法方阿程和酿衬砌沙内力由于帽墙底篇无水脖平位勤移，断故式中叔：衔是换基本劈燕结构翻的单升位位四移和凶主动票荷载爬位移抱；公是验墙底声单位孤转角真；事为基设本结姑构墙误底的扶荷载充转角筝；f为衬气砌的眨矢高博。求得情后，餐在主奖动荷酸载作橡用下丘，衬北砌内渠力即宗可计针算：在具址体进佩行计阵算时忽，还插需进芦一步硬确定箱被动脖抗力国的大瞒小，针这需钟要利搁用最扶大抗盛力点h处的查变形析协调介条件厦。3、最挥大抗烈力值数的计时算●先塔求出寸和●变痛位由抖两部肿分组墓成，鼠即结茶构在腰荷载蜘作用附下的历变位颂和因侮墙底离变位炕（转音角）密而产每生的破变位宏之和●罢h点所蓄对应慨的依，胶则该援点的悄径向赖位移灵约等旨于水越平位主移●洲拱顶翼截面挠的垂算直位判移对h点径添向位座移的优影响良可以脊忽略表不计按照员结构壶力学阶方法旗，在h点加糊一单练位力队，酿可以旬求得猜和4、在友单位属抗力乎作用取下的河内力将抗荐力图债视为瓜外荷信载单琴独作扛用时妇，未料知力感及反可以行参照改及草的具求法会得出4、在稿单位厅抗力重作用臭下的闻内力解出姜及唱后，药即可事求出类衬砌免在单黑位抗竟力图惑为荷体载单匠独作鞭用下路任一锐截面达内力挤：5、衬偿砌最涉终内芹力计棕算及米校核忍计算顺结果南的正交确性衬砌公任一家截面敢最终止内力觉值可镜利用必叠加丛原理系求得净：校核律计算姜结果但正确挂性时恰，可龄以利教用拱垃顶截蚀面转珠角和鲁水平薯位移奶为零气条件藏和最慨大抗妙力点a的位刘移条封件：式中抗是振墙底窗截面鞭最终与转角，5.千5直墙崇式衬基砌计卫算15画.5直墙沃式衬驳砌计常算1、计装算原筑理⑴涛拱圈驶按弹性脏无铰痛拱计算养，边琴墙按弹性陵地基杏上的招直梁计算登，并鉴考虑尊边墙吨与拱材圈之灯间的扯相互安影响乳；⑵姓边墙兽支承换拱圈滥并承症受围烈岩压隶力；⑶由拱脚腐区段扩的弹些性抗梯力为叮二次煮抛物辈线分唱布位于45o～55o之间⑷咸Wi艇nk窑le煮r假定熊成立珠，即⑸饲拱脚鲜位移批考虑岁边墙面顶变吐位的至影响2、边捕墙的吴计算——弹性旅地基佩上的敬直梁⑴挥直边沙墙计侍算分谣类：●轮刚赢性边妹墙●阴短边艇墙●蚕长路边墙⑵边墙墓为短尘梁的划计算蔽：短梁民的一踏端受哥力及蛙变形更对另垫一端斩有影苏响，洒计算尊墙顶椅变位吩时，虏要考诵虑到答墙脚行的受民力和贝变形物的影勒响。●墙顶扁在单协位弯赚矩坚单独利作用竭下，总墙顶井的转驶角陷和水拣平位见移钓为●墙顶众在单揭位水利平力=1单独奖作用梳下，览墙顶糟位移落为党和惩为●在主暑动侧回压力缠（梯赶形荷聪载）值作用孩下，爽墙顶让位移补为：其中为基待底弹意性抗册力系刚数；k是侧戒向弹购性抗谢力系妻数；晕是基勿底作币用有膏单位期力矩把时所截产生幼的转校角；h为边命墙的优侧面初高度月；最后饿结果挥为：⑶长边迷墙计五算——弹性飞地基勿上的梦半无绍限长踩梁，坡墙顶肺受力勤与墙积底无约关，菊上述嘱公式巾可得俊到一公定的烧简化投。墙项骨单位呢位移纽奉可以茅简化悼为：⑷边墙毯为刚苗性梁●近似兔作为抓弹性拣地基促上的因绝对且刚性辨梁，子近似次认为需（即绩）●边墙筋本身玩不产灯生弹弃性变捡形，膊在外息力作添用下宇只产乌生刚令体位牌移，缺墙顶授处为姨最大壤值为财：称为跃刚榜性墙婆的综完合转写动惯精量，李因而径墙侧以面的稻转角咬为：15确.6衬砌附截面呜强度宿验算1、衬客砌结娘构检睁算目前甩我国巾公路昆隧道份设计核规范盐规定央，隧糖道衬虫砌和候明洞胀应按凶破损逆阶段攻检算括构件急截面强度。结绘构抗裂有要昏求时既，对胀混凝台土构狠件进股行抗壶裂验轻算。2、偏肃心受拌压构兴件的