《隧道结构计算()ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《隧道结构计算()ppt课件.ppt（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 第六章 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 2 6 1 概述 1 引言 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 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 隧道衬砌的设计计算必须结合围岩自承能力进行 对不同型式衬砌结构物应该用不同方法进行强度计算 3 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
2、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 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 4 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直线关系 即围岩弹性抗力系数 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
3、它用纵向变形系数E和横向变形系 数表示地层特征 并考虑粘结力C和内摩擦角的影响 5 2 隧道结构体系的计算模型 经过总结 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 以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主的经 验设计法 以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法 作用与反作用模型 即荷载 结构模型 连续介质模型 包括解析法和数值法 数值计算法目 前主要是有限单元法 6 从各国的地下结构设计实践看 目前 在设计隧 道的结构体系时 主要采用两类计算模型 一类是以支护结构作为承载主体 围岩作为荷载 同时考虑其对支护结构的变形约束作用的模型 即结 构力学模型
4、又称为荷载一结构模型 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 结构模型或复合整体模型 7 6 2 隧道衬砌上的荷载类型及其组合 1 基本荷载 围岩压力与结构自重力是隧道结构计算的基本荷载 2 隧道结构上的荷载及其类型 作用在衬砌上的荷载 按其性质也可以区分为主动荷载 与被动荷载 主动荷载是主动作用于结构 并引起结构变形的荷载 被动荷载是因结构变形压缩围岩而引起的围岩被动抵抗 力 即弹性抗力 它对结构变形起限制作用 8 表 作用在隧道结构上的荷载 9 6 3 半衬砌的计算 拱圈直接支承在坑道围岩侧壁上时 称为半衬砌 适合于坚硬和较完整的围岩 级
5、 中 用先拱后墙法施工时 在拱圈已作好 但马口尚未 开挖前 拱圈也处于半衬砌工作状态 10 1 计算图式 基本结构及正则方程 在垂直荷载作用下拱圈向坑道内变形 为自由变形 不产生弹性抗力 拱脚产生角位移和线位移 并使拱圈内力发生改变 计算中除按固端无铰拱考虑外 还必须考虑拱脚位移 的影响 假定拱脚没有径向位移 只有切向位移 对称的垂直分位移对拱圈内力不产生影响 拱脚的转角 和切向位移的水平分位移 是必须 考虑的 11 正则方程式 式中 是单位变位 即在基本结构 上 因 作用时 在 方向上 所产生的变位 为荷载变位 即 基本结构因外荷载作用 在方向的 变位 f为拱圈的矢高 为拱脚 截面的最终转角
6、和水平位移 12 2 单位变位及荷载变位的计算 由结构力学求变位的方法 轴向力与剪力影响忽略不计 知道 在很多情况下 拱圈可用抛物线近似积分法代替 13 3 拱脚位移计算 单位力矩作用时 14 单位水平力作用时 单位水平力可以分解为轴向分力 和切向分力 计算时只需考虑轴向分力的影响 作用在围岩表面的均 布应力 和拱脚产生的均匀沉陷 为 的水平投影即为点a的水平位移 均匀沉陷时拱脚截 面不发生转动 则有 15 4 拱脚位移 拱脚的最终转角 和水平位移 可分别考虑 和外荷载的影响 按叠加原理求得 可表示为 3 外荷载作用时 在外荷载作用下 基本结构中 拱脚点处产生弯矩 和轴向力 如图所示 拱脚截面
7、的转角 和水平位移 为 16 令 则任意截面处的内力为 4 拱圈截面内力 将以上两组方程代入正则方程可得 17 6 4 曲墙式衬砌计算 常用于 级围岩 拱圈和曲边墙作为一个整体按无铰拱计算 施工时仰拱是在无铰拱业已受力之后修建的 不考虑仰 拱对衬砌内力的影响 1 计算图式 在主动荷载作用不 顶部衬砌向隧道内变形而形成脱 离区 两侧衬砌向围岩方向变形 引起围岩对衬砌的被动 弹性抗力 上零点b 即脱离区与抗力区的分界点 与衬砌垂直 对称中线的夹角假定为 18 下零点a在墙脚 最大抗力点h假定发生在最大跨度处附近 计算时一般 取 为简化计算可假定在分段的接缝上 抗力图形的分布假定为二次抛物线 bh段
8、 ha段 忽略衬砌与围岩之间的摩擦力 墙脚支承在弹性岩体上 可发 生转动和垂直位移 无水平位移 19 2 主动荷载作用下的力法方程和衬砌内力 式中 为墙底位移 分别计算 和外荷载的影响 然后按照叠加原理相加得 到 由于墙底无水平位移 故 式中 是基本结构的单位位移和主动荷载位移 是墙底单位 转角 为基本结构墙底的荷载转角 f为衬砌的矢高 20 求得 后 在主动荷载作用下 衬砌内力即可计算 在具体进行计算时 还需进一步确定被动抗力 的大小 这需要 利用最大抗力点h处的变形协调条件 21 3 最大抗力值的计算 先求出 和 变位由两部分组成 即结构在荷载作用下的变位和因墙底变位 转角 而产生的变位之
9、和 22 h点所对应的 则该点的径向位移约等于水平位移 拱顶截面的垂直位移对h点径向位移的影响可以忽略不计 按照结构力学方法 在h点加一单位力 可以求得 和 23 4 在单位抗力作用下的内力 将抗力图 视为外荷载单独作用时 未知力 及 可以参照 及 的求法得出 解出 及 后 即可求出衬砌在单位抗力图为荷载单独作用下 任一截面内力 24 5 衬砌最终内力计算及校核计算结果的正确性 衬砌任一截面最终内力值可利用叠加原理求得 校核计算结果正确性时 可以利用拱顶截面转角和水平位移为零 条件和最大抗力点a的位移条件 式中 是墙底截面最终转角 25 6 5直墙式衬砌计算 1 计算原理 拱圈按弹性无铰供计算
10、 边墙按弹性地基上的直 梁计算 并考虑边墙与拱 圈之间的相互影响 变墙支承拱圈并承受围岩压力 拱脚区段的弹性抗力假定为二次抛物线分布 位于45o 55o之间 26 Winkler假定成立 即 拱脚位移考虑变墙顶变位的影响 2 边墙的计算 弹性地基上的直梁 直边墙计算分类 刚性边墙 短边墙 长边墙 边墙为短梁的计算 短梁的一端受力及变形对另一端有影响 计算墙顶变位时 要 考虑到墙脚的受力和变形的影响 27 墙顶在单位弯矩 单独作用下 墙顶的转角 和水平位移 为 墙顶在单位水平力 1单独作用下 墙顶位移为 和 为 在主动侧压力 梯形荷载 作用下 墙顶位移 为 28 其中 为基底弹 性抗力系数 k是
11、侧向弹性抗力系数 是基底作用有单位力 矩时所产生的转角 h为边墙的侧面高度 最后结果为 29 长边墙计算 弹性地基上的半无限长梁 墙顶受力与墙底无 关 上述公式可得到一定的简化 墙项单位位移可以简化为 30 边墙为刚性梁 近似作为弹性地基上的绝对刚性梁 近似 认为 即 边墙本身不产生弹性变形 在外力作用下 只产生刚体位移 即只产生整体下沉和转动 墙底处为零 墙顶处为最大值为 称为 刚性墙的综合转动惯量 因而墙侧面 的转角为 31 6 6 衬砌截面强度验算 1 在算出结构内力之后进行强度检算 目前我国公路隧道设计规范规定 隧道衬砌和明洞按破坏阶段 检算构件截面强度 2 根据混凝土和石砌材料的极限
12、强度 计算出偏心受压构件的极 限承载能力 与构件实际内力相比较 计算截面的抗压 或抗拉 强度安全系数K 检查是否满足规范所要求的数值 即 式中 是截面的极限承载能力 为截面的实际内力 轴向力 是规范所规定的强度安全系数 见表1和2 32 混凝土和砌体结构的强度安全系数 钢筋混凝土结构的强度安全系数 33 3 抗裂要求 当 时 按抗拉强度控制承载能力 并用下式计算 对隧道衬砌和明洞的混凝土偏心受压构件的轴向力偏心距限制 为 不宜大于0 45倍截面厚度 石料砌体偏心受压构件不宜大于0 3倍截面厚度 基底偏心距的限制为 岩石地基不应大于0 25墙底厚度 土质 地基不应大于1 6墙底厚度 4 地基容许
13、承载力 隧道衬砌地基容许承载力可根据围岩类别用工程类比和经验估 算的方法 加以确定 有条件的可进行现场实验 34 本章学习思考题 1 名词解释 共同变形理论 局部变形理论 围岩弹性抗 力 2 隧道结构计算模型有哪些 3 隧道结构上的主要荷载有哪些 附加荷载有哪些 4 对半衬砌的隧道结构计算作了哪些简化假定 5 写出隧道半衬砌计算的力法正则方程式 6 试绘出半衬砌拱圈的弯矩图和轴力图大致形状 7 对隧道曲墙式衬砌计算作了哪些简化假定 8 曲墙式隧道衬砌最终内力较核常用哪三个条件 9 隧道直墙式衬砌计算作了哪些简化假定 10 隧道直边墙的计算类型分为哪些 11 隧道衬砌截面强度验算有哪些内容 35 此课件下载可自行编辑修改 供参考 感谢您的支持 我们努力做得更好 36
