《隧道工程(第六讲--隧道支护结构设计)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《隧道工程(第六讲--隧道支护结构设计)（124页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,s o u t h w e s t j I a o t o n g u n I v e r s I t y,西南交通大学 Southwest Jiaotong University,隧道工程课程 第 六 讲 隧道支护结构设计（2）,内容提要,1 结构力学设计方法 2 其他设计方法 3 常用计算软件介绍,隧道支护结构设计,一 结构力学设计方法,隧道支护结构设计,一、隧道工程的受力特点,（1）荷载的模糊性 （2）围岩物理力学参数难以准确获得 （3）围岩压力承载体系不确定 围岩不仅是荷载，同时又是承载体； 地层压力由围岩和支护结构共同承受； 充分发挥围岩自身承载力的重要性。 （4）设计受施工方法和
2、施作时机的影响很大 （5）与地面结构受力的不同围岩抗力的存在,隧道支护结构设计,二、隧道结构体系计算模型,1.结构力学模型,特点： 以支护结构作为承载主体； 围岩对支护结构的作用间接地体现为两点： 围岩压力； 围岩弹性抗力。 采用结构力学方法计算。 适用于：模筑砼衬砌,隧道支护结构设计,二、隧道结构体系计算模型,2.岩体力学模型,特点： 支护结构与围岩视为一体，共同承受荷载，且以围岩作为承载主体； 支护结构约束围岩的变形； 采用岩体力学方法计算； 围岩体现为形变压力。 适用于：锚喷支护,隧道支护结构设计,三、结构力学方法计算原理,它将支护结构和围岩分开来考虑: （1）支护结构是承载主体，围岩作
3、为荷载的来源和支护结构的弹性支承 （2）隧道支护与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来体现的 （3）围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接地考虑,结构力学设计方法,主动荷载模型,假定弹性反力模型,计算弹性反力模型,常用计算模型,结构力学设计方法,主动荷载模型,适用于围岩与支护结构“刚度比”较小，或饱和含水或用于初步设计,结构力学设计方法,主动荷载模型,假定弹性反力模型,计算弹性反力模型,常用计算模型,结构力学设计方法,假定弹性反力模型,几乎能适用于所有围岩类型，只不过抗力的大小和范围不同而已,结构力学设计方法,主动荷载模型,假定弹性反力模型,计算弹性反力模型,常用
4、计算模型,结构力学设计方法,计算弹性反力模型,如弹性地基上的闭合框架、弹性支承法等,结构力学设计方法,1 矩形框架结构（地铁车站） 在地下铁道中讲述 2 装配式衬砌（地铁区间） 在水下隧道中讲述 3 拱形结构（山岭隧道） 本节重点讲述!,与结构形式相适应的计算方法,结构力学设计方法,拱形结构,与结构形式相适应的计算方法,半拱结构：不考虑弹性反力 曲墙式衬砌：假定弹性反力 直墙式衬砌：假定弹性反力+弹性地基梁,结构力学设计方法,计算模型：荷载-结构模型 只有竖向荷载的作用，无侧向荷载的作用,半拱形结构计算,适用条件：地质条件好，不需修边墙的山岭隧道； 大型落地拱结构,如飞机库；,半拱形结构的适用
5、条件及计算模型,结构力学设计方法,用结构轴线代替原衬砌的横断面, 纵向长度取1m； 拱脚弹性固定在围岩上，相当于弹性固定的无铰拱; 因拱脚截面的剪力很小，而与围岩间摩擦较大，故径向位移为0，用径向刚性连杆表示;,半拱形结构计算,计算图式、基本结构及典型方程的建立,结构力学设计方法,半拱形结构计算,由于半拱圈的拱矢和跨度的比值不大，在竖向荷载的作用下，结构为自由变形，无弹性抗力(脱离区);,因此，半拱形结构为拱脚弹性固定的无铰拱（考虑底部地基变形），为三次超静定结构。,计算图式、基本结构及典型方程的建立,结构力学设计方法,半拱形结构计算,典型方程的建立,正对称的结构，作用有正对称的荷载，利用对称
6、性，从拱顶切开，取基本结构如右图,结构力学设计方法,半拱形结构计算,计算关键： 拱顶单位位移和荷载位移的计算； 拱脚位移的计算。,结构力学设计方法,1）拱顶单位位移和荷载位移的计算：,根据结构力学中位移计算方法，可求的某一点在单位力作用下，沿k方向的位移（忽略剪力作用）为：,结构力学设计方法,1）拱顶单位位移和荷载位移的计算：,将X1（弯矩），X2（轴力），X3（剪力，取零）以及外荷载作用下结构各截面内力代入可得：,结构力学设计方法,1）拱顶单位位移和荷载位移的计算：,单位位移和荷载位移的计算分两种情况： （1）当半拱为一段规则圆弧时，可直接积分计算； （2）当半拱为多段圆弧时，将圆弧衬砌分块
7、，采用辛普生求和公式；,结构力学设计方法,典型方程,半拱形结构计算,结构力学设计方法,2）拱脚位移的计算：,基本思路： 求出拱脚支承面在单位力（力矩、竖直力、水平力）作用下位移（转角、水平位移）； 求出赘余力及外荷载作用下的拱脚反力； 由拱脚反力与各单位力位移计算拱脚位移,结构力学设计方法,2）拱脚位移的计算：,结构力学设计方法,2）拱脚位移的计算：,结构力学设计方法,2）拱脚位移的计算：,结构力学设计方法,2）拱脚位移的计算：,结构力学设计方法,2）拱脚位移的计算：,（b）拱脚支承反力的计算,结构力学设计方法,结构力学设计方法,2）拱脚位移的计算：,（c）拱脚位移计算,结构力学设计方法,3）
8、衬砌截面内力的计算：,结构力学设计方法,3）衬砌截面内力的计算：,结构力学设计方法,曲墙拱形结构计算, 计算图示的建立 用结构的轴线代替原衬砌断面; 在计算中将拱圈和边墙作为一个整体，把它看成是一个支承在弹性围岩上的高拱结构； 因底部摩擦力很大，无水平位移； 衬砌在以竖向压力为主的主动荷载作用下，拱圈的顶部发生向坑道内的变形不受围岩的约束，形成“脱离区”。衬砌结构的侧面部分则压向围岩，形成“弹性反力区”，引起相应的弹性反力。,计算原理,结构力学设计方法,曲墙拱形结构计算,计算原理,弹性反力按苏联布加耶娃法假定 分布图形为月牙形分布，分布图形用3个特征点控制 上零点b（即脱离区的边界）与对称轴线
9、间的夹角一般采用 下零点a取在墙底，因该处无水平位移； 最大弹性反力点h可假定在衬砌最大跨度处。,结构力学设计方法,曲墙拱形结构计算,计算原理,最大弹性反力点以下,围岩弹性反力对于衬砌的变形还会在围岩与衬砌间产生相应的摩擦力,分布规律 最大弹性反力点以上,结构力学设计方法,曲墙拱形结构计算,计算原理,弹性地基上的高拱 荷载： 围岩压力 弹性反力 基底位移（约束） 衬砌与围岩的摩擦力,结构力学设计方法,曲墙拱形结构计算,计算思路,在结构与荷载均为对称的条件下，可以从拱顶切开，以一对悬臂曲梁作为基本结构，切开处赘余力为X1、X2，剪力X3 0。 在主动荷载和弹性反力作用下，根据拱顶相对转角及相对水
10、平位移为零的条件，可以得到2个典型方程式；,结构力学设计方法,利用h点变形协调条件来增加1个方程式。,根据叠加原理，h点的最终位移即为:,而h点的位移与该点的弹性反力存在下述关系：,由以上可以推导出：,结构力学设计方法,因此，综上两点可得：,计算关键： 拱顶单位位移和荷载位移的计算； 墙脚位移的计算； 最大跨度处荷载位移的计算,结构力学设计方法,曲墙拱形结构计算,1. 求主动荷载作用下的衬砌内力,结构力学设计方法,曲墙拱形结构计算,1. 求主动荷载作用下的衬砌内力,结构力学设计方法,曲墙拱形结构计算,2. 求单位弹性反力作用下的衬砌内力,结构力学设计方法,曲墙拱形结构计算,3. 位移及最大弹性
11、反力值的计算,主动荷载作用下最大抗力点h点位移的计算,外荷载h点的位移基底转动引起的h点的位移受力引起的h点的位移,基底转动引起的h点的位移：,结构力学设计方法,3. 位移及最大弹性反力值的计算,受力引起的h点的位移：,则外荷载作用下，h点的位移为：,结构力学设计方法,3. 位移及最大弹性反力值的计算, 最大弹性反力的计算,结构力学设计方法,4.衬砌内力计算及校核计算结果的正确性, 利用叠加原理可以求出任意截面最终的内力值,曲墙拱形结构计算, 拱脚截面最终转角,结构力学设计方法,4.衬砌内力计算及校核计算结果的正确性,曲墙拱形结构计算, 按变形协调条件，校核整个计算过程：,结构力学设计方法,直
12、墙拱形结构计算, 结构 拱圈支承在弹性地基梁上的弹性固定无铰拱； 边墙双向弹性地基梁,计算原理,结构力学设计方法,直墙拱形结构计算,计算原理,弹性反力 拱圈：任意截面弹性反力荷载图形假设为二次抛物线，作用方向为径向；计算公式如下； 边墙：用弹性地基梁的方法计算,结构力学设计方法,直墙拱形结构计算,计算原理,附加一个方程：墙顶变位 拱圈内力的计算：在原理上与弹性固定的高拱结构完全相同 ，只是计及墙顶变位 边墙：作为弹性地基上的直梁来计算,结构力学设计方法,直墙拱形结构计算,计算原理,弹性地基梁，按其换算长度l的不同，可分为3种情况： 长梁 l2.75 短梁 1l2.75 刚性梁 1l l为梁的长
13、度（即边墙高度），为弹性地基梁的弹性特征值,边 墙,结构力学设计方法,1.弹性地基梁在梁端荷载作用下的梁端位移计算（仍然采用叠加原理）,直墙拱形结构计算,在弹性地基梁的c端，作用有拱脚传来的外力Mc和Hc，要求c端的位移c和Uc,结构力学设计方法,2. 拱圈内力计算,直墙拱形结构计算,结构力学设计方法,2. 拱圈内力计算,拱圈在拱部单位弹性反力图作用下的计算公式与主动荷载的情况相似； 从上述结果可求出拱部在主动外荷载和单位弹性反力作用下最后的内力 。 此时墙顶位移利用叠加原理，并附加方程。可解出墙顶的所有参数。,结构力学设计方法,3. 边墙内力和位移计算,墙端初参数： 利用弹性地基梁的初参数公
14、式求得边墙各截面的内力和位移:,直墙拱形结构计算,结构力学设计方法,3.边墙内力和位移计算,边墙为短梁时，距墙顶为x的任一截面的内力和位移的计算公式如下：,结构力学设计方法,3.边墙内力和位移计算,拱脚（墙顶）最终位移值， 根据地基局部变形理论求得边墙各截面的抗力为,结构力学设计方法,3.边墙内力和位移计算,边墙为长梁时，距墙顶为x的任一截面的内力和位移的计算公式为：,岩体力学（地层-结构）设计方法,基础：弹性理论、弹塑性理论解析解,这里仅介绍弹性状态下的平面轴对称问题，即初始应力为轴对称分布的圆形隧道问题，围岩视为无重平面，初始应力作用在无穷远处，并假定支护结构与围岩密贴，即外径r0与围岩开
15、挖半径相等，且与开挖同时瞬间完成。 下面以均匀内压水工隧洞的计算为例，说明解析法计算的基本思路。,水工隧洞衬砌的材料主要有混凝土、钢筋混凝土和锚喷支护等。厚度一般在20cm以上，故力学分析中可将其视为厚壁圆筒。在均匀内水压力作用下，厚壁圆筒的内力分析是轴对称问题。,衬砌应力分析,岩体力学（地层-结构）设计方法,将作用于衬砌内表面的水压力记为pw，地层对衬砌外表面作用的形变压力记为pa。 在pw作用下，圆环将向外扩张。设衬砌在半径r处由pw引起的径向位移为u，则该处的圆周长度必从2r增加到2(r+u) ，由此可得到衬砌的切向应变为,衬砌应力分析,岩体力学（地层-结构）设计方法,图中示有从衬砌圆环中取出的单元体。因r的增量为u，故单元体一边的长度dr的增量可记为du，该边长度可记为 。 由此可得衬砌的径向应变为,衬砌应力分析,（6.1.2）,岩体力学（地层-结构）设计方法,衬砌材料的弹性常数为 ，记 ，并依据习惯近似按平面应变问题分析衬砌，则由平面问题极坐标解的物理方程可写为,衬砌应力分析,可解得:,（6.1.4）,（6.1.3）,岩体力学（地层-结构）设计方法,因作用在单元体上的外荷载为零，且在轴对称情况下单元体内力分量中的剪应力也为零，故根据平面问题极坐标解的静力平衡方程式，得出方程,衬砌应力分析,或写成：,（6.1.5）,岩
