隧道工程第章隧道結(jié)構(gòu)計算

隧道工程第6章隧道結(jié)構(gòu)計算本章學(xué)習(xí)要求：（1）熟悉公路隧道的荷載類型及其隧道結(jié)構(gòu)的計算模型簡化方法；（2）掌握半襯砌和曲墻式襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算方法；（3）了解公路隧道的數(shù)值分析方法。第6章隧道結(jié)構(gòu)計算6.1概述6.2隧道襯砌上的荷載類型及其組合6.3半襯砌的計算6.4曲墻式襯砌計算6.5直墻式襯砌計算6.6襯砌截面強度驗算6.7單元剛度矩陣6.8結(jié)構(gòu)剛度方程6.1概述1、隧道結(jié)構(gòu)環(huán)境及其簡化2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型1、隧道結(jié)構(gòu)環(huán)境及其簡化⑴隧道結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別

隧道結(jié)構(gòu)工程特性、設(shè)計原則和方法與地面結(jié)構(gòu)完全不同⑴隧道結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別●隧道結(jié)構(gòu)是由周邊圍巖和支護結(jié)構(gòu)兩者組成共同的并相互作用的結(jié)構(gòu)體系●周邊圍巖在很大程度上是隧道結(jié)構(gòu)承載的主體

●隧道襯砌的設(shè)計和計算應(yīng)結(jié)合圍巖自承能力進行，保證使用壽限內(nèi)的安全度------在保證安全的前提下盡可能地經(jīng)濟⑴隧道結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別⑵隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題根據(jù)實際環(huán)境和邊界條件如何簡化對計算結(jié)果影響非常重要⑵隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題⑵隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題●在十九世紀(jì)末，隧道襯砌結(jié)構(gòu)是作為超靜定彈性拱計算的，但僅考慮作用在襯砌上的圍巖壓力，忽視了圍巖對襯砌的約束作用●彈性抗力：襯砌在受力過程中的變形，一部分結(jié)構(gòu)有離開圍巖形成“脫離區(qū)”的趨勢，另一部分壓緊圍巖形成所謂“抗力區(qū)”，在抗力區(qū)內(nèi)，約束著襯砌變形的圍巖相應(yīng)地產(chǎn)生被動抵抗力⑵隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題●進入本世紀(jì)后，通過長期觀測，發(fā)現(xiàn)圍巖不僅對襯砌施加壓力，同時還約束著襯砌的變形。圍巖對襯砌變形的約束，對改善襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有利，不容忽視⑵隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題⑶局部變形理論和共同變形理論●局部變形理論：是以溫克爾（E.Winkler）假定為基礎(chǔ)的。它認為應(yīng)力和變形之間呈線性關(guān)系，即為圍巖彈性抗力系數(shù)●共同變形理論把圍巖視為彈性半無限體，考慮相鄰質(zhì)點之間變形的相互影響。⑶局部變形理論和共同變形理論2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型

計算模型的如何建立？隧道結(jié)構(gòu)計算如何簡化？不同簡化計算結(jié)果差異大！

2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型

國際隧道協(xié)會(ITA)認為，目前采用的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計方法可以歸納為以下4種設(shè)計模型：●以工程類比為主的經(jīng)驗設(shè)計法；●以現(xiàn)場量測和試驗為主的實用設(shè)計法●荷載—結(jié)構(gòu)模型方法●巖體力學(xué)模型方法，包括解析法和數(shù)值法。2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型

從各國的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐看，目前主要采用兩類計算模型：●一類是以支護結(jié)構(gòu)作為承載主體，結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，又稱為荷載－結(jié)構(gòu)模型；●另一類則相反，視圍巖為承載主體，支護結(jié)構(gòu)則為約束圍巖變形的模型，即巖體力學(xué)模型或稱為圍巖—結(jié)構(gòu)模型。

6.2隧道襯砌上的荷載類型1、隧道結(jié)構(gòu)上的基本荷載2、隧道結(jié)構(gòu)上的荷載及其類型1、基本荷載（1）圍巖壓力（2）結(jié)構(gòu)自重力2、隧道舍結(jié)構(gòu)上必的荷載脫及其類肅型按其軍性質(zhì)宜可以映區(qū)分熟為兩肝大類:●主動第荷載是主亂動作南用于名結(jié)構(gòu)書、并女引起咸結(jié)構(gòu)扣變形催的荷是載；●被動荷澆載是因壁結(jié)構(gòu)貴變形鑄壓縮夏圍巖模而引拆起的纖圍巖選被動華抵抗故力，槽即彈偷性抗知力，庭它對致結(jié)構(gòu)潮變形窗起限傾制作轉(zhuǎn)用。2、隧道先結(jié)構(gòu)上胸的荷載踩及其類溝型《公路帝隧道距設(shè)計款規(guī)范》JT騎GD惡70-刺200鎮(zhèn)4將隧道放結(jié)構(gòu)上查荷載仿華照橋規(guī)零分為：●永久數(shù)荷載●可變惑荷載●偶然范荷載編號荷載類型荷載名稱1永久荷載（恒載）圍巖壓力2結(jié)構(gòu)自重力3填土壓力水壓力4混凝土收縮和徐變影響力5可變荷載基本可變荷載公路車輛荷載，人群荷載6立交公路車輛荷載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力7

立交鐵路列車活載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力8其它可變荷載立交渡槽流水壓力9溫度變化的影響力10凍脹力施工荷載11偶然荷載落石沖擊力12地震力隧規(guī)P2州8：表6.1丙.1作用葬在隧交道結(jié)鎖構(gòu)上渣的荷萌載荷載組專合：●結(jié)構(gòu)自資重＋圍印巖壓力圖＋附加饒恒載（基本莫）●結(jié)構(gòu)種自重券＋土能壓力抗＋公惰路荷召載＋寬附加浴恒載●結(jié)構(gòu)自份重＋土芹壓力＋壓附加恒有載＋施佛工荷載＋溫度蹈作用力●結(jié)構(gòu)自肅重＋土壁壓力＋合附加恒澇載＋地刃震作用附加恒咱載：伴禾隨隧道刻運營的罷各種設(shè)般備設(shè)施弓的荷載秤等。6.3半襯爹砌的淚計算拱圈直丸接支承卷在隧道斷圍巖側(cè)仿壁上時著，稱為邪半襯砌●適合于鏈堅硬和獅較完整折的圍巖(Ⅱ、Ⅲ級)；6.3半襯砌蹲的計算⑴在垂直深荷載作窩用下拱精圈向隧塊道內(nèi)變朗形為自由變此形，不撒產(chǎn)生民彈性兇抗力堅；1、基胳本假辟定⑵拱腳產(chǎn)完生角位野移和蛙線位講移，并牧使拱漠圈內(nèi)慢力發(fā)槐生改忠變，青計算厘中除角按固每端無霸鉸拱滿考慮巷外，副還必郊須考良慮拱葉腳位值移的張影響⑶拱腳沒有侮徑向員位移，只有闊切向位伍移；⑷對稱的塔垂直分凳位移對度拱圈內(nèi)抓力不產(chǎn)袍生影響迅；⑸拱腳的麗轉(zhuǎn)角跑和切向欄位移的熟水平分黎位移歲是必須背考慮的1、基置本假眠定——有支座析位移無蒸鉸拱2、基毅本結(jié)急構(gòu)式中：棕是單位餅變位，價即在基簡本結(jié)構(gòu)牲上，因枯作用時只，在鄙方數(shù)向上所逮產(chǎn)生的祖變位；喚為舊荷載變爹位，即過基本結(jié)消構(gòu)因外孤荷載作痰用，在凈方姨向的變構(gòu)位；f為拱寺圈的傭矢高政；3、正則視方程2、單塊位變歡位及羊荷載兩變位矩的計狀算由結(jié)構(gòu)反力學(xué)求藝變位的酒方法（末軸向力拌與剪力劉影響忽攻略不計伏）知道匹：2、單位稻變位及見荷載變棚位的計貨算在很多文情況下麻，襯砌端厚度是營改變的改，給積賞分帶來奧不便，齊這時可隊將拱圈挑分成偶為數(shù)段，擠用拋物拒線近似隙積分法每代替。3、拱悅腳位規(guī)移計出算⑴單做位力矩頭作用時⑵單位水猴平力作餓用時單位晨水平倘力可果以分句解為商軸向淘分力狠和切念向分殼力閣，宋計算良時只臭需考蓬慮軸請向分幣力的潑影響賤，作躬用在賭圍巖敗表面詞的均觸布應(yīng)彼力鉤和拱爽腳產(chǎn)方生的咐均勻誰沉陷偏為：的水平圓投影即單為點a的水平握位移圣，均計勻沉陷梢時拱腳詞截面不撫發(fā)生轉(zhuǎn)姓動，則垃有：（3）外念荷載作礎(chǔ)用時在外荷析載作用闊下，基捏本結(jié)構(gòu)怠中拱腳護點處產(chǎn)刺生彎矩慣和慚軸向力先，勁如圖所勇示，拱僚腳截面閉的轉(zhuǎn)角渴和杠水平位茂移聚為：(4寄)拱腳位科移拱腳的辮最終轉(zhuǎn)舌角腫和溪水平位魔移辯可到分別考砍慮和外望荷載堂的影滅響，類按疊惑加原竿理求奔得，躬可表版示為鹿：4拱圈桌截面挖內(nèi)力將以即上兩私組方屈程代石入正縮慧則方肺程可缸得：令則任意謠截面處坊的內(nèi)力黎為6.4曲墻劇式襯身砌計據(jù)算●常獸用于Ⅳ～Ⅵ級圍廳巖；●拱唉圈和曲適邊墻作責(zé)為一個紛整體按無鉸拱計算勁；●矮施工煉時仰殲拱是例在無徐鉸拱膠業(yè)已踏受力處之后加修建梳的，互不考等慮仰貸拱對謎襯砌以內(nèi)力伯的影疊響邁；1計算假斃設(shè)⑴扎在主殘動荷溪載作失用下裙，頂湊部襯莖砌向桌隧道雄內(nèi)變盡形而冊形成種脫離窩區(qū)，長兩側(cè)咸襯砌忠向圍庸巖方陶向變返形，技引起置圍巖赴對襯什砌的托被動首彈性喬抗力⑵上槐零點b（即脫匯離區(qū)與撐抗力區(qū)冠的分界扇點）與鍛襯砌垂添直對稱遣中線的歉夾角假做定為⑶鳥下零絲式點a在墻慘腳⑷最大馳抗力念點h假定發(fā)懼生在最學(xué)大跨度喚處附近脫，計算逐時一般躬取昂為簡易化計算糕可假定為在分段影的接縫廟上。⑸抗目力圖形稈的分布悲假定為菊二次拋脆物線bh段：ha段：⑹忽略襯摩砌與圍顫巖之間受的摩擦內(nèi)力⑺墻愧腳支承嗎在彈性潮巖體上波，可發(fā)更生轉(zhuǎn)動嘩和垂直愛位移(無水揀平位蜓移)2、主動蒜荷載作拍用下的釋力法方驅(qū)程和襯刑砌內(nèi)力式中蜓為將墻底位付移。分歐別計算知和軍外荷載襪的影響乞，然后癢按照疊灑加原理衣相加得停到2、主動柏荷載作母用下的蕩力法方蔥程和襯珠砌內(nèi)力由于墻楚底無水改平位移廟，故式中：植是雖基本結(jié)悉構(gòu)的單嗽位位移昏和主動靈荷載位像移；攝是墻底奶單位轉(zhuǎn)季角；慣為基易本結(jié)構(gòu)臨墻底的少荷載轉(zhuǎn)蜜角；f為襯稱砌的廢矢高距。求得虧后，在柴主動荷蹈載作用誕下，襯券砌內(nèi)力篇即可計著算：在具短體進笑行計重算時烤，還俘需進千一步染確定柏被動飯抗力瞧的大車小，錘這需權(quán)要利蠅用最奔大抗尋力點h處的變形協(xié)說調(diào)條件。3、最大介抗力值謹?shù)挠嬎恪裣染闱蟪黾ず汀褡儍晕挥擅瘍刹空址纸M叉成，洲即結(jié)抹構(gòu)在憂荷載鍵作用待下的舍變位青和因禮墻底棉變位綿（轉(zhuǎn)等角）拐而產(chǎn)永生的文變位抖之和●畫h點所對威應(yīng)的歇，則父該點的挨徑向位建移約等后于水平恨位移●堆拱頂椅截面還的垂絲式直位掛移對h點徑萍向位屋移的值影響恐可以雨忽略綢不計按照陣結(jié)構(gòu)吩力學(xué)車方法對，在h點加一陶單位力雀，陶可以求菊得心和4、在施單位狂抗力駕作用往下的膨內(nèi)力將抗旨力圖士視誘為外奴荷載澡單獨它作用核時，方未知闖力腿及瓶可朗以參硬照消及凡的求男法得攀出4、在單匹位抗力西作用下酸的內(nèi)力解出草及廢后，戀即可求答出襯砌哭在單位塑抗力圖識為荷載旁單獨作維用下任盯一截面蒼內(nèi)力：5、襯廟砌最現(xiàn)終內(nèi)揀力計裝算及醬校核社計算京結(jié)果朱的正屠確性襯砌任賀一截面遠最終內(nèi)窩力值可僻利用疊付加原理廈求得：校核計潮算結(jié)果逐正確性梨時，可艇以利用海拱頂截高面轉(zhuǎn)角缺和水平膨位移為劉零條件艦和最大大抗力點a的位坑移條簽件：式中毛是墻酷底截面捐最終轉(zhuǎn)碑角，6.扔5直墻糠式襯絮砌計好算6.5直墻式唯襯砌計賄算1、計床算原間理⑴聞拱圈漢按彈性瘦無鉸浮拱計算，揮邊墻按彈性地襲基上的放直梁計算亦，并芳考慮瞧邊墻競與拱蠶圈之穴間的魔相互漂影響忍；⑵詳邊墻丟支承跪拱圈寧并承談受圍攏巖壓賺力；⑶拱討腳區(qū)段劍的彈性往抗力為鹿二次拋喚物線分避布位于45o～55o之間⑷涌Wi閱nk敢le竿r假定成恭立，即⑸聯(lián)拱腳仇位移拌考慮市邊墻病頂變?nèi)肝坏穆曈绊?、邊墻示的計算——彈性地旅基上的膨直梁⑴直瓜邊墻計夫算分類豬：●蹦剛性邊菠墻●勻短邊母墻●甲長邊墻⑵邊墻為壤短梁的故計算：短梁溉的一納端受習(xí)力及亦變形鋼對另昌一端礎(chǔ)有影排響，井計算拔墻頂御變位懲時，抹要考登慮到疾墻腳器的受辦力和扣變形桂的影惹響?！駢敵试趩吻蛭粡澷|(zhì)矩喬單獨牧作用侮下，懸墻頂掃的轉(zhuǎn)層角毒和水悄平位透移悠為●墻頂在墾單位水確平力=1單獨作氧用下，猛墻頂位倆移為晉和晴為●在主動圖側(cè)壓力磨（梯形刃荷載）泳作用下宇，墻頂找位移晉為：其中為基克底彈由性抗碌力系湖數(shù)；k是側(cè)槍向彈聰性抗體力系炭數(shù)；怒是基吹底作編用有梅單位寧力矩瞇時所竿產(chǎn)生忘的轉(zhuǎn)殺角；h為邊蘇墻的漸側(cè)面首高度俱；最后棵結(jié)果救為：⑶長邊墻新計算——彈性地千基上的滅半無限呢長梁，股墻頂受幅力與墻掛底無關(guān)斑，上述話公式可五得到一滴定的簡逐化。墻項單瞞位位移君可以簡門化為：⑷邊墻為串剛性梁●近似作蘭為彈性獸地基上痕的絕對瓶剛性梁顏，近似磨認為弓（即薯）●邊墻晚本身睜不產(chǎn)箏生彈閑性變皇形，損在外僑力作千用下頁只產(chǎn)岔生剛味體位底移，嘩墻頂凍處為無最大唐值為雙：稱為素剛性墻德的綜合辣轉(zhuǎn)動慣夏量，因鋸而墻側(cè)恐面的轉(zhuǎn)道角為：6.親6襯砌截柜面強度棋驗算1、襯砌能結(jié)構(gòu)檢愛算目前我嫩國公路熱隧道設(shè)僑計規(guī)范枕規(guī)定，裙隧道襯帽砌和明樂洞應(yīng)按盾破損階范段檢算聽構(gòu)件截模面強度。結(jié)豎構(gòu)抗裂有要握求時屬，對計混凝枕土構(gòu)播件進拆行抗西裂驗災(zāi)算。2、偏疑心受授壓構(gòu)遺件的蓮極限舊承載挑能力擋，計掏算截瓦面的仆抗壓霞（或憶抗拉擇）強坡度安裙全系駁數(shù)K。檢查由是否滿市足規(guī)范蘆所要求疏的數(shù)值雕，即：式中：降是截面么的極限沫承載能妙力；通為截掃面的實岡際內(nèi)力(軸向改力)竭;是規(guī)范院所規(guī)定斜的強度熊安全系沉數(shù)，見亡下表混凝土連和砌體下結(jié)構(gòu)的業(yè)強度安曠全系數(shù)圬工種類混凝土砌體荷載組合永久荷載+基本可變荷載永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載永久荷載+基本可變荷載永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載混凝土或砌體達到抗壓極限強度2.42.02.72.3混凝土達到抗拉極限強度3.63.0鋼筋祖混凝孟土結(jié)鋒構(gòu)的飲強度聞安全捎系數(shù)荷載組合永久荷載+基本可變荷載永久