隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算

隧道工程第六章隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算第六章隧道結(jié)構(gòu)計(jì)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(jì)算6.4曲墻式襯砌計(jì)算6.5直墻式襯砌計(jì)算6.6襯砌截面強(qiáng)度驗(yàn)算6.7單元?jiǎng)偠染仃?.8結(jié)構(gòu)剛度方程6.1概述1、引言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(jì)原則和方法與地面結(jié)構(gòu)完全不同

●隧道結(jié)構(gòu)是由周邊圍巖和支護(hù)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(jì)計(jì)算必須結(jié)合圍巖自承能力進(jìn)行；●對(duì)不同型式襯砌結(jié)構(gòu)物應(yīng)該用不同方法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

⑵隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的簡(jiǎn)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(jì)算的，但僅考慮作用在襯砌上的圍巖壓力，忽視了圍巖對(duì)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(shì)，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(dòng)抵抗力●進(jìn)入本世紀(jì)后，通過長(zhǎng)期觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)圍巖不僅對(duì)襯砌施加壓力，同時(shí)還約束著襯砌的變形。圍巖對(duì)襯砌變形的約束，對(duì)改善襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有利，不容忽視。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(rèn)為應(yīng)力和變形之間呈直線關(guān)系，即圍巖彈性抗力系數(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(diǎn)之間變形的相互影響。它用縱向變形系數(shù)E和橫向變形系數(shù)表示地層特征，并考慮粘結(jié)力C和內(nèi)摩擦角的影響。

2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型經(jīng)過總結(jié)，國(guó)際隧道協(xié)會(huì)(ITA)認(rèn)為，目前采用的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可以歸納為以下4種設(shè)計(jì)模型：●以參照過去隧道工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工程類比為主的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法；●以現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)為主的實(shí)用設(shè)計(jì)方法

●作用與反作用模型，即荷載—結(jié)構(gòu)模型●連續(xù)介質(zhì)模型，包括解析法和數(shù)值法。數(shù)值計(jì)算法目前主要是有限單元法。

從各國(guó)的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐看，目前，在設(shè)計(jì)隧道的結(jié)構(gòu)體系時(shí)，主要采用兩類計(jì)算模型●一類是以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體，圍巖作為荷載同時(shí)考慮其對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形約束作用的模型，即結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，又稱為荷載一結(jié)構(gòu)模型；

●另一類則相反，視圍巖為承載主體，支護(hù)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)模型或復(fù)合整體模型。6.2隧道襯砌上的荷載類型及其組合1、基本荷載

圍巖壓力與結(jié)構(gòu)自重力是隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的基本荷載2、隧道結(jié)構(gòu)上的荷載及其類型

作用在襯砌上的荷載，按其性質(zhì)也可以區(qū)分為主動(dòng)荷載與被動(dòng)荷載?！裰鲃?dòng)荷載是主動(dòng)作用于結(jié)構(gòu)、并引起結(jié)構(gòu)變形的荷載；●

被動(dòng)荷載是因結(jié)構(gòu)變形壓縮圍巖而引起的圍巖被動(dòng)抵抗力，即彈性抗力，它對(duì)結(jié)構(gòu)變形起限制作用。編號(hào)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11偶然荷載落石沖擊力12地震力13施工荷載表作用在隧道結(jié)構(gòu)上的荷載6.斷3半襯馬砌的控計(jì)算拱圈陪直接醒支承恰在坑這道圍明巖側(cè)跑壁上藥時(shí)，彎稱為趴半襯網(wǎng)砌●適合筋于堅(jiān)臘硬和姜較完筒整的宰圍巖(Ⅱ、Ⅲ級(jí))中●用先甜拱后惑墻法咳施工腦時(shí)，匙在拱盆圈已彎作好遠(yuǎn)，但暴馬口孔尚未再開挖丘前，尖拱圈攜也處絕于半拋襯砌忘工作斷狀態(tài)1、計(jì)巧算圖仙式、癥基本京結(jié)構(gòu)伶及正倦則方夫程⑴誼在垂區(qū)直荷勇載作縮慧用下耽拱圈胳向坑始道內(nèi)裁變形零，為霜自由威變形禍，不琴產(chǎn)生臘彈性盞抗力捷；⑵潔拱腳歷產(chǎn)生飄角位慎移和獨(dú)線位礎(chǔ)移，釋并使應(yīng)拱圈采內(nèi)力級(jí)發(fā)生悲改變?cè)幔?jì)帖算中敵除按慘固端滅無鉸倡拱考魂慮外蓋，還銀必須映考慮裁拱腳和位移能的影少響⑶旦假定財(cái)拱腳肯沒有棄徑向香位移美，只僻有切韻向位坑移；⑷蒙對(duì)稱宏的垂關(guān)直分訴位移李對(duì)拱盤圈內(nèi)仰力不敘產(chǎn)生顫影響添；⑸脫拱腳畏的轉(zhuǎn)惹角攪和切救向位匯移的圓水平牛分位位移翁是必些須考陜慮的正則煎方程谷式式中傍：贊是單甩位變屠位，都即在沉基本貿(mào)結(jié)構(gòu)鵲上，蛾因歪作喪用時(shí)梅，在部方向枯上所笨產(chǎn)生泛的變尸位；捕為荷激載變渠位，惕即基碑本結(jié)村構(gòu)因缺外荷棚載作桑用，聲在乒方向咱的變?cè)莆?；f為拱書圈的情矢高薦；徐為浙拱腳精截面絮的最降終轉(zhuǎn)繼角和榆水平遵位移恩。2、單娘位變冒位及頭荷載拍變位鏈的計(jì)必算由結(jié)允構(gòu)力愛學(xué)求裹變位己的方覆法（集軸向魚力與輸剪力底影響久忽略失不計(jì)物）知妻道：在很演多情奪況下省，拱衛(wèi)圈可糠用拋太物線導(dǎo)近似補(bǔ)積分脅法代岔替3、拱困腳位數(shù)移計(jì)尊算⑴柿單位蓋力矩暈作用極時(shí)⑵得單位賓水平嚇力作皮用時(shí)單位柳水平盲力可須以分繳解為哥軸向中分力微和切燙向分池力壘，計(jì)炎算時(shí)甘只需猴考慮伶軸向李分力縮慧的影睬響，忌作用少在圍具巖表既面的欠均布園應(yīng)力因和拱橫腳產(chǎn)案生的造均勻嫁沉陷翠為：的水淹平投湊影即呼為點(diǎn)a的水向平位墾移搖，均尼勻沉閑陷時(shí)外拱腳羞截面吧不發(fā)迫生轉(zhuǎn)玩動(dòng)，吩則有躬：(4更)拱腳禾位移拱腳的的最軟終轉(zhuǎn)采角遠(yuǎn)和蛾水平執(zhí)位移胸可分屢別考里慮雹和近外荷奧載的推影響堡，按那疊加柱原理極求得碼，可月表示賠為：(3膝)外荷忠載作烈用時(shí)在外聞荷載斬作用易下，輩基本煙結(jié)構(gòu)乖中拱砍腳點(diǎn)門處產(chǎn)嚴(yán)生彎暫矩弓和軸緣瑞向力器，家如圖伶所示勞，拱侄腳截遲面的自轉(zhuǎn)角笛和水逢平位犯移灰為：令則任鵝意截悼面處障的內(nèi)特力為4拱圈欲截面甲內(nèi)力將以蘭上兩必組方梁程代績(jī)?nèi)胝t方站程可嫌得：6.銳4曲墻動(dòng)式襯憶砌計(jì)營(yíng)算●常用流于Ⅳ～Ⅵ級(jí)圍煌巖●拱圈響和曲脖邊墻完作為委一個(gè)擦整體煩按無踩鉸拱辮計(jì)算●施工兔時(shí)仰熔拱是害在無筒鉸拱雕業(yè)已吼受力潑之后榮修建物的，惜不考素慮仰洪拱對(duì)冒襯砌像內(nèi)力隙的影恐響1計(jì)算軍圖式⑴妙在主侵動(dòng)荷男載作肚用不問，頂盟部襯息砌向桌隧道戴內(nèi)變哄形而訪形成艇脫離位區(qū)，票兩側(cè)錄襯砌宜向圍盲巖方銀向變據(jù)形，壓引起腳圍巖匯對(duì)襯矩砌的雜被動(dòng)疫彈性遵抗力⑵捷上零堪點(diǎn)b（即脫績(jī)離區(qū)精與抗吃力區(qū)煉的分效界點(diǎn)翻）與洪襯砌區(qū)垂直插對(duì)稱造中線像的夾西角假怎定為⑶這下零緊點(diǎn)a在墻肚腳⑷氣最大納抗力舉點(diǎn)h假定羅發(fā)生慈在最賴大跨蔑度處殿附近腔，計(jì)揪算時(shí)希一般陷取內(nèi)為漿簡(jiǎn)化抬計(jì)算愿可假睜定在古分段魂的接喇縫上遇。⑸著抗力職圖形讀的分贏布假姓定為癢二次攤拋物灶線bh段：ha段：⑹傍忽略骨襯砌探與圍悟巖之預(yù)間的銅摩擦賣力⑺柄墻腳帳支承抽在彈訓(xùn)性巖旁體上嘩，可程發(fā)生橫轉(zhuǎn)動(dòng)疫和垂趴直位秘移(無水星平位驅(qū)移)2、主巾動(dòng)荷垂載作岡用下唱的力雀法方羨程和柴襯砌視內(nèi)力式中匯為晌墻底螞位移貸。分芳別計(jì)牧算肯和外炎荷載邀的影花響，仆然后拉按照韻疊加爆原理怠相加地得到畏：由于椅墻底率無水組平位罵移，筑故式中口：姨是薪基本叉結(jié)構(gòu)責(zé)的單頁位位能移和輩主動(dòng)尿荷載箏位移朝；除是反墻底禾單位醬轉(zhuǎn)角格；瘡為基汪本結(jié)防構(gòu)墻斑底的毒荷載成轉(zhuǎn)角軍；f為襯販砌的等矢高屈。求得竭后，跌在主嗚動(dòng)荷賄載作幫用下標(biāo)，襯系砌內(nèi)凍力即糾可計(jì)淹算：在具抹體進(jìn)腹行計(jì)達(dá)算時(shí)斷，還儉需進(jìn)輕一步乒確定眾被動(dòng)五抗力查的宗大小代，這恒需要?jiǎng)爬秒H最大島抗力油點(diǎn)h處的至變形冒協(xié)調(diào)適條件填。3、最俯大抗?jié)嵙χ凳车挠?jì)巷算●先求喚出腰和●變位竊由兩植部分梳組成扣，即麗結(jié)構(gòu)猛在荷尺載作法用下耕的變超位和都因墻就底變懲位（有轉(zhuǎn)角奮）而峰產(chǎn)生算的變筆位之欣和●h點(diǎn)所圓對(duì)應(yīng)坡的陸，迅則該片點(diǎn)的根徑向播位移肺約等緞?dòng)谒制轿惶粢啤窆绊敶浇孛嬖拇寡灾蔽簧蛞茖?duì)h點(diǎn)徑競(jìng)向位芒移的略影響青可以距忽略鄉(xiāng)豐不計(jì)按照爭(zhēng)結(jié)構(gòu)女力學(xué)絞方法鼓，在h點(diǎn)加私一單景位力伯，可鮮以求炕得趴和4、在菌單位屑抗力陜作用呆下的秘內(nèi)力將抗滑力圖叉視很為外雞荷載曬單獨(dú)唇作用佩時(shí)，傾未知丸力目及凍可交以參掏照竿及芽的求復(fù)法得辦出解出訂及雁后斃，即氏可求境出襯綿砌在抹單位樣抗力嬸圖為飾荷載豬單獨(dú)疼作用筑下任鑒一截寧面內(nèi)槽力：5、襯光砌最述終內(nèi)挪力計(jì)型算及溫校核剝計(jì)算艷結(jié)果義的正炸確性襯砌常任一胖截面療最終滾內(nèi)力情值可巖利用直疊加支原理餃求得萄：校核傷計(jì)算叉結(jié)果魂正確烈性時(shí)扣，可聲以利挑用拱箱頂截兩面轉(zhuǎn)械角和膜水平元位移虎為零噸條件費(fèi)和最珠大抗蔥力點(diǎn)a的位廉移條洗件：式中眾：輸是久墻底否截面唇最終簽轉(zhuǎn)角紹，。6.妥5直墻籍式襯抄砌計(jì)妄算1、計(jì)匯算原盾理⑴慣拱圈匹按彈庭性無萍鉸供士計(jì)算遭，邊綠墻按怪彈性遼地基膚上的椅直梁綱計(jì)算率，并雅考慮金邊墻松與拱留圈之粥間的修相互此影響耕；⑵障變墻碧支承蜻拱圈底并承焦受圍供巖壓演力；⑶羨拱腳鳴區(qū)段寨的彈恨性抗確力假達(dá)定為柴二次朱拋物炕線分梁布位于45o～55o之間⑷Wi縱nk政le淋r假定謎成立痰，即⑸壤拱腳糧位移某考慮誘變墻矛頂變陵位的秋影響2、邊漆墻的零計(jì)算——彈性辮地基柜上的飽直梁⑴狐直邊螞墻計(jì)損算分賤類：●剛性敘邊墻●短邊悅墻●長(zhǎng)邊任墻⑵容邊墻剖為短但梁的冶計(jì)算種：短梁軍的一殼端受微力及壯變形催對(duì)另樣一端幸有影料響，謊計(jì)算閘墻頂擁變位破時(shí)，憶要考遭慮到脆墻腳幻玉的受應(yīng)力和重變形蓬的影休響。●墻頂腸在單檢位彎轎矩脅單獨(dú)仍作用舞下，遷墻頂油的轉(zhuǎn)巡壽角拼和水蓄平位婦移吧為●墻頂倆在單盲位水繪平力=1單獨(dú)雹作用屋下，竭墻頂盲位移鳴為搖和悲為●在主黎動(dòng)側(cè)額壓力秒（梯吳形荷繭載）諷作用嶄下，疲墻頂賊位移流為：其中賣，含為基罵底彈曾性抗譜力系申數(shù)；k是側(cè)供向彈服性抗迎力系滿數(shù)；叫是基吃底作痛用有瞎單位抹力矩容時(shí)所猾產(chǎn)生田的轉(zhuǎn)腳角；h為邊綁墻的反側(cè)面爆高度釣；最后涂結(jié)果范為：⑶社長(zhǎng)邊挪墻計(jì)賴算——彈性磨地基崖上的橋半無怨限長(zhǎng)璃梁，腫墻頂雀受力欺與墻關(guān)底無捎關(guān)，今上述迅公式石可得穿到一藏定的稼簡(jiǎn)化慰。墻項(xiàng)襖單位呀位移敘可以建簡(jiǎn)化含為：⑷清邊墻賣為剛裁性梁●近似贊作為歉彈性打地基偏上的道絕對(duì)掏剛性提梁，號(hào)近似簡(jiǎn)認(rèn)為逆（即）●邊墻勿本身錢不產(chǎn)雄生彈穿性變勤形，甜在外絮力作字用下盲只產(chǎn)建生剛諷體位晌移，船即只恩產(chǎn)生惰整體毒下沉關(guān)和轉(zhuǎn)短動(dòng)墻底撥處為蜂零，倉墻頂調(diào)處為議最大培值為壤：稱為宣剛謎性墻稈的綜寬合轉(zhuǎn)原動(dòng)慣源量，例因而逢墻側(cè)從面的淋轉(zhuǎn)角需為：6.糊6襯砌躲截面衣強(qiáng)度述驗(yàn)算1、在面算出因結(jié)構(gòu)櫻內(nèi)力優(yōu)之后獄進(jìn)行仙強(qiáng)度須檢算目前斯我國(guó)紡公路鋼隧道缸設(shè)計(jì)吼規(guī)范四規(guī)定控，隧盯道襯沫砌和擋明洞弟按破鑰壞階清段檢蒼算構(gòu)決件截近面強(qiáng)旗度。2、根據(jù)痛混凝溫土和咱石砌獵材料昆的極演限強(qiáng)選度，煤計(jì)算遵出偏敲心受渠壓構(gòu)結(jié)件的杯極限倉承載隨能力烏，與林構(gòu)件旱實(shí)際槍內(nèi)力混相比羊較，疑計(jì)算延截面默的抗網(wǎng)壓（店或抗拖拉）尺強(qiáng)度偶安全呆系數(shù)K。檢查孔是否座滿足嗽規(guī)范炒所要棄求的燥數(shù)值邪，即加：式中示：賺是攻截面敘的極剃限承鈴載能伶力；寇為寧截面即的實(shí)額際內(nèi)咳力(軸向堅(jiān)力);是規(guī)巾范所世規(guī)定騾的強(qiáng)紹度安苗全系加數(shù)，版見表1和2混凝捐土和碼砌體鮮結(jié)構(gòu)僚的強(qiáng)速度安野全系范數(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(dá)到抗壓極限強(qiáng)度2.42.02.72.3混凝土達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度3.63.0鋼筋帶混凝左土結(jié)獨(dú)構(gòu)的都強(qiáng)度償安全堂系數(shù)荷載組合

永久荷載+基本可變荷載

永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載鋼筋達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度或混凝土達(dá)到抗壓或抗剪極限強(qiáng)度

2.01.7混凝土達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度

2.42.03、抗協(xié)裂要梅求：⑴衡當(dāng)倍時(shí)費(fèi)，按松抗拉婚強(qiáng)度慣控制域承載網(wǎng)能力閱，并襲用下劉式計(jì)仁算：⑵區(qū)對(duì)隧沈道襯攤砌和匯明洞偵的混貼凝土瓣偏心俯受壓城構(gòu)件乏的軸漁向力愛偏心拋距限壇制為杠：不胳宜大初于0.濱45倍截氧面厚爸度；⑶風(fēng)石料終砌體察偏心玩受壓它構(gòu)件勒不宜鞋大于0.碗3倍截吳面厚盜度⑷?；?/p>