第六章隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算講義總結(jié)

隧道工程第6章隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算重慶交通大學(xué)隧道及巖土工程系2012年10月本章學(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(jì)算模型簡(jiǎn)化方法；（2）掌握半襯砌和曲墻式襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)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(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、隧道結(jié)構(gòu)環(huán)境及其簡(jiǎn)化2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型1、隧道結(jié)構(gòu)環(huán)境及其簡(jiǎn)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(jì)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(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)和計(jì)算應(yīng)結(jié)合圍巖自承能力進(jìn)行，保證使用壽限內(nèi)的安全度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(jì)算的簡(jiǎn)化問題根據(jù)實(shí)際環(huán)境和邊界條件如何簡(jiǎn)化對(duì)計(jì)算結(jié)果影響非常重要根據(jù)實(shí)際環(huán)境和邊界條件根據(jù)實(shí)際環(huán)境和邊界條件根據(jù)實(shí)際環(huán)境和邊界條件⑵隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的簡(jiǎn)化問題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⑵隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的簡(jiǎn)化問題●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⑵隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的簡(jiǎn)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(rèn)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(diǎn)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(jì)算模型

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

2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型國(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)和試驗(yàn)為主的實(shí)用設(shè)計(jì)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(jì)算模型從各國(guó)榜的地下副結(jié)構(gòu)設(shè)冰計(jì)實(shí)踐主看，目紛前主要飛采用兩呼類計(jì)算悔模型：●一鎮(zhèn)類是以支掩護(hù)結(jié)需構(gòu)作緣瑞為承副載主才體，結(jié)脈構(gòu)力坊學(xué)模任型，抬又稱鏡為荷退載－物結(jié)構(gòu)捷模型尺；●另蠶一類則影相反，撐視圍巖宣為承采載主歪體，支存護(hù)結(jié)棟構(gòu)則撐為約半束圍喜巖變搖形的拼模型習(xí)，驢即巖要體力聚學(xué)模舍型或免稱為方圍巖—結(jié)構(gòu)模睡型。6.佩2隧道襯嗚砌上的夫荷載類個(gè)型1、隧道翅結(jié)構(gòu)上方的基本參荷載2、隧章道結(jié)固構(gòu)上林的荷找載及炸其類怕型1、基惜本荷即載（1）圍陷巖壓指力（2）結(jié)沫構(gòu)自包重力2、隧道背結(jié)構(gòu)上攻的荷載泉及其類處型按其性民質(zhì)可以族區(qū)分為狀兩大類:●主動(dòng)子荷載是主動(dòng)主作用于絹結(jié)構(gòu)、布并引起挺結(jié)構(gòu)變夜形的荷動(dòng)載；●被動(dòng)荷句載是因雪結(jié)構(gòu)拴變形藏壓縮愧圍巖鞭而引藥起的舉圍巖省被動(dòng)逃抵抗蜻力，比即彈牙性抗幟力，濱它對(duì)貪結(jié)構(gòu)付變形通起限乞制作析用。2、隧道肉結(jié)構(gòu)上徐的荷載推及其類五型《公路隧元道設(shè)計(jì)春規(guī)范》JT鞋GD華70-藥200旬4將隧道債結(jié)構(gòu)上燒荷載仿第照橋規(guī)值分為：●永久借荷載●可變荷膨載●偶然諒荷載編號(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況8：表6.腹1.斜1作用率在隧佩道結(jié)純構(gòu)上主的荷巴載荷載組熄合：●結(jié)構(gòu)自家重＋圍獵巖壓力蘋＋附加心恒載（基激本）●結(jié)構(gòu)自久重＋土舅壓力＋贊公路荷丑載＋附軌加恒載●結(jié)構(gòu)自谷重＋土萌壓力＋塘附加恒周載＋施學(xué)工荷載＋溫度紅作用力●結(jié)構(gòu)冠自重疫＋土湊壓力來＋附疑加恒新載＋該地震諒作用附加青恒載爽：伴唇隨隧營(yíng)道運(yùn)剪營(yíng)的蔥各種烏設(shè)備皇設(shè)施扮的荷瓦載等忘。6.稿3半襯瞎砌的技計(jì)算拱圈直笨接支承霜在隧道迷圍巖側(cè)霞壁上時(shí)磚，稱為混半襯砌●適襖合于堅(jiān)征硬和較淡完整的優(yōu)圍巖(Ⅱ、Ⅲ級(jí))；6.她3半襯砌亮的計(jì)算⑴在奧垂直荷琴載作用樣下拱圈誰(shuí)向隧道劈燕內(nèi)變形朝為自由變引形，不居產(chǎn)生吼彈性您抗力倦；1、基本拌假定⑵輩拱腳鐵產(chǎn)生角位住移和錦線位徑移，并使喚拱圈內(nèi)坑力發(fā)生輔改變，概計(jì)算中王除按固炎端無鉸餓拱考慮克外，還狂必須考摟慮拱腳紅位移的怒影響⑶拱保腳沒有徑匠向位移，只罪有切得向位睜移；⑷對(duì)獄稱的垂肥直分位坊移對(duì)拱運(yùn)圈內(nèi)力煎不產(chǎn)生炭影響；⑸課拱腳養(yǎng)的轉(zhuǎn)慶角腹和岔切向輝位移欲的水裳平分述位移奔是必變須考年慮的1、基扯本假筋定2、基譯本結(jié)征構(gòu)式中夸：權(quán)是阿單位遞變位汽，即懂在基五本結(jié)咽構(gòu)上截，因雅作用瘋時(shí)，碑在咱方向喇上所臥產(chǎn)生躁的變好位；嘆為荷楚載變膀位，妨即基晃本結(jié)河構(gòu)因舅外荷鈴載作對(duì)用，黑在膊方徒向的宴變位程；f為拱漁圈的棉矢高民；3、正則滲方程2、單位涂變位及鉛荷載變墳位的計(jì)昌算由結(jié)理構(gòu)力際學(xué)求醒變位支的方陶法（新軸向紐奉力與侵剪力級(jí)影響蠶忽略型不計(jì)盆）知賢道：2、單期位變浮位及彼荷載斗變位槐的計(jì)僵算在很鍵多情伙況下潮，襯尤砌厚彈度是濟(jì)改變粘的，失給積趕分帶謊來不養(yǎng)便，脊這時(shí)逆可將狼拱圈茄分成心偶數(shù)芳段，隨用拋來物線徹近似格積分胸法代師替。3、拱腳歸位移計(jì)貌算⑴羊單位眠力矩于作用錘時(shí)⑵訓(xùn)單位珠水平擊力作周用時(shí)單位水撲平力可賺以分解暑為軸向而分力蘭和切宜向分力耳，計(jì)黨算時(shí)只導(dǎo)需考慮鉤軸向分鳴力的影感響，作傲用在圍聚巖表面昨的均布威應(yīng)力靈和拱山腳產(chǎn)生陪的均勻捧沉陷遺為：的水趁平投榜影即考為點(diǎn)a的水平啄位移眠，均昂勻沉陷樣時(shí)拱腳尚截面不然發(fā)生轉(zhuǎn)慰動(dòng)，則旗有：（3）外荷默載作胡用時(shí)在外荷捆載作用馳下，基柏本結(jié)構(gòu)蹈中拱腳鉗點(diǎn)處產(chǎn)國(guó)生彎矩堆和凍軸向力壇，躺如圖所半示，拱傳腳截面步的轉(zhuǎn)角境和移水平位扔移頓為：(4)拱腳犬位移拱腳的猜最終轉(zhuǎn)維角眉和肥水平位歷移脹可祥分別考遲慮和外與荷載瓦的影輔響，塑按疊埋加原怠理求遼得，鈔可表掠示為患：4拱圈注截面推內(nèi)力將以荷上兩昌組方集程代每入正瀉則方常程可服得：令則任死意截宴面處測(cè)的內(nèi)寫力為6.威4曲墻嚇式襯年砌計(jì)耀算●常用撫于Ⅳ～Ⅵ級(jí)圍巖佩；●拱圈炎和曲洞邊墻晨作為畝一個(gè)卡整體隊(duì)按無良鉸拱技計(jì)算；●施工爪時(shí)仰叨拱是強(qiáng)在無駕鉸拱薪業(yè)已月受力厭之后智修建精的，兔不考坐慮仰撈拱對(duì)詠襯砌郵內(nèi)力卵的影旅響；1計(jì)算寇假設(shè)⑴名在主訊動(dòng)荷身載作蠻用下股，頂皺部襯摔砌向破隧道臥內(nèi)變獅形而購(gòu)形成始脫離腥區(qū)，覆兩側(cè)穩(wěn)襯砌看向圍屋巖方功向變慚形，題引起嗚圍巖借對(duì)襯敢砌的掌被動(dòng)杜彈性慶抗力⑵休上零喇點(diǎn)b（即軍脫離子區(qū)與葵抗力如區(qū)的根分界勺點(diǎn)）趣與襯聚砌垂驕直對(duì)攻稱中虜線的集夾角兼假定縮慧為⑶下貨零點(diǎn)a在墻腳⑷最自大抗力座點(diǎn)h假定發(fā)溪生在最常大跨度百處附近據(jù)，計(jì)算浴時(shí)一般蒸取餡為簡(jiǎn)賤化計(jì)算最可假定峰在分段喬的接縫倘上。⑸抗拘力圖形來的分布竹假定為呀二次拋冷物線bh段：ha段：⑹頭忽略么襯砌珍與圍蒼巖之殃間的獻(xiàn)摩擦旺力⑺團(tuán)墻腳警支承逼在彈怠性巖塘體上助，可焦發(fā)生黃轉(zhuǎn)動(dòng)逢和垂轎直位冒移(無水平怪位移)2、主號(hào)動(dòng)荷耍載作冬用下床的力茂法方威程和難襯砌湖內(nèi)力式中陸為鋼墻底位料移。分夜別計(jì)算悉和啦外荷載餅的影響素，然后膨按照疊抽加原理摧相加得巨到2、主暑動(dòng)荷瘡載作鑼用下菠的力侄法方潮程和露襯砌電內(nèi)力由于秤墻底泰無水碰平位笑移，魔故式中掙：忍是街基本鍵結(jié)構(gòu)嗓的單肉位位壇移和領(lǐng)主動(dòng)遠(yuǎn)荷載姑位移委；優(yōu)是堆墻底騰單位垃轉(zhuǎn)角裝；范為基察本結(jié)菠構(gòu)墻挪底的萌荷載滲轉(zhuǎn)角扶；f為襯炒砌的干矢高戶。求得絕后，在曠主動(dòng)荷亡載作用信下，襯森砌內(nèi)力奧即可計(jì)職算：在具體沖進(jìn)行計(jì)甚算時(shí)，籍還需進(jìn)咽一步確芹定被動(dòng)構(gòu)抗力勝的大小沾，這需團(tuán)要利用雖最大抗瘡力點(diǎn)h處的變木形協(xié)調(diào)界條件。3、最內(nèi)大抗既力值宏的計(jì)久算●先求晌出堵和●變位嚴(yán)由兩部雪分組成兄，即結(jié)陣構(gòu)在荷返載作用寨下的變張位和因縣墻底變裁位（轉(zhuǎn)似角）而摘產(chǎn)生的只變位之駝和●h點(diǎn)所對(duì)穩(wěn)應(yīng)的艱，則似該點(diǎn)的皆徑向位吼移約等巴于水平編位移●占拱頂術(shù)截面永的垂游直位杰移對(duì)h點(diǎn)徑向溉位移的撿影響可暈以忽略聞不計(jì)按照慘結(jié)構(gòu)惠力學(xué)太方法架，在h點(diǎn)加響一單遼位力儉，可謝以求俘得旋和4、在寇單位鴨抗力茫作用飯下的部?jī)?nèi)力將抗力憐圖快視為哥外荷載聚單獨(dú)作粒用時(shí)，升未知力洲及籠可以略參照抖及塔的求瀉法得出4、在校單位沈抗力嚷作用們下的肢內(nèi)力解出匠及餓后，美即可求諸出襯砌暖在單位廁抗力圖奮為荷載執(zhí)單獨(dú)作餓用下任胃一截面意內(nèi)力：5、襯砌習(xí)最終內(nèi)鉗力計(jì)算供及校核餅計(jì)算結(jié)輩果的正美確性襯砌賀任一秘截面肺最終順內(nèi)力返值可含利用恩疊加逗原理養(yǎng)求得待：校核碑計(jì)算睬結(jié)果憤正確男性時(shí)易，可金以利胸用拱怎頂截浮面轉(zhuǎn)近角和狠水平豬位移犁為零嗚條件式中吹是墻通底截面饒最終轉(zhuǎn)泉角，6.5直墻式域襯砌計(jì)屢算6.濫5直墻跨式襯軌砌計(jì)叛算1、計(jì)算勺原理⑴拱桃圈按彈性無蛇鉸拱計(jì)算，菜邊墻按彈性銀地基州上的集直梁計(jì)算伙，并描考慮嘴邊墻瘋與拱真圈之艙間的膀相互劑影響仁；⑵邊哭墻支承吉拱圈并久承受圍愈巖壓力能；⑶隸拱腳召區(qū)段隱的彈礙性抗涼力為抖二次敲拋物允線分齡布位于45o～55o之間⑷Win走kle蝕r假定估成立彼，即⑸拱候腳位移或考慮邊暖墻頂變陷位的影寸響2、邊墻疼的計(jì)算——彈性地襲基上的期直梁⑴強(qiáng)直邊針墻計(jì)仿算分柿類：●議剛讓性邊筆墻●戶短邊萌墻●畝長(zhǎng)邊墻⑵嚇邊墻戶為短遍梁的尸計(jì)算予：短梁置的一巴端受水力及畜變形辦對(duì)另惜一端梯有影紡響，際計(jì)算座墻頂評(píng)變位許時(shí)，站要考噸慮到溝墻腳她的受棉力和聾變形懂的影鳥響?！窦s墻頂在招單位彎遣矩雜單正獨(dú)作用改下，墻甩頂?shù)霓D(zhuǎn)固角扒和水祖平位移栗為●狠墻頂在俱單位水薦平力=1單獨(dú)喊作用寨下，雖墻頂廚位移緞為問和肚為●在主您動(dòng)側(cè)壓撒力（梯思形荷載守）作用恭下，墻也其中為基底危彈性抗鈴力系數(shù)儉；k是側(cè)向見彈性抗報(bào)力系數(shù)默；臺(tái)是基底岡作用有躲單位力我矩時(shí)所活產(chǎn)生的監(jiān)轉(zhuǎn)角；h為邊愿墻的余側(cè)面蝦高度常；最后爭(zhēng)結(jié)果恐為：⑶冠長(zhǎng)邊斬墻計(jì)踢算——彈性爹地基媽上的思半無呢限長(zhǎng)鼠梁，萌墻頂總受力大與墻蚊底無禿關(guān)，脈上述老公式罷可得來到一紹定的情簡(jiǎn)化栗。墻項(xiàng)單挑位位移竭可以簡(jiǎn)籍化為：⑷邊鞠墻為剛蓋性梁●彈近似框作為鑼彈性晨地基犯上的敲絕對(duì)棒剛性埋梁，副近似傳認(rèn)為模（即超）●關(guān)邊墻精本身淚不產(chǎn)日生彈奧性變技形，態(tài)在外漆力作公用下樹只產(chǎn)扎生剛庫(kù)體位峽移，父墻頂差處為尖最大嫂值為姓：稱為衡剛性墻旨的綜合證轉(zhuǎn)動(dòng)慣狗量，因廈而墻側(cè)殿面的轉(zhuǎn)咳角為：6.6襯砌下截面封強(qiáng)度益驗(yàn)算1、襯砌縣結(jié)構(gòu)檢雁算目前毯我國(guó)狀公路伏隧道掙設(shè)計(jì)額規(guī)范反規(guī)定練，隧射道襯潛砌和嘩明洞顏應(yīng)按堅(jiān)破損藝階段想檢算技構(gòu)件乎2、偏理心受綁壓構(gòu)闊件的楚極限或承載徐能力騙，計(jì)董算截震面的顆抗壓不（或灶抗拉醬）強(qiáng)炕度安呈全系能數(shù)K。檢祝查是艦否滿拋?zhàn)阋?guī)著范所撓要求亞的數(shù)據(jù)值，遮即：式中：翠是截面逃的極限聯(lián)承載能享力；俘為截真面的實(shí)蚊際內(nèi)力(軸向壯力)牲;是規(guī)范唇所規(guī)定瓜的強(qiáng)度座安全系寬數(shù)，見冊(cè)下表混凝使土和堪砌體茫結(jié)構(gòu)新的強(qiáng)再度安僚全系波數(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鋼筋混曉凝土結(jié)彈構(gòu)的強(qiáng)咳度安全奮系數(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、抗凡裂要關(guān)求：⑴當(dāng)今時(shí)，按