中南大學隧道工程第5章-隧道支護結(jié)構(gòu)的計算

5.4隧道洞門計算第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算5.3巖體力學方法5.1隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型5.2結(jié)構(gòu)力學方法5.5隧道抗震計算1精選2021版課件5.1.1隧道工程的受力特點5.1隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型1.荷載的模糊性2.圍巖物理力學參數(shù)難以準確獲得3.圍巖壓力承載體系

◆圍巖不僅是荷載，同時又是承載體；

◆地層壓力由圍巖和支護結(jié)構(gòu)共同承受；

◆充分發(fā)揮圍巖自身承載力的重要性。

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算2精選2021版課件5.1.1隧道工程的受力特點5.1隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型4.設計參數(shù)受施工方法和施作時機的影響很大

5.隧道與地面結(jié)構(gòu)受力的不同點—圍巖抗力的存在第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算3精選2021版課件5.1.2隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型1.結(jié)構(gòu)力學模型

特點：◆以支護結(jié)構(gòu)作為承載主體；

◆圍巖對支護結(jié)構(gòu)的作用間接地體現(xiàn)為兩點：

①圍巖壓力；②圍巖彈性抗力。

◆采用結(jié)構(gòu)力學方法計算。

適用于：模筑砼襯砌

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算4精選2021版課件2.巖體力學模型

特點：◆支護結(jié)構(gòu)與圍巖視為一體，共同承受荷載，且以圍巖作為承載主體；

◆支護結(jié)構(gòu)約束圍巖的變形；

◆采用巖體力學方法計算；

◆圍巖體現(xiàn)為形變壓力。

適用于：錨噴支護

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算5精選2021版課件5.2.1概述

5.2結(jié)構(gòu)力學方法

1.基本原理

◆將支護和圍巖分開考慮，支護結(jié)構(gòu)是承載的主體，圍巖作為荷載的來源和支護結(jié)構(gòu)的彈性支承，與其對應的計算模型稱為荷載—結(jié)構(gòu)模型。

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算6精選2021版課件根據(jù)對荷載的處理不同，它大致有如下三種模式：

◆主動荷載模式（圖5－1（a））

◆主動荷載加被動荷載模式（圖5－1（b）)◆實際荷載模式（圖5－1（c）)。第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算7精選2021版課件圖5—1荷載—結(jié)構(gòu)模式

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算8精選2021版課件2.隧道襯砌受力變形的特點第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算9精選2021版課件3.隧道襯砌承受的荷載及分類

(1)主動荷載

◆主要荷載

◆附加荷載

(2)被動荷載～圍巖抗力

◆共同變形理論

◆局部變形理論

圖5-3局部變形示意圖第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算10精選2021版課件5.2.3隧道襯砌結(jié)構(gòu)計算的矩陣位移法

1.基本原理

矩陣位移法又叫直接剛度法，它是以結(jié)構(gòu)節(jié)點位移為基本未知量，聯(lián)接在同一節(jié)點各單元的節(jié)點位移應該相等，并等于該點的結(jié)構(gòu)節(jié)點位移（變形協(xié)調(diào)條件）；同時作用于某一結(jié)構(gòu)節(jié)點的荷載必須與該節(jié)點上作用的各個單元的節(jié)點力相平衡（靜力平衡條件）。

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算11精選2021版課件計算特點:

①三種單剛

◆襯砌單剛：梁單元

◆抗力單剛：二力桿單元

◆基礎單剛：支座單元

②拼總剛(結(jié)構(gòu)剛度矩陣)③邊界條件～墻基礎水平位移為0

④求解以節(jié)點位移為未知量的方程組～高斯消去法等

⑤由節(jié)點位移求出單元節(jié)點力～內(nèi)力

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算12精選2021版課件2.計算圖式

襯砌結(jié)構(gòu)的處理◆襯砌的處理：將襯砌沿其軸線離散化為直桿單元（梁單元），并將單元的聯(lián)接點稱為節(jié)點。

◆墻基礎的處理：假設邊墻底端是彈性固定，即能產(chǎn)生轉(zhuǎn)動和垂直下沉，不能產(chǎn)生水平位移。第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算13精選2021版課件圖5-4直剛法計算圖式第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算14精選2021版課件(2)等效節(jié)點荷載的處理

◆按“靜力等效”原則進行，即均布荷載所作的虛功應等于節(jié)點荷載所作的虛功。2.計算圖式

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算15精選2021版課件圖5-5等效節(jié)點荷載計算示意圖第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算16精選2021版課件垂直均布荷載作用在單元上的等效節(jié)點力分量為：第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算17精選2021版課件水平均布荷載作用在單元上的等效節(jié)點力分量為：第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算18精選2021版課件2.計算圖式

(3)圍巖彈性抗力的處理

◆以彈簧支承模擬圍巖彈性抗力，即在每個節(jié)點上設置一根彈簧鏈桿，彈簧力即為圍巖抗力；

◆以溫氏假定反映抗力與節(jié)點位移的關系；

◆彈簧支承的方向：應按襯砌與圍巖的接觸狀態(tài)而定。

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算19精選2021版課件2.計算圖式

圖5-6圍巖彈性抗力鏈稈設置示意圖

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算20精選2021版課件3.單元剛度矩陣

襯砌單元剛度矩陣(襯砌單剛)彈性支承鏈桿單元剛度矩陣(抗力單剛)

要點：

◆其局部坐標系與總體坐標系一致；

◆由溫氏假定求抗力。墻腳彈性支座單元剛度矩陣

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算21精選2021版課件3.單元剛度矩陣

圖5-7彈性鏈稈單元示意圖第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算22精選2021版課件3.單元剛度矩陣

圖5-8墻角彈性支座單元示意圖第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算23精選2021版課件4.建立結(jié)構(gòu)剛度方程

（1）結(jié)構(gòu)剛度方程的形成

（2）結(jié)構(gòu)剛度矩陣的特點

◆對稱矩陣(反力互等定理)；

◆稀疏的帶狀矩陣，非零元素的個數(shù)一般只占元素總數(shù)的5％左右；

◆是非奇異矩陣。因抗力彈簧本身就是對襯砌結(jié)構(gòu)的約束，故襯砌結(jié)構(gòu)不能作剛體移動。

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算24精選2021版課件5.未知節(jié)點位移的求解和彈性支承的調(diào)整

（1）邊界條件

◆圍巖抗力彈簧支承就是一種邊界約束，已在拼總剛中考慮了；

◆基底支座～水平位移為0。（2）方程組求解：高斯消去法；迭代法（3）對圍巖抗力彈簧支承的自動調(diào)整

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算25精選2021版課件6.襯砌內(nèi)力的計算

（1）單元結(jié)點位移（2）單元結(jié)點力第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算26精選2021版課件7.直剛法計算流程圖

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算27精選2021版課件5.2.4襯砌截面強度檢算

1.破損階段法破損階段法～考慮到結(jié)構(gòu)的塑性階段，材料塑性極限強度Rb已進入塑性階段?！舢敃r，由抗壓強度控制其承載能力，因此僅需按抗壓強度進行檢算。

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算28精選2021版課件5.2.4襯砌截面強度簡算

1.破損階段法◆當時，由抗拉強度控制承載能力，僅需按抗拉強度進行檢算。第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算29精選2021版課件5.2.4襯砌截面強度簡算

1.破損階段法◆偏心距限制

混凝土襯砌的偏心距不宜大于0.45倍截面厚度；

石砌體偏心距不應大于0.3倍截面厚度；

基底偏心距，對巖石地基不大于1/4倍墻底厚度，對土質(zhì)地基不大于1/6倍墻底厚度。

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算30精選2021版課件5.2.4襯砌截面強度簡算

2.概率極限狀態(tài)法

極限狀態(tài)法～采用數(shù)理統(tǒng)計方法，用概率來衡量結(jié)構(gòu)的安全度，或稱“可靠度”。（1）承載能力極限狀態(tài)

混凝土矩形截面中心及偏心受壓構(gòu)件，其受壓承載能力：

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算31精選2021版課件5.2.4襯砌截面強度簡算

2.概率極限狀態(tài)法

（2）正常使用極限狀態(tài)

從抗裂要求出發(fā)，混凝土矩形偏心受壓構(gòu)件的抗裂承載力按下式檢算：

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算32精選2021版課件5.3.1解析法

5.3巖體力學方法

33精選2021版課件5.3.2數(shù)值分析法

5.3巖體力學方法

1.概述

◆邊界元法、無限元法、有限元法、有限元法耦合方法等，僅介紹有限元法

2.有限元法處理特點（1）單元類型的選擇和網(wǎng)格劃分

34精選2021版課件5.3.2數(shù)值分析法

圖5-11隧道計算范圍及網(wǎng)格劃分第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算35精選2021版課件（2）計算范圍的選取

①隧道開挖影響范圍～距開挖面中心點3~5倍洞跨的范圍；②邊界上位移為零。第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算36精選2021版課件（3）邊界條件和初始應力

（4）卸荷釋放荷載及卸荷過程模擬

（5）開挖施工步驟的模擬

（6）求單元應力

（8）有限元法計算的可信度

（7）圍巖與支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性判斷

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算37精選2021版課件5.4隧道洞門計算

計算方法：洞門可視作擋土墻，按計算擋土墻的方法進行計算。

計算處理：

①主動土壓力按庫侖理論進行計算；

②無論墻背仰斜或直立，土壓力的作用方向均假定為水平；

③不考慮被動土壓力。

④取最不利位置的墻體條帶計算，稱為“檢算條帶”。條帶寬度一般為1m，最不利位置～墻體最高點。第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算38精選2021版課件5.4隧道洞門計算

5.4.1計算部位（檢算條帶）的選取及計算要點1．柱式、端墻式洞門

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算39精選2021版課件5.4隧道洞門計算

5.4.1計算部位（檢算條帶）的選取及計算要點2．有擋、翼墻的洞門

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算40精選2021版課件5.4隧道洞門計算

5.4.2洞門計算內(nèi)容1.洞門計算內(nèi)容：

①墻身偏心及強度；

②繞墻趾的抗傾覆性(墻趾～墻身外表面與基底面的交點)；

③沿基底滑動的穩(wěn)定性；

④基底應力檢算。

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算41精選2021版課件5.4隧道洞門計算

5.4.2洞門計算內(nèi)容2.洞門端墻及擋（翼）墻檢算規(guī)定

墻身截面壓應力≤容許應力

墻身截面偏心距e

≤0.3倍截面厚度

基底應力≤地基容許承載力

基底偏心距e

巖石地基≤B/4，土質(zhì)地基≤B/6（B為墻底厚度）滑動穩(wěn)定系數(shù)KC≥1.3傾覆穩(wěn)定系數(shù)K0≥1.5第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算42精選2021版課件5.4隧道洞門計算

5.4.4洞門計算的概率極限狀態(tài)法

鐵路隧道設計規(guī)范規(guī)定隧道洞門除按破損階段法進行檢算外，還可采用極限狀態(tài)法進行設計計算?；痉椒ㄈ酝茡p階段法，如取計算條帶，具體公式不同，按可靠度理論得出.

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算43精選2021版課件5.4隧道洞門計算

5.4.4洞門計算的概率極限狀態(tài)法

1.洞門墻墻身抗壓承載能力計算(承載能力極限狀態(tài))

2.洞門墻墻身抗裂承載能力計算(正常使用極限狀態(tài))

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算44精選2021版課件5.4隧道洞門計算

5.4.4洞門計算的概率極限狀態(tài)法

3.洞門墻地基承載能力計算

4.抗傾覆計算

5.抗滑動計算

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算45精選2021版課件5.5隧道抗震計算

5.5.1概述

規(guī)定：在地震基本烈度為7度及以上地區(qū)的隧道，需要進行抗震設計。

抗震設計方法：地震系數(shù)法其它方法：

①波動法；②相互作用法；③數(shù)值分析方法，等。第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算46精選2021版課件5.5隧道抗震計算

5.5.3地震系數(shù)法

考慮兩種情況：

◆水平地震力的方向橫交隧道縱軸

應考慮洞口、淺埋、偏壓地段和明洞。

◆水平地震力的方向沿隧道縱軸

僅需考慮洞門及洞口一個環(huán)節(jié)襯砌。

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算47精選2021版課件5.5隧道抗震計算

5.5.3地震系數(shù)法

圖5-20縱向水平地震力作用下洞口環(huán)節(jié)計算圖式

第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算48精選2021版課件5.5隧道抗震計算

5.5.3地震系數(shù)法

1.地震力的計算（1）橫向水平地震力（2）縱向水平地震力◆水平梁◆豎向梁第5章隧道支護結(jié)構(gòu)的計算49精選2021版課件5.5隧道抗震計算

5.5.3地震系數(shù)法

2.襯砌內(nèi)力計算（1）襯砌任一截面內(nèi)的彎矩按圖（b）可得：

（2）襯砌任一截面內(nèi)的彎矩