中南大學隧道工程第5章 隧道支護結(jié)構的計算

1、5.4 隧道洞門計算,第5章 隧道支護結(jié)構的計算,5.3 巖體力學方法,5.1 隧道結(jié)構體系的計算模型,5.2 結(jié)構力學方法,5.5 隧道抗震計算,5.1.1隧道工程的受力特點,5.1 隧道結(jié)構體系的計算模型,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)構的計算,5.1.1隧道工程的受力特點,5.1 隧道結(jié)構體系的計算模型,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)構受力的不同點圍巖抗力的存在,第5章 隧道支護結(jié)構的計算,5

2、.1.2 隧道結(jié)構體系的計算模型,1.結(jié)構力學模型,特點： 以支護結(jié)構作為承載主體； 圍巖對支護結(jié)構的作用間接地體現(xiàn)為兩點： 圍巖壓力； 圍巖彈性抗力。 采用結(jié)構力學方法計算。 適用于：模筑砼襯砌,第5章 隧道支護結(jié)構的計算,2.巖體力學模型,特點： 支護結(jié)構與圍巖視為一體，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)構的計算,5.2.1概 述,5.2 結(jié)構力學方法,1.基本原理,將支護和圍巖分開考慮，支護結(jié)構是承載的主體，圍巖作為荷載的來源和支護結(jié)構的彈性支承，與其對應的計算模型稱為荷載結(jié)構

3、模型。,第5章 隧道支護結(jié)構的計算,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51（a） 主動荷載加被動荷載模式（圖51（b）) 實際荷載模式（圖51（c）)。,第5章 隧道支護結(jié)構的計算,圖51 荷載結(jié)構模式,第5章 隧道支護結(jié)構的計算,2.隧道襯砌受力變形的特點,第5章 隧道支護結(jié)構的計算,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)構的計算,5.2.3 隧道襯砌結(jié)構計算的矩陣位移法,1.基本原理,矩陣位移法又叫直接剛度法，它是以結(jié)構節(jié)點位移為基本

4、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)構節(jié)點位移（變形協(xié)調(diào)條件）；同時作用于某一結(jié)構節(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)構的計算,計算特點: 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 拼總剛(結(jié)構剛度矩陣) 邊界條件墻基礎水平位移為0 求解以節(jié)點位移為未知量的方程組高斯消去法等 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)構的計算,2.計算圖式,襯砌結(jié)構的處理 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)

5、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)構的計算,圖5-4 直剛法計算圖式,第5章 隧道支護結(jié)構的計算,(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)構的計算,圖5-5 等效節(jié)點荷載計算示意圖,第5章 隧道支護結(jié)構的計算,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)構的計算,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)構的計算,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

6、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)構的計算,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)構的計算,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)構的計算,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)構的計算,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)構的計算,4.建立結(jié)構剛度方程,（1）結(jié)構剛度方程的形成,（2） 結(jié)構

7、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)構的 約束，故襯砌結(jié)構不能作剛體移動。,第5章 隧道支護結(jié)構的計算,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)構的計算,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)構的計算,7.直剛法計算流程圖,第5章 隧道支護結(jié)構的計算,5.2.4

8、襯砌截面強度檢算,1.破損階段法,破損階段法考慮到結(jié)構的塑性階段，材料塑性極限強度Rb已進入塑性階段。, 當 時，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)構的計算,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)構的計算,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)構的計算,5.2

9、.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件，其受壓承載能力：,第5章 隧道支護結(jié)構的計算,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件的抗裂承載力按下式檢算：,第5章 隧道支護結(jié)構的計算,5.3.1 解析法,5.3 巖體力學方法,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

10、分,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)構的計算,（2）計算范圍的選取, 隧道開挖影響范圍距開挖面中心點35倍洞跨的范圍；, 邊界上位移為零。,第5章 隧道支護結(jié)構的計算,（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)構穩(wěn)定性判斷,第5章 隧道支護結(jié)構的計算,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：主動土壓力按庫侖理論進行計算；無論墻背仰斜或直立，土壓力的作用方向均假定為水平；不考慮被動土壓力。取最不

11、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)構的計算,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)構的計算,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)構的計算,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：墻身偏心及強度；繞墻趾的抗傾覆性(墻趾墻身外表面與基底面的交點)；沿基底滑動的穩(wěn)定性；基底應力檢算。,第5章 隧道支護結(jié)構的計算,5.4 隧道洞門計算,5.4.2 洞門計算內(nèi)容,2

12、. 洞門端墻及擋（翼）墻檢算規(guī)定,第5章 隧道支護結(jié)構的計算,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。基本方法仍同破損階段法，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)構的計算,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)構的計算,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

13、算,5.抗滑動計算,第5章 隧道支護結(jié)構的計算,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：波動法；相互作用法；數(shù)值分析方法，等。,第5章 隧道支護結(jié)構的計算,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)構的計算,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)構的計算,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)構的計算,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)的彎矩按圖