隧道衬砌结构计算PPT课件

6.1 概述 隧道结构是地下建筑结构的重要组成部分，它的结构形式可根据地层的类别、使用功能和施工水平等选择。 按结构形式的不同，隧道结构可分为： 1、半衬砌结构； 2、厚拱薄墙衬砌结构； 3、直墙拱形衬砌结构； 4、曲墙结构； 5、复合衬砌结构； 6、连拱隧道结构。第1页/共76页按断面形状分类按断面形状分类 (1)圆形或椭圆形。 (2)直墙拱顶形。 (3)曲墙拱顶形。 (4)据洞室底板情况可分为平底式和仰拱式。 (5)其他形状，如短形、方形，虽转角处应力集中较大下仍被采用。第2页/共76页 隧道衬砌除必须保证有足够的净空间外，还要求有足够的强度，以保证在使用寿命内结构物有可靠的安全性。显然，应该对不同形式的结构用不同的方法进行强度计算。 目前，无论是初期支护材料还是永久支护材料，基本都是以混凝土材料为主。初期和二期的支护系统基本是超静定结构，因此设计和计算时多以超静定结构进行考虑，其中衬砌拱部结构以结构力学中无铰拱理论计算，墙部和仰拱结构以弹性地基梁理论计算。第3页/共76页 地下结构所承受的荷载，按其作用特点及其使用中可能出现的情况分为以下三类，即：主要荷载，附加荷载和特殊荷载主要荷载，附加荷载和特殊荷载。 (1)主要荷载:长期及经常作用的荷载：结构自重；回填土层重量；围岩压力；弹性抗力；地下水静水压力和使用荷载。围岩压力是衬砌承受的主要静荷载。弹性抗力是地下结构所特有的一种被动荷载。使用荷载是在使用过程中，作用在衬砌上的荷载，如吊车荷载、设备重量、地下贮油库的油压力、车辆、人员等荷重。 (2)附加荷载:非经常作用的荷载：灌浆压力；落石荷载，由温度变化或因混凝土收缩所产生的温差应力与收缩应力和施工荷载。如盾构法施工时千斤顶的作用力，装配式衬砌在施工过程中吊装机械的作用力等都属于施工荷载。施工荷载要根据实际情况确定。 (3)特殊荷载:是指偶然可能发生的荷载，如地震力或战时发生的武器动荷载等。6.2 隧道衬砌上的荷载与分类第4页/共76页 2. 荷载的组合 对于一个特定的地下建筑结构，上述几种荷载不一定都存在，也不可能同时作用在某衬砌上。设计中应根据实际可能出现的情况进行荷载组合。所谓荷载组合，即是将有可能同时作用在衬砌上的荷载进行编组。并取其最不利者作为设计荷载、求得最危险截面中所产生的最大内力值，作为选择截面时的依据。第5页/共76页3、围岩压力的简化计算图形 在设计衬砌结构时，我们必须将围岩压力进行简化，使得围岩压力以某几种形式作用到衬砌结构上。 垂直围岩压力：梯形分布 侧向围岩压力：梯形分布 底部围岩压力：均匀分布第6页/共76页洞库开挖后，洞顶一部分岩石要坍落，坍落岩石作用在结构上的荷载即为垂直围岩压力，以梯形分布形式作用在拱圈上。洞库侧面的岩石有向下滑动的趋势，滑移结果将挤压侧壁这就产生了，也以梯形分布的形式作用在侧埔和拱因上。当洞库置于松软地层(如粘土、砂及淤泥等)，洞库底板会向上“隆起”，产生“隆起压力”，即底部围岩压力，按均布形式作用在底板上。由于洞库一般都置于较好的地层中，故一般情况下不需考虑底部围岩压力。垂直围岩压力：梯形分布侧向围岩压力：梯形分布底部围岩压力：均匀分布第7页/共76页( (一一) )应用综合经验公式确定围岩压力应用综合经验公式确定围岩压力 1)围岩垂直压力的计算：P205公式(9-1) 2)围岩水平均布压力的计算： P206公式(9-2) 3)综合经验公式适用条件 本方法原则上适用于稳定性较差或不稳定的类围岩的压力计算，其洞室跨度不应超过15m且满足hm/lm1.5的条件。其中hm 是洞室边墙高度，lm是毛洞跨度。 当 lm 15m时，此法仅作为分析比较的参考，应以现场实测为主。4、围岩压力的确定方法（三个方法）第8页/共76页( (二二) )直接荷载确定法直接荷载确定法直接荷载确定法，即为我国铁道部铁路工程技术规范(以下简称规范)于1975年推荐的计算隧道围岩压力的方法。规范将围岩分成六类，它是根据一百余座铁路隧道的400多个坍方调查资料，以工程类比为基础，提出了直接荷载确定法。 1)围岩垂直压力的计算：P206公式(9-3) 2)围岩水平压力的计算： P207按表9-1经验公式计算，适用条件同式(93)第9页/共76页( (三三) )普氏地压理论普氏地压理论两个基本假定： 第一个假定第一个假定，认为由于地层中有许多节理、裂隙以及各种夹层等软弱结构面，破坏了地层的整体性，因此，整个岩体在一定程度上可视为松散体。在坚硬岩层中，岩层颗粒之间实际上存在着粘结力，为了考虑这种粘结力的影响，普氏建议加大颗粒问摩擦系数的方法予以考虑，此系数称为“似摩擦系数”。所以，普氏把所有地层(包括坚硬的、塑性的及松散的地层)都视为具有“似摩擦系数”fi的松散体介质，而fi即为地层坚固系数(或普氏系数)，其表达式为普氏建议：松散土及粘性土 岩石式中，Rc为岩石抗压强度(MPa)第10页/共76页第二个假定第二个假定，认为洞室开挖后，由于围岩应力重分布，在洞室上方形成抛物形的压力拱，拱内土石的重量就是作用在衬砌上的围岩压力，该围岩压力与压力拱的曲线几何特征、跨度和拱高有关。普氏压力拱理论：普氏压力拱理论：(见P4344)普氏公式适用于深埋洞室。浅埋或明挖洞室上方岩层形不成压力拱，不能采用普氏公式。此外，凡不能形成压力拱的松软地层(fi 0.3)，如流砂、淤泥及饱和松散粘土层也不能采用普氏公式计算。第11页/共76页5、结构自重计算 1. 1.将衬砌结构自重简化为垂直均布荷载将衬砌结构自重简化为垂直均布荷载 当拱圈截面为等截面拱等截面拱时，结构自重荷载为式中：d0为拱圈截面厚度。 2.2.将结构自重简化为垂直均布载和三角将结构自重简化为垂直均布载和三角形分布载形分布载 如图9-3所示，当拱圈为变截面拱变截面拱时，结构自重荷载可选用左边三个近似公式：第12页/共76页 衬砌结构在地层压力和自重荷载作用下发生变形，使结构一部分区域脱离岩层，而另一部分外凸挤压岩层，在挤压面上形成相互作用力该作用力称之为弹性抗力弹性抗力。 弹性抗力的确定方法一般都建立在局部变形理论基础之上，认为荷载与变形之间遵循式(8-1)。6、弹性抗力的计算在实际工程中，一般假定弹性抗力按抛物线分布，其零点在0=450截面上，最大值在拱脚截面上(图95)第13页/共76页6.3 半衬砌结构的设计与计算第一节 作用在被覆结构上的荷载第二节 半被覆结构的计算简图第三节 半被覆结构的内力计算 半被覆结构半被覆结构，一般指坑道开挖后，只在拱部构筑拱圈，而侧壁不构筑侧墙(或只砌筑构造墙)的结构。 这种结构适用于洞库跨度比较大的情况，一般修建在地层岩石比较稳定、完整性较好的岩层中。半衬砌拱示意图第14页/共76页 地下结构的实际工作情况极其复杂，它不但与结构形式、尺寸和材料有关，而且与所处的工程地质和水文地质条件及施工方法有关，故要完全按照结构的实际情况进行严格计算是非常困难的。 为了便于分析结构内力，根据对结构受力与变形产生影响的主要因素，得出能反映结构实际工作状态的并便于从事计算的简化模型(图形)，这种图形称为结构计算简图。 一、结构体系简化 二、荷载简化 三、结构形状及支座简化 半被覆结构的计算简图第15页/共76页一、结构体系简化平面应变问题 半被覆结构是一个空间问题的拱完结构，严格说来，应按空间问题来计算，但如果这个空间拱壳结构满足： 1) 1)结构纵长方向大于跨度两倍；结构纵长方向大于跨度两倍； 2) 2)结构的形状、承受的荷载大小及分布沿纵长方向不变，结构的形状、承受的荷载大小及分布沿纵长方向不变，则该空间拱壳结构可简化为平面应变问题。第16页/共76页二、荷载简化只包括垂直围岩压力和自重 作用在半被覆结构上的荷载有：围岩压力、结构自重及弹性抗力。 由于半被覆结构一般都修建在比较坚埂的岩层中，因此可不考虑侧向围岩压力。又因一般半被覆结构矢跨比较小（约在 ），说明拱圈两侧弹性抗力作用范围很小，故不予考虑。所以结构上的只包括垂直围岩压力和自重。第17页/共76页 以几何轴线代替结构形状，支座简化从两个方面来考虑： 是半被覆结构拱脚直接座落在地层上且施工时整体浇灌，故拱脚与地层问摩擦力很大，认为不可能沿径向移动，可以刚性链杆表示； 是混凝土结构具有较强的抗剪能力，故忽略拱脚截面的剪切变位，因面拱脚截面只有轴向应力引起的线变形和弯短引起的角变形，以弹性固定支座来表示，如图9-6。三、结构形状及支座简化刚性链杆弹性固定支座第18页/共76页 半被覆结构的内力计算 半被覆结构内力计算可归结为一个弹性固定无铰拱的力学分析问题（结构力学超静定问题）一、对称问题的解二、非对称问题解三、拱顶单位变位与载变位的计算四、用辛普生法计算变位五、拱脚变位的计算六、计算多余未知力七、拱圈内力及计算结果校核第19页/共76页一、对称问题的解 固端无铰拱为三次超静定，有三个多余未知力，即弯矩X1 、轴向力X2 ：和剪力X3 。由于结构和荷载均对称，故X3为零，同时可取半供为基本结构。 符号规定：图示未知力方向为正向，转角以拱脚截面向外转为正，水平位移以向外移动为正。第20页/共76页 二、非对称问题解对非对称问题、需取全拱为基本结构，拱的内力及拱脚变位的正负号规定与对称问题相同，计算简图与基本结构如图9-8所示。图9-8 计算简图及基本结构第21页/共76页 又因反对称力未知力X1产生的变位由拱顶相对截面的转角，相对水平位移和相对垂直位移为零的条件列出变形协调方程：322331130)(2X2(X0(XX20(XX233333323213131222323222121BA1p11313212111BABAppBABAppplf右左右左右左右左右左右左右左）（）（）第22页/共76页 “拱顶单位位移与载变位的计算”和用“辛普生法计算变位”和“拱铰变位”的详细求解请参考“徐干成，白洪才等，地下地下工程支护结构工程支护结构，中国水利水电出版社，2002”；第23页/共76页6.4 6.4 曲墙式衬砌结构结构计算曲墙式衬砌结构结构计算 在衬砌结构承受较大的垂直方向和水平方向的围岩压力时，常常采用曲墙式衬砌形式。它由拱圈曲边墙和地板组成，有向上的底部压力时设仰拱。曲墙式衬砌常用于 类围岩中。 计算图式 主动荷载作用下的 力法方程和衬砌内力 最大抗力的计算 衬砌最终内力计算及校核第24页/共76页计算图式计算图式 在主动荷载作用下，顶部衬砌向坑道内变形形成脱离区，两侧衬砌想围岩方向变形，引起围岩对衬砌的被动弹性抗力，形成抗力区。抗力分布规律按结构变形特征做以下假定（图6-11）： a.上零点b（即脱离区与抗力区的分界点）与衬砌垂直对称中线的夹角假定为 45 。 b.下零点a在墙脚。墙脚处摩擦力很大，无水平位移（但可旋转），故弹性抗力为零。 c.最大抗力点h假定发生在最大跨度处附近，计算时一般取ah ab，假定在分段的接缝上。 d.抗力图形的分布按以下假定计算。 b第25页/共76页 拱部bh段抗力，按二次抛物线分布，任一点的抗力 与最大抗力 的关系为： 边轴ha段抗力 为：hhy2y-115-616-6h第26页/共76页 式中： , , 分别为 i, b, h点所在截面与垂直对称 轴的夹角； i点所在截面与衬砌外轮廓线的交点至最大抗力点h的垂直距离； 墙底外缘至抗力点h的垂直距离 式中（6-15），（6-16）的假定是为了在确定 后能确定任一点的抗力 经过上述分析之后，若不考虑仰拱的作用，可将计算简图表示如图： bhyhyh第27页/共76页 插入图6-11 6-12 6-13第28页/共76页主动荷载作用下的力法方程和衬砌内力主动荷载作用下的力法方程和衬砌内力 取基本结构如图（6-13）所示，未知力为 ，根据拱顶截面相对变位为零的条件，可以列出立法方程式： 式中： 墙底位移，分别计算 和外荷载的影响，然后按照叠加原理即可得到。 由于墙底无水平位移，故 ，代入式（6-18）中，整理后的 p1Xp2X00X2222211112211p1apappppapppufXXX）（ 18-6apapup1Xp2XoapppfXX)(12211ap）（19-60apu.0,00-212uu，第29页/共76页 式中： 基本结构的单位位移和主动荷载位移； 墙底的单位转角， 可参考式（6-5）计算； 基本结构墙底的荷载转角； 衬砌的矢高。最终解的衬砌内力：0)()(0)()(X212222121111122111p1oappppoapppffXfXfX）（ 20-6oipipipoipipNXNMyXcosXM22p1ip）（ 21-6第30页/共76页最大抗力的计算最大抗力的计算 式（6-21）中被动荷载的作用还未考虑在内。由于 是 一个未知数，所以要利用最大抗力点h处的变形协调条 件增加一个方程式。在主动荷载作用下，通过式（6-21）可解出内力 ,并求出h点的位移 ，见图6-14b).在被动荷载作用下的内力和位移，可以通过 的单位弹性抗力图形作为外荷载时所求的任一截面内力 和最大抗力点h处的位移 ，见图6-14c). 插入图6-14hipMipNhp1iMiNh第31页/共76页 并利用叠加原理求出h点的最终位移： 由温克尔假定可以写出h点的弹性抗力 与位移 的关系式： 代入式得： hhhphhkhhhpk1h）（22-6）（ 23-6第32页/共76页 6.5 直墙拱结构的计算直墙拱结构直墙拱结构：指拱圈和侧墙作为承重构件的地下结构； 构成构成：拱圈、侧墙和底板； 特点：特点：结构与周围岩不紧密相贴，施工时，衬砌与岩壁间的超挖部分应密实回填，回填方式有干砌块石、浆砌块石、压力灌浆以及混凝土回填等，一般根据工程要求、地质状况及施工条件而定。 优点优点：整体性和受力性能比较好； 缺点缺点：排水防潮处理比较困难。 第一节 直墙拱结构的计算简固及计算原理 第二节 直墙拱结构的内力汁算 第三节直墙拱结构的设计计算步骤与实例第33页/共76页直墙拱结构的计算简固及计算原理直墙拱结构的计算简固及计算原理 一、计算简图 1结构简化；2结构形状简化；3荷载简化；4支座简化第34页/共76页 1 1结构简化结构简化 直墙拱结构为一个长廊形的空间结构，但是一般直墙拱结构的断面形状、荷载大小与分布及支承情况沿纵向不变且能满足纵长大于跨度二倍的要求，因此可看作平面问题，即 沿纵长方向截取单位宽度拱带计算。 2结构形状简化 拱圈和侧墙均以轴线代替，但拱脚截面中心j 点和墙顶截面中心点h不重合，相差eh距离。实际施工中，拱脚与墙顶的连接处都要配置一定数量构造钢筋，截面尺寸也较大，故通常认为石段的刚度zJ一”G第35页/共76页 3 3荷载简化荷载简化 作用在直墙拱结构上的荷载主要有：地层压力、结构自重和弹性抗力。前两者以梯形分布，后者以抛物线分布。 4 4支座简化支座简化 支座简化主要指侧墙部分。侧墙外侧和底面支承在地层上。墙顶受拱脚传来的弯矩，水平力和垂直力作用，俊侧墙向地层方向变形，地层给以侧培水平和垂直的支承反力，这种受力状态与地基梁相同，所以侧墙按弹性地基梁进行计算。侧向地层弹力抗力系数为Kl，底部为K2。另外，墙底与地层间摩擦力很大，不可能发生水平位移，我们以一水平刚性链杆代替。侧墙在外荷载作用下产生竖向弹性变形，底板与侧墙分别浇注不予考虑。计算简图如图101(b)所示。第36页/共76页 二、直墙拱结构的计算原理 在进行直墙拱结构计算时，通常把拱圈和侧墙分开来计算： 拱圈按弹性固定在墙顶上的无铰拱计算； 侧墙按竖放的弹性地基梁计算，但须考虑拱圈和侧墙的相互制约。第37页/共76页直墙拱结构的内力汁算直墙拱结构的内力汁算 一、直墙拱结构的基本体系 这里只讨论对称问题。将拱顶切开作为基本结构，仍然采用力法求解，因对称，x30。 圈拱为弹性固定在侧墙上，其受力状态除增加弹性抗力外，与半被覆结构相同。拱脚截面的转角0和水平位移u0须由侧墙墙顶转角和水平位移确定，如图10-2所示。第38页/共76页直墙拱结构的设计计算步骤与实例直墙拱结构的设计计算步骤与实例 1.计算结构的几何尺寸； 2.计算作用在结构上的荷载； 3.计算拱顶变位； 4.计算侧墙的弹性特征值以及换算长度 h,判断侧墙所属的类型； 5.计算墙顶的单位变位； 6.计算墙顶力M等； 7.计算墙顶未知力X； 8.计算弹性抗力时，计算； 9.计算拱圈截面内力； 10.计算侧墙截面内力； 11.绘制内力图，校核计算结果； 12.计算拱圈，侧墙截面的内力偏心距； 13.计算拱圈和侧墙各截面的安全系数； 14.计算配筋量； 15.绘制结构施工图； 16.计算工程量；第39页/共76页 直墙拱的计算题直墙拱的计算题第40页/共76页第41页/共76页第42页/共76页第43页/共76页第44页/共76页第45页/共76页第46页/共76页第47页/共76页第48页/共76页第49页/共76页第50页/共76页第51页/共76页第52页/共76页第53页/共76页第54页/共76页第55页/共76页第56页/共76页第57页/共76页第58页/共76页第59页/共76页第60页/共76页 6.66.6复合式衬砌结构的设计与计算复合式衬砌结构的设计与计算 复合衬砌是用锚喷支护作初期支护，浇筑混凝土做二次衬砌的一种组合衬砌(二层间有或无防水层)。 第一节 概述 第二节 复合式衬砌的设计 第三节 复合式衬砌的计算第61页/共76页概述概述 复合衬砌是用锚喷支护作初期支护，浇筑混凝土做二次衬砌的一种组合衬砌(二层间有或无防水层)。 复合衬砌是以新奥法为基础进行设计和施工的一种新型支护结构，近几年在国内外的地下工程中得到了普通的采用。 研究和实践表明：复合衬砌理论先进、技术合理，能充分发挥围岩自承能力，提高衬砌承载力，加快施工进度，降低工程造价。 在新奥法施工中，复合式衬砌的施工步骤施工步骤一般为：断面开挖好以后及时喷混凝土，锚杆或钢拱支架的一种或几种作为初次支护初次支护对围岩进行加固，防止有害松动，维护围岩稳定，待初次支护的变形基本稳定后，再浇筑二次二次衬砌衬砌。显然，按这样程序建造的复合衬砌，其主要受力结构是初次支护。第62页/共76页 一、复合式衬砌受力变形的特点 二、新奥法技术与复合衬砌 三、复合式衬砌的国内外研究现状及需研究的问题第63页/共76页 复合式衬砌的设计复合式衬砌的设计 一、二次衬砌的主要作用 二、二次衬砌结构的设计 三、复台式衬砌防水层的设计第64页/共76页一、二次衬砌的主要作用二次衬砌的作用因不同的围岩类别而异， 对于类稳定硬质围岩，因围岩和初期支护的变形很小，且很快趋于稳定，故二次衬砌不承受围岩压力，其主要作用是防水、利于通风和修饰面层； 对于类基本稳定的硬质围岩，虽然围岩和初期支护变形小，二次衬砌承受不大的围岩压力，但考虑洞室运营后锚杆钢筋锈蚀、围岩松弛区逐渐压密，初期支护质量不稳定等原因，故施作二次衬砌以提高支护衬砌的安全度； 对于类围岩，由于岩体流变、膨胀压力、地下水等作用，或由于浅埋、偏压及施工等原因，围岩变形未趋于基本稳定而提前施作：二次衬砌，此时，二次衬砌主要承受较大的后期围岩形变压力。第65页/共76页二、二次衬砌结构的设计二、二次衬砌结构的设计 (一)基本要求 (二)二次衬砌的计算 由于复合式衬砌分层施作，应考虑时间效应，可考虑校粘弹塑性有限元法进行计算，也可运用弹塑性理论或特征曲线法近似计算复合式衬砌；也可参考我国复合式衬砌围岩压力现场量测数据和模型试验结果及国内外有关资料，对类围岩，以30一50的围岩压力作为二次衬砌的外荷载，按荷载一结构模型进行计算。 需要指出，由于对二次衬砌的受力机理研究认识不够深入，加之围岩的地质条件干变万化，实施二次衬砌精确的计算是困难的，应提倡运用简便而实用的计算方法。对于地质条件复杂的软弱围岩，应将上述几种方法的二次衬砌计算结果进行比较，确定一种合理简便的计算方法。 (三)二次衬砌施作时间的确定第66页/共76页复合式衬砌的计算复合式衬砌的计算 常用的方法常用的方法：考虑时间效应的粘弹塑性有限元法、特征曲线近似计算法以及荷载一结构模型计算法等。 其中采用特征曲线法计算复合式衬砌，还只限用于确定初期支护的设计参数，荷载荷载结构模型计算法可参阅本书前面有关章节。结构模型计算法可参阅本书前面有关章节。本节主要论述考考虑时间效应虑时间效应的粘弹塑性有限元法有限元法计算复合式衬砌问题。 一、材料流变模型 二、复合式衬砌有限元数值分析 三、计算实例第67页/共76页n(1)粘弹性模型。n(2)弹粘塑性模型。n(3)粘弹塑性模型。一、材料流变模型第68页/共76页(一)复合式衬砌的施工特点(二)开挖支护过程的正确模拟(三)复合式衬砌有限元分析流程图二、复合式衬砌有限元数值分析第69页/共76页三、计算实例三、计算实例大瑶山隧道复合式衬砌流大瑶山隧道复合式衬砌流变有限元分析变有限元分析第70页/共76页6.7 隧道门洞的简介第71页/共76页作者：日期： 2005年37月谢谢谢谢第72页/共76页结构力学知识（P162)结 构 力 学(上册)包世华 主 编武汉工业大学出版社2000年 超静定次数：如果从原结构中去掉n n个约束，结构就成为静定的，则原结构即为n n次超静定。 超静定次数= -W其中W为体系的计算自由度。 从静力分析的角度看超静定次数等于根据平衡方程计算未知力时所缺少的方程的个数。因此 超静定次数多余未知力的个数未知力个数-平衡方程的个数 力法是计算超静定结构的最基本的方法。力法计算的基本思路是把超静定结构的计算问题转化为静定结构的计算问题即利用已经熟悉的静定结构的计算方法来达到计算超静定结构的目的。 力法的主要持点是：把多余未知力的计算问题当作解超静定结构的关键问题。处于关键地位的多余未知力称为力法的基本未知量。力法这个名称就是由此而来的。 由此可看出、基本体系转化为原超静定结构的条件是：基本体系沿多余未知力xl方向的位移应与原结构相同。即第73页/共76页下面只讨论线性变形体系的情形。根据叠加原理，因106(d)所示的状态应等于田106(5)所示状态和图106(c)所示状态的总和。这里的状态(6)和状态(f)分别表示基本结构在g相xI单独作用下的受力和变形状态。因此变形条件式(d)可表示为第74页/共76页式中 AI基本体系(即基本结构在荷载与未知力xI共同作用下)沿xl方向的总位移即图106(d) o点的竖向位移31 AI p基本结构在荷载单独作用下沿x1方向的位移106(6)； AIl基本结构在未知力Xj单独作用下沿xI方向的位移图106(c)。第75页/共76页感谢您的观看！第76页/共76页