《隧道结构计算》PPT课件

UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程城 市 地 下 空 间 工 程 系2010年 2月 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程本 章 学 习 要 求 ：（ 1） 熟 悉 公 路 隧 道 的 荷 载 类 型 及 其 隧 道结 构 的 计 算 模 型 简 化 方 法 ；（ 2） 掌 握 半 衬 砌 和 曲 墙 式 衬 砌 结 构 内 力计 算 方 法 ；（ 3） 了 解 公 路 隧 道 的 数 值 分 析 方 法 。 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程第 6章 隧 道 结 构 计 算6.1 概 述6.2 隧 道 衬 砌 上 的 荷 载 类 型 及 其 组 合6.3 半 衬 砌 的 计 算6.4 曲 墙 式 衬 砌 计 算6.5 直 墙 式 衬 砌 计 算6.6 衬 砌 截 面 强 度 验 算6.7 单 元 刚 度 矩 阵6.8 结 构 刚 度 方 程 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程6.1 概 述1、 隧 道 结 构 环 境 及 其 简 化2、 隧 道 结 构 体 系 的 计 算 模 型 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程1、 隧 道 结 构 环 境 及 其 简 化 隧 道 结 构 与 地 面 结 构 的 区 别 隧 道 结 构 工 程 特 性 、 设 计 原 则 和方 法 与 地 面 结 构 完 全 不 同 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 隧 道 结 构 与 地 面 结 构 的 区 别 隧 道 结 构 是 由 周 边 围 岩 和 支 护结 构 两 者 组 成 共 同 的 并 相 互 作 用 的结 构 体 系 周 边 围 岩 在 很 大 程 度 上 是 隧 道结 构 承 载 的 主 体 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 隧 道 衬 砌 的 设 计 和 计 算 应 结 合围 岩 自 承 能 力 进 行 ， 保 证 使 用 寿 限内 的 安 全 度 隧 道 结 构 与 地 面 结 构 的 区 别 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 隧 道 结 构 计 算 的 简 化 问 题根 据 实 际 环 境 和 边 界 条 件如 何 简 化 对 计 算 结 果 影 响 非常 重 要 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程根 据 实 际 环 境 和 边 界 条 件 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程根 据 实 际 环 境 和 边 界 条 件 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程根 据 实 际 环 境 和 边 界 条 件 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 隧 道 结 构 计 算 的 简 化 问 题 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 隧 道 结 构 计 算 的 简 化 问 题 在 十 九 世 纪 末 ， 隧 道 衬 砌 结 构是 作 为 超 静 定 弹 性 拱 计 算 的 ， 但 仅考 虑 作 用 在 衬 砌 上 的 围 岩 压 力 ， 忽视 了 围 岩 对 衬 砌 的 约 束 作 用 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 弹 性 抗 力 ： 衬 砌 在 受 力 过 程 中 的变 形 ， 一 部 分 结 构 有 离 开 围 岩 形 成“ 脱 离 区 ” 的 趋 势 ， 另 一 部 分 压 紧 围岩 形 成 所 谓 “ 抗 力 区 ” ， 在 抗 力 区 内 ，约 束 着 衬 砌 变 形 的 围 岩 相 应 地 产 生 被动 抵 抗 力 隧 道 结 构 计 算 的 简 化 问 题 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 进 入 本 世 纪 后 ， 通 过 长 期 观 测 ，发 现 围 岩 不 仅 对 衬 砌 施 加 压 力 ， 同时 还 约 束 着 衬 砌 的 变 形 。 围 岩 对 衬砌 变 形 的 约 束 ， 对 改 善 衬 砌 结 构 的受 力 状 态 有 利 ， 不 容 忽 视 隧 道 结 构 计 算 的 简 化 问 题 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 局 部 变 形 理 论 和 共 同 变 形 理 论 局 部 变 形 理 论 ： 是 以 温 克 尔（ E.Winkler） 假 定 为 基 础 的 。 它 认为 应 力 和 变 形 之 间 呈 线 性 关 系 ， 即 为围 岩 弹 性 抗 力 系 数 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 共 同 变 形 理 论 把 围 岩 视 为 弹 性 半无 限 体 ， 考 虑 相 邻 质 点 之 间 变 形 的相 互 影 响 。 局 部 变 形 理 论 和 共 同 变 形 理 论 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程人工喷射混凝土的场景 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程2、 隧 道 结 构 体 系 的 计 算 模 型 计 算 模 型 的 如 何 建 立 ？ 隧 道 结 构 计 算 如 何 简 化 ？ 不 同 简 化 计 算 结 果 差 异 大 ！ UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程2、 隧 道 结 构 体 系 的 计 算 模 型 国 际 隧 道 协 会 (ITA) 认 为 ， 目 前采 用 的 地 下 结 构 设 计 方 法 可 以 归 纳 为以 下 4种 设 计 模 型 ： UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 以 工 程 类 比 为 主 的 经 验 设 计 法 ； 以 现 场 量 测 和 试 验 为 主 的 实 用 设 计 法 荷 载 结 构 模 型 方 法 岩 体 力 学 模 型 方 法 ， 包 括 解 析 法 和 数值 法 。2、 隧 道 结 构 体 系 的 计 算 模 型 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 从 各 国 的 地 下 结 构 设 计 实 践 看 ， 目 前 主 要 采用 两 类 计 算 模 型 ： 一 类 是 以 支 护 结 构 作 为 承 载 主 体 ， 结 构 力 学模 型 ， 又 称 为 荷 载 结 构 模 型 ； 另 一 类 则 相 反 ， 视 围 岩 为 承 载 主 体 ， 支 护 结构 则 为 约 束 围 岩 变 形 的 模 型 ， 即 岩 体 力 学 模 型或 称 为 围 岩 结 构 模 型 。 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程6.2 隧 道 衬 砌 上 的 荷 载 类 型1、 隧 道 结 构 上 的 基 本 荷 载2、 隧 道 结 构 上 的 荷 载 及 其 类 型 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程1、 基 本 荷 载 （ 1） 围 岩 压 力 （ 2） 结 构 自 重 力 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程2、 隧 道 结 构 上 的 荷 载 及 其 类 型 按 其 性 质 可 以 区 分 为 两 大 类 : 主 动 荷 载 是 主 动 作 用 于 结 构 、 并 引 起 结构 变 形 的 荷 载 ； 被 动 荷 载 是 因 结 构 变 形 压 缩 围 岩 而 引 起的 围 岩 被 动 抵 抗 力 ， 即 弹 性 抗 力 ， 它 对 结构 变 形 起 限 制 作 用 。 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程2、 隧 道 结 构 上 的 荷 载 及 其 类 型 公 路 隧 道 设 计 规 范 JTG D70-2004将隧 道 结 构 上 荷 载 仿 照 桥 规 分 为 ： 永 久 荷 载 可 变 荷 载 偶 然 荷 载 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程编 号 荷 载 类 型 荷 载 名 称1 永 久 荷 载（ 恒 载 ） 围 岩 压 力2 结 构 自 重 力3 填 土 压 力 水 压 力4 混 凝 土 收 缩 和 徐 变 影 响 力5 可变荷载 基 本可 变荷 载 公 路 车 辆 荷 载 ， 人 群 荷 载6 立 交 公 路 车 辆 荷 载 及 其 所 产 生 的 冲 击 力 和 土 压 力7 立 交 铁 路 列 车 活 载 及 其 所 产 生 的 冲 击 力 和 土 压 力8 其 它可 变荷 载 立 交 渡 槽 流 水 压 力9 温 度 变 化 的 影 响 力10 冻 胀 力 施 工 荷 载11 偶 然荷 载 落 石 冲 击 力12 地 震 力隧 规 P28： 表 6.1.1 作 用 在 隧 道 结 构 上 的 荷 载 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程荷 载 组 合 ： 结 构 自 重 围 岩 压 力 附 加 恒 载 （ 基 本 ） 结 构 自 重 土 压 力 公 路 荷 载 附 加 恒 载 结 构 自 重 土 压 力 附 加 恒 载 施 工 荷 载 温 度 作 用 力 结 构 自 重 土 压 力 附 加 恒 载 地 震 作 用附 加 恒 载 ： 伴 随 隧 道 运 营 的 各 种 设 备 设 施 的 荷 载 等 。 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程6.3 半 衬 砌 的 计 算 拱 圈 直 接支 承 在 隧 道 围岩 侧 壁 上 时 ，称 为 半 衬 砌 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 适 合 于 坚 硬和 较 完 整 的 围岩 ( 、 级 )；6.3 半 衬 砌 的 计 算 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 在 垂 直 荷 载 作 用 下 拱 圈 向 隧 道 内 变 形 为 自由 变 形 ， 不 产 生 弹 性 抗 力 ； 1、 基 本 假 定 拱 脚 产 生 角 位 移 和 线 位 移 ， 并 使 拱 圈 内 力 发生 改 变 ， 计 算 中 除 按 固 端 无 铰 拱 考 虑 外 ， 还 必须 考 虑 拱 脚 位 移 的 影 响 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 拱 脚 没 有 径 向 位 移 ， 只 有 切 向 位 移 ； a au 对 称 的 垂 直 分 位 移 对 拱 圈 内 力 不 产 生 影 响 ； 拱 脚 的 转 角 和 切 向 位 移 的 水 平 分 位 移 是 必 须 考 虑 的1、 基 本 假 定 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 fu u L/2ua 2、 基 本 结 构 aa u, UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 fu u L/2ua 01122111 apXX 02222211 aap ufXX 式 中 ： 是 单 位 变 位 ， 即 在 基 本 结 构 上 ， 因作 用 时 ， 在 方 向 上 所 产 生 的 变 位 ； 为 荷 载 变位 ， 即 基 本 结 构 因 外 荷 载 作 用 ， 在 方 向 的 变 位 ；f为 拱 圈 的 矢 高 ；ik 1kXiX ipiX3、 正 则 方 程 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程2、 单 位 变 位 及 荷 载 变 位 的 计 算 由 结 构 力 学 求 变 位 的 方 法 （ 轴 向 力 与 剪 力 影响 忽 略 不 计 ） 知 道 ：dsEJMM kiik dsEJMM piip 0uu u UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程2、 单 位 变 位 及 荷 载 变 位 的 计 算 在 很 多 情 况 下 ， 衬 砌 厚 度 是 改 变 的 ，给 积 分 带 来 不 便 ， 这 时 可 将 拱 圈 分 成 偶 数段 ， 用 抛 物 线 近 似 积 分 法 代 替 。 JMMES kiik EJMMES piip 0 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 a aa ahaha21 6aaa bhWM 211 6 aaa bhkk aaaaa Jkbhkh 112211 0au3、 拱 脚 位 移 计 算 单 位 力 矩 作 用 时 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 单 位 水 平 力 作 用 时 单 位 水 平 力 可 以 分 解 为 轴 向 分 力 和 切 向 分力 ， 计 算 时 只 需 考 虑 轴 向 分 力 的 影 响 ， 作 用 在围 岩 表 面 的 均 布 应 力 和 拱 脚 产 生 的 均 匀 沉 陷 为 ：)cos1( a)sin1( a 2 2a abh cos2 aa aa bhkk cos22 的 水 平 投 影 即 为 点 a的 水 平 位 移 ， 均 匀 沉陷 时 拱 脚 截 面 不 发 生 转 动 ， 则 有 ： 2 2uaa aa bhku 222 coscos 02 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 1020100 apapapap MHM aa aapapapap bhkNuHuMu cos020100 aha（ 3） 外 荷 载 作 用 时 在 外 荷 载 作 用 下 ， 基 本 结 构 中 拱 脚 点 处 产生 弯 矩 和 轴 向 力 ， 如 图 所 示 ， 拱 脚 截 面的 转 角 和 水 平 位 移 为 ： 0apM 0apN0ap 0apu UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程(4) 拱 脚 位 移 拱 脚 的 最 终 转 角 和 水 平 位 移 可 分 别 考 虑 和 外 荷 载 的 影 响 ， 按 叠 加 原 理 求 得 ， 可表 示 为 ： a au21, XX 012211 012211 )( )( apa apa uufuXuXu fXX UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程4 拱 圈 截 面 内 力 将 以 上 两 组 方 程 代 入 正 则 方 程 可 得 ： 0)()()( 0)()()( 0021221222211211 01121221111 apappapp ufffufuXfuX fXX 0020222121 10212111 aXaXa aXaXa 2211212 101220112 2211212 201210221 aaa aaaaX aaa aaaaX UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 00220 0110 112112122112 122122222 11111 apapp app ufaa fufaa ffufuaa 令 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程02 021cos ipii ipii NXN MyXXM 则 任 意 截 面 处 的 内 力 为xy UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程6.4 曲 墙 式 衬 砌 计 算 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程6.4 曲 墙 式 衬 砌 计 算 常 用 于 级 围 岩 ； 拱 圈 和 曲 边 墙 作 为 一 个 整 体 按 无 铰拱 计 算 ； 施 工 时 仰 拱 是 在 无 铰 拱 业 已 受 力 之后 修 建 的 ， 不 考 虑 仰 拱 对 衬 砌 内 力 的影 响 ； UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程1 计 算 假 设 在 主 动 荷 载 作 用 下 ， 顶 部 衬 砌 向 隧 道内 变 形 而 形 成 脱 离 区 ， 两 侧 衬 砌 向 围 岩 方向 变 形 ， 引 起 围 岩 对 衬 砌 的 被 动 弹 性 抗 力 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 下 零 点 a在 墙 脚 45b UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 最 大 抗 力 点 h假 定 发 生在 最 大 跨 度 处 附 近 ， 计 算时 一 般 取 为 简 化计 算 可 假 定 在 分 段 的 接 缝上 。 抗 力 图 形 的 分 布 假 定为 二 次 抛 物 线 abah 32 hhb ibi 22 22 coscos coscos hhii yy 21bh段 ：ha段 ： UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 忽 略 衬 砌 与 围 岩 之 间 的 摩 擦 力 墙 脚 支 承 在 弹 性 岩 体 上 ， 可 发 生 转 动和 垂 直 位 移 (无 水 平 位 移 ) UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程2 、 主 动 荷 载 作 用 下 的 力 法 方 程 和 衬 砌 内 力002222211 1122111 apapppp apppp ufXX XX 式 中 为 墙 底 位 移 。 分别 计 算 和 外 荷 载 的 影响 ， 然 后 按 照 叠 加 原 理 相 加得 到 apap u, pp XX 21 , UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程2 、 主 动 荷 载 作 用 下 的 力 法 方 程 和 衬 砌 内 力012211 )( apppap fXX 由 于 墙 底 无 水 平 位 移 ， 故 0apu 0)()( 0)()( 2122221211 111221111 apppp apppp ffXfX fXX 式 中 ： 是 基 本 结 构 的 单 位 位 移 和 主 动 荷 载 位 移 ； 是 墙 底 单 位 转 角 ； 为 基 本 结 构 墙 底 的 荷 载 转 角 ； f 为衬 砌 的 矢 高 。ipik , 10ap UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程求 得 后 ， 在 主 动 荷 载 作 用 下 ，衬 砌 内 力 即 可 计 算 ：pp XX 21 , 02 021 cos ipipip ipippip NXN MyXXM UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 在 具 体 进 行 计 算 时 ， 还 需 进 一 步 确 定 被 动 抗力 的 大 小 ， 这 需 要 利 用 最 大 抗 力 点 h处 的 变形 协 调 条 件 。 h hhhph hhph kk 1hh k UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 hhhph hhph kk 1hh k UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程3、 最 大 抗 力 值 的 计 算 先 求 出 和 变 位 由 两 部 分 组 成 ， 即 结 构 在 荷 载 作 用 下 的 变位 和 因 墙 底 变 位 （ 转 角 ） 而 产 生 的 变 位 之 和 hp h h UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 aahhaahhh apahhpapahhphp yJMMEsydsEJMM yJMMEsydsEJMM UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 h点 所 对 应 的 ， 则 该 点 的 径 向 位 移约 等 于 水 平 位 移 拱 顶 截 面 的 垂 直 位 移 对 h点 径 向 位 移 的 影 响可 以 忽 略 不 计按 照 结 构 力 学 方 法 ， 在 h点 加 一 单 位 力 ，可 以 求 得 和 90h 1php h UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 )()( )()( yyJMEsdsEJ yyM yyJMEsdsEJ yyM hhh hphphp UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程4、 在 单 位 抗 力 作 用 下 的 内 力 将 抗 力 图 视 为 外 荷 载 单 独 作 用 时 ， 未 知 力 及 可 以 参 照 及 的 求 法 得 出 1h 1X 2XpX1 pX 2 0)()( 0)()( 2122221211 111221111 aa ffXfX fXX UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程4、 在 单 位 抗 力 作 用 下 的 内 力 解 出 及 后 ， 即 可 求 出 衬 砌 在 单 位 抗 力 图 为 荷载 单 独 作 用 下 任 一 截 面 内 力 ：1X 2X 02 021 cos iii iii NXN MyXXM UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程5、 衬 砌 最 终 内 力 计 算 及 校 核 计 算 结果 的 正 确 性 衬 砌 任 一 截 面 最 终 内 力 值 可 利 用叠 加 原 理 求 得 ： ihipi ihipi NNN MMM UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 校 核 计 算 结 果 正 确 性 时 ， 可 以 利 用 拱 顶 截 面转 角 和 水 平 位 移 为 零 条 件 和 最 大 抗 力 点 a的 位 移条 件 ： kyJyMEsyEJ dsyM fJyMEsfEJdsyM JMEsEJdsM haahihiaahihi aiiaii aiai 00式 中 是 墙 底 截 面 最 终 转 角 ， a ahapa UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程6.5 直 墙 式 衬 砌 计 算 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程6.5直 墙 式 衬 砌 计 算 1、 计 算 原 理 拱 圈 按 弹 性 无 铰 拱 计 算 ， 边 墙 按 弹 性 地基 上 的 直 梁 计 算 ， 并 考 虑 边 墙 与 拱 圈 之 间的 相 互 影 响 ； 边 墙 支 承 拱 圈 并 承 受 围 岩 压 力 ； 拱 脚 区 段 的 弹 性 抗 力 为 二 次 抛 物 线 分 布 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 hhb ibi 22 22 coscos coscos 位 于 45o 55 o之 间 b hii )cos21( 2 90,45 hb UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 Winkler假 定 成 立 ， 即 拱 脚 位 移 考 虑 边 墙 顶 变 位 的 影 响 ii k UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程2、 边 墙 的 计 算 弹 性 地 基 上 的 直 梁 直 边 墙 计 算 分 类 ： 刚 性 边 墙 短 边 墙 长 边 墙 1h 75.21 h 75.2h UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 边 墙 为 短 梁 的 计 算 ： 短 梁 的 一 端 受 力 及 变 形 对 另 一 端 有 影 响 ，计 算 墙 顶 变 位 时 ， 要 考 虑 到 墙 脚 的 受 力 和 变 形的 影 响 。 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 墙 顶 在 单 位 弯 矩 单 独 作 用 下 ， 墙 顶 的转 角 和 水 平 位 移 为 1cM1 1u )(2 )(4 111321 121131 Acu Ac UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 墙 顶 在 单 位 水 平 力 =1单 独作 用 下 ， 墙 顶 位 移 为 和 为 cH2 2u)(2 )(2 13102 1113212 Acu Acu UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 在 主 动 侧 压 力 （ 梯 形 荷 载 ） 作用 下 ， 墙 顶 位 移 为 ： ee u, eAhhceAce 10314434 )( eAhceAcue )22(1)(1 4121514 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程其 中 为 基 底 弹 性 抗 力 系 数 ； k是 侧 向 弹 性 抗 力系 数 ； 是 基 底 作 用 有 单 位 力 矩 时 所 产生 的 转 角 ； h为 边 墙 的 侧 面 高 度 ；最 后 结 果 为 ： 4 4EJk 333 62 aa nhkA kkn 0 )( 109 Akc 0k aa Jk0/1 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 43221 322314 14322 214332 221 2222 2142 kHkMuu kHkMu HMkkuH HMkkuM cccc cccc cccc cccc UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 长 边 墙 计 算 弹 性 地 基 上 的 半 无 限 长 梁 ，墙 顶 受 力 与 墙 底 无 关 ， 上 述 公 式 可 得 到 一 定 的简 化 。墙 项 单 位 位 移 可 以 简 化 为 ： ku k 221 31 24 )(1 )( 1514 34 Acu Acee ku 22 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 边 墙 为 刚 性 梁 近 似 作 为 弹 性 地 基 上的 绝 对 刚 性 梁 ， 近 似 认为 （ 即 ）0h EJ UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 边 墙 本 身 不 产 生 弹 性 变 形 ，在 外 力 作 用 下 只 产 生 刚 体 位 移 ，墙 顶 处 为 最 大 值 为 ： 233 34 12 aaaa ah J hMhhnhh hM 1234 233 hhnhhJ aaa 称 为 刚 性 墙 的 综 合 转 动 惯 量 ， 因 而墙 侧 面 的 转 角 为 ： aah kJMkh UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程6.6 衬 砌 截 面 强 度 验 算1、 衬 砌 结 构 检 算 目 前 我 国 公 路 隧 道 设 计 规 范 规 定 ，隧 道 衬 砌 和 明 洞 应 按 破 损 阶 段 检 算 构件 截 面 强 度 。 结 构 抗 裂 有 要 求 时 ， 对混 凝 土 构 件 进 行 抗 裂 验 算 。 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程2、 偏 心 受 压 构 件 的 极 限 承 载 能 力 ， 计 算 截 面的 抗 压 （ 或 抗 拉 ） 强 度 安 全 系 数 K。 检 查 是 否满 足 规 范 所 要 求 的 数 值 ， 即 ： gfjx KNNK 式 中 ： 是 截 面 的 极 限 承 载 能 力 ； 为 截 面 的 实际 内 力 (轴 向 力 ) ; 是 规 范 所 规 定 的 强 度 安全 系 数 ， 见 下 表 jxN NgfK UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程混 凝 土 和 砌 体 结 构 的 强 度 安 全 系 数 圬 工 种 类 混 凝 土 砌 体荷 载 组 合 永 久 荷 载 +基 本可 变 荷 载 永 久 荷 载 +基 本可 变 荷 载 +其它 可 变 荷 载 永 久 荷 载 +基 本可 变 荷 载 永 久 荷 载 +基 本可 变 荷 载 +其它 可 变 荷 载混 凝 土 或 砌 体 达 到抗 压 极 限 强 度 2.4 2.0 2.7 2.3混 凝 土 达 到 抗 拉 极限 强 度 3.6 3.0钢 筋 混 凝 土 结 构 的 强 度 安 全 系 数 荷 载 组 合 永 久 荷 载 +基 本可 变 荷 载 永 久 荷 载 +基 本 可 变 荷载 +其 它 可 变 荷 载钢 筋 达 到 设 计 强 度 或 混 凝 土 达 到抗 压 或 抗 剪 极 限 强 度 2.0 1.7混 凝 土 达 到 抗 拉极 限 强 度 2.4 2.0 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程3、 抗 裂 要 求 ： 当 时 ， 按 抗 拉 强 度 控 制 承 载 能 力 ，并 用 下 式 计 算 ： de 2.00 1675.1 0 de bdRKN l UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 对 隧 道 衬 砌 和 明 洞 的 混 凝 土 偏 心 受 压构 件 的 轴 向 力 偏 心 距 限 制 为 ： 不 宜 大 于0.45倍 截 面 厚 度 ； 石 料 砌 体 偏 心 受 压 构 件 不 宜 大 于 0.3倍截 面 厚 度 ； 基 底 偏 心 距 的 限 制 为 ： 岩 石 地 基 不 应大 于 0.25墙 底 厚 度 ； 土 质 地 基 不 应 大 于1/6墙 底 厚 度 。 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程4、 地 基 容 许 承 载 力 隧 道 衬 砌 地 基 容 许 承 载 力 可 根 据 围岩 类 别 用 工 程 类 比 和 经 验 估 算 的 方 法 加以 确 定 ， 有 条 件 的 可 进 行 现 场 实 验 。 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程第 6章 隧 道 结 构 计 算6.1 概 述6.2 隧 道 衬 砌 上 的 荷 载 类 型 及 其 组 合6.3 半 衬 砌 的 计 算6.4 曲 墙 式 衬 砌 计 算6.5 直 墙 式 衬 砌 计 算6.6 衬 砌 截 面 强 度 验 算6.7 单 元 刚 度 矩 阵6.8 结 构 刚 度 方 程 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程采 用 有 限 元 法 计 算 隧 道 结 构（ 1） 了 解 有 限 元 基 础（ 2） 通 用 软 件 计 算 隧 道 结 构（ 3） 专 用 软 件 计 算 隧 道 结 构 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 (b)(a)曲 墙 式 衬 砌 计 算 的 基 本 结 构 图 式 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 计 算 模 型 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 二 次 衬 砌 -Z方 向 位 移 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 二 次 衬 砌 -第 一 主 应 力 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 二 次 衬 砌 -第 二 主 应 力 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 二 次 衬 砌 -第 三 主 应 力 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 二 次 衬 砌 -最 大 剪 应 力 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程 二 次 衬 砌 -锚 杆 受 力 图 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程左 导 洞 开 挖 -Y方 向 位 移 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程左 导 洞 开 挖 后 初 喷 -锚 杆 受 力 UNIVERSITY OF SOUTH CHINA南 华 大 学 隧 道 工 程第 6章 隧 道 结 构 计 算习 题 ：教 材 第 130页 的 思 考 题 :5、 6、 7、 10