第06章 隧道衬砌结构计算ppt课件.ppt

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1、第06章隧道衬砌结构计算道路与桥梁工程系乔雄7/29/20211内容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衬砌截面强度验算2021-07-292第06章隧道衬砌结构计算6.1概述7/29/202136.1概述隧道结构工程特性、设计原则和方法与地面结构完全不同，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。各种围岩都是具有不同程度自稳能力的介质，周边围岩在很大程度上是隧道结构承载的主体，其承载能力必须加以充分利用。隧道衬砌的设计计算必须结合围岩自承能力进行

2、，对隧道衬砌的要求除必须保证有足够的净空外，还要求有足够的强度，以保证在使用年限内结构物有可靠的安全度。7/29/20214隧道建筑虽然是一种古老的建筑结构，但其结构计算理论的形成却较晚。从现有资料看，最初的计算理论形成于十九世纪。最初的隧道衬砌使用砖石材料，其结构型式通常为拱形。采用的截面厚度常常很大，所以结构变形很小，可以忽略不计。因为构件的刚度很大，故将其视为刚性体，计算时按静力学原理确定其承载时压力线位置，检算结构强度。7/29/202157/29/20216在十九世纪末，混凝土已经是广泛使用的建筑材料，它具有整体

3、性好，可以在现场根据需要进行模注等特点。这时，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，而未将围岩的弹性抗力计算在内，忽视了围岩对衬砌的约束作用。其计算原理和地面结构一样。由于把衬砌视为自由变形的弹性结构，因而，通过计算得到的衬砌结构厚度很大，过于安全。7/29/202177/29/20218进入二十世纪后，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。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

4、势，另一部分压紧围岩形成所谓“抗力区”，如图6-1所示。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，即“弹性抗力”。弹性抗力因围岩性质、围岩压力大小和结构变形的不同而异。但是对这个问题有不同的见解，即局部变形理论和共同变形理论。7/29/20219图6-1抗力区和脱离区变形后外轮廓线脱离区衬砌抗力区7/29/202110局部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（σi）和变形（δj）之间呈线性关系，即σi=kδi，k为独立岩柱的弹性抗力系数，见图6-2a。这一假定，相当于认

5、为围岩是一组各自独立的弹簧，每个弹簧表示一个小岩柱。6-2a独立的弹簧7/29/202111共同变形理论共同变形理论把围岩视为弹性半无限体，考虑相邻岩柱之间变形的相互影响，即考虑独立岩柱之间的联系。它用纵向变形系数E和横向变形系数μ表示地层特征，并考虑粘结力C和内摩擦角φ的影响。但这种方法所需围岩物理力学参数较多，计算相对复杂。6-2b联合的弹簧7/29/202112国际隧道协会(ITA)在1987年成立了隧道结构设计模型研究组，收集和汇总了各会员国采用的地下结构设计方法。经过总结，国际隧道协会认为，目前采用的地下结构设计

6、方法可以归纳为以下4种设计模型：（1）以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主的经验设计法；（2）以现场量测和试验为主的实用设计方法；（3）荷载—结构模型。将围岩对结构的作用简化为荷载作用于结构上进行计算；（4）连续介质模型，将围岩和结构作为整体进行计算。包括解析法和数值法，数值计算法目前主要是有限单元法，也可利用各种有限元软件来计算。7/29/202113从各国的地下结构设计实践看，主要采用上述后两类计算模型，荷载-结构计算模型主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承担围岩“松动”压力的情况。利用这类模

7、型进行隧道支护结构设计的关键问题，是如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最主要的是围岩所产生的松动压力，以及弹性支承给支护结构的弹性抗力。一旦这两个问题解决了，剩下的就只是运用普通结构力学方法求出超静定结构的内力和位移了。属于这一类模型的计算方法有：弹性连续框架（含拱形）法、假定抗力法和弹性地基梁（含曲梁和圆环）法等都可归属于荷载-结构法。7/29/202114第06章隧道衬砌结构计算6.2隧道衬砌上的荷载类型及其组合7/29/2021156.2隧道衬砌上的荷载类型及其组合《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）

8、中在对隧道结构进行计算时，列出了荷载类型，如表6-1所示，并按其可能出现的最不利组合考虑。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