新奧法隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隧道工程(7)隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì)

6隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算6.1概述6.2隧道襯砌上的荷載類型及其組合6.3半襯砌的計(jì)算6.4曲墻式襯砌計(jì)算6.5直墻式襯砌計(jì)算6.6襯砌截面強(qiáng)度驗(yàn)算6.7單元?jiǎng)偠染仃?.8結(jié)構(gòu)剛度方程6.1概述1、引言⑴隧道結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別隧道結(jié)構(gòu)工程特性、設(shè)計(jì)原則和方法與地面結(jié)構(gòu)完全不同

●隧道結(jié)構(gòu)是由周邊圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)兩者組成共同的并相互作用的結(jié)構(gòu)體系；；●周邊圍巖在很大程度上是隧道結(jié)構(gòu)承載的主體；

●隧道襯砌的設(shè)計(jì)計(jì)算必須結(jié)合圍巖自承能力進(jìn)行；●對(duì)不同型式襯砌結(jié)構(gòu)物應(yīng)該用不同方法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

⑵隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的簡(jiǎn)化問(wèn)題●

在十九世紀(jì)末，隧道襯砌結(jié)構(gòu)是作為超靜定彈性拱計(jì)算的，但僅考慮作用在襯砌上的圍巖壓力，忽視了圍巖對(duì)襯砌的約束作用●

彈性抗力：襯砌在受力過(guò)程中的變形，一部分結(jié)構(gòu)有離開(kāi)圍巖形成“脫離區(qū)”的趨勢(shì)，另一部分壓緊圍巖形成所謂“抗力區(qū)”，在抗力區(qū)內(nèi)，約束著襯砌變形的圍巖，相應(yīng)地產(chǎn)生被動(dòng)抵抗力●進(jìn)入本世紀(jì)后，通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)圍巖不僅對(duì)襯砌施加壓力，同時(shí)還約束著襯砌的變形。圍巖對(duì)襯砌變形的約束，對(duì)改善襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有利，不容忽視。⑶局部變形理論和共同變形理論●局部變形理論：是以溫克爾(E.Winkler)假定為基礎(chǔ)的。它認(rèn)為應(yīng)力和變形之間呈直線關(guān)系，即圍巖彈性抗力系數(shù)●共同變形理論把圍巖視為彈性半無(wú)限體，考慮相鄰質(zhì)點(diǎn)之間變形的相互影響。它用縱向變形系數(shù)E和橫向變形系數(shù)表示地層特征，并考慮粘結(jié)力C和內(nèi)摩擦角的影響。

2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型經(jīng)過(guò)總結(jié)，國(guó)際隧道協(xié)會(huì)(ITA)認(rèn)為，目前采用的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可以歸納為以下4種設(shè)計(jì)模型：●以參照過(guò)去隧道工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工程類比為主的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法；●以現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)為主的實(shí)用設(shè)計(jì)方法

●作用與反作用模型，即荷載—結(jié)構(gòu)模型●連續(xù)介質(zhì)模型，包括解析法和數(shù)值法。數(shù)值計(jì)算法目前主要是有限單元法。

從各國(guó)的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐看，目前，在設(shè)計(jì)隧道的結(jié)構(gòu)體系時(shí)，主要采用兩類計(jì)算模型●一類是以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體，圍巖作為荷載同時(shí)考慮其對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形約束作用的模型，即結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，又稱為荷載一結(jié)構(gòu)模型；

●另一類則相反，視圍巖為承載主體，支護(hù)結(jié)構(gòu)則為約束圍巖變形的模型，即巖體力學(xué)模型或稱為圍巖—結(jié)構(gòu)模型或復(fù)合整體模型。6.2隧道襯砌上的荷載類型及其組合1、基本荷載

圍巖壓力與結(jié)構(gòu)自重力是隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的基本荷載2、隧道結(jié)構(gòu)上的荷載及其類型

作用在襯砌上的荷載，按其性質(zhì)也可以區(qū)分為主動(dòng)荷載與被動(dòng)荷載?！裰鲃?dòng)荷載是主動(dòng)作用于結(jié)構(gòu)、并引起結(jié)構(gòu)變形的荷載；●

被動(dòng)荷載是因結(jié)構(gòu)變形壓縮圍巖而引起的圍巖被動(dòng)抵抗力，即彈性抗力，它對(duì)結(jié)構(gòu)變形起限制作用。編號(hào)荷載類型荷載名稱1永久荷載（恒載）圍巖壓力2結(jié)構(gòu)自重力3填土壓力4混凝土收縮和徐變影響力5可變荷載基本可變荷載公路車輛荷載，人群荷載6立交公路車輛荷載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力7

立交鐵路列車活載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力8其它可變荷載立交渡槽流水壓力9溫度變化的影響力10凍脹力11偶然荷載落石沖擊力12地震力13施工荷載表作用在隧道結(jié)構(gòu)上的荷載6.3半襯砌的計(jì)算

拱圈直接支承在坑道圍巖側(cè)壁上時(shí)，稱為半襯砌●適合于堅(jiān)硬和較完整的圍巖(Ⅱ、Ⅲ級(jí))中●用先拱后墻法施工時(shí)，在拱圈已作好，但馬口尚未開(kāi)挖前，拱圈也處于半襯砌工作狀態(tài)

1、計(jì)算圖式、基本結(jié)構(gòu)及正則方程

⑴在垂直荷載作用下拱圈向坑道內(nèi)變形，為自由變形，不產(chǎn)生彈性抗力；⑵拱腳產(chǎn)生角位移和線位移，并使拱圈內(nèi)力發(fā)生改變，計(jì)算中除按固端無(wú)鉸拱考慮外，還必須考慮拱腳位移的影響⑶假定拱腳沒(méi)有徑向位移，只有切向位移；⑷對(duì)稱的垂直分位移對(duì)拱圈內(nèi)力不產(chǎn)生影響；⑸拱腳的轉(zhuǎn)角和切向位移的水平分位移是必須考慮的正則方程式式中：是單位變位，即在基本結(jié)構(gòu)上，因作用時(shí)，在方向上所產(chǎn)生的變位；為荷載變位，即基本結(jié)構(gòu)因外荷載作用，在方向的變位；f為拱圈的矢高；為拱腳截面的最終轉(zhuǎn)角和水平位移。2、單位變位及荷載變位的計(jì)算

由結(jié)構(gòu)力學(xué)求變位的方法（軸向力與剪力影響忽略不計(jì)）知道：

在很多情況下，拱圈可用拋物線近似積分法代替

3、拱腳位移計(jì)算⑴單位力矩作用時(shí)⑵單位水平力作用時(shí)

單位水平力可以分解為軸向分力和切向分力，計(jì)算時(shí)只需考慮軸向分力的影響，作用在圍巖表面的均布應(yīng)力和拱腳產(chǎn)生的均勻沉陷為：

的水平投影即為點(diǎn)a的水平位移，均勻沉陷時(shí)拱腳截面不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，則有：(4)拱腳位移

拱腳的最終轉(zhuǎn)角和水平位移可分別考慮和外荷載的影響，按疊加原理求得，可表示為：(3)外荷載作用時(shí)

在外荷載作用下，基本結(jié)構(gòu)中拱腳點(diǎn)處產(chǎn)生彎矩和軸向力，如圖所示，拱腳截面的轉(zhuǎn)角和水平位移為：令則任意截面處的內(nèi)力為4拱圈截面內(nèi)力將以上兩組方程代入正則方程可得：6.4曲墻式襯砌計(jì)算

●常用于Ⅳ～Ⅵ級(jí)圍巖●拱圈和曲邊墻作為一個(gè)整體按無(wú)鉸拱計(jì)算

●施工時(shí)仰拱是在無(wú)鉸拱業(yè)已受力之后修建的，不考慮仰拱對(duì)襯砌內(nèi)力的影響1計(jì)算圖式

⑴在主動(dòng)荷載作用不，頂部襯砌向隧道內(nèi)變形而形成脫離區(qū)，兩側(cè)襯砌向圍巖方向變形，引起圍巖對(duì)襯砌的被動(dòng)彈性抗力

⑵上零點(diǎn)b（即脫離區(qū)與抗力區(qū)的分界點(diǎn)）與襯砌垂直對(duì)稱中線的夾角假定為

⑶下零點(diǎn)a在墻腳⑷最大抗力點(diǎn)h假定發(fā)生在最大跨度處附近，計(jì)算時(shí)一般取為簡(jiǎn)化計(jì)算可假定在分段的接縫上。⑸抗力圖形的分布假定為二次拋物線

bh段：ha段：⑹忽略襯砌與圍巖之間的摩擦力⑺墻腳支承在彈性巖體上，可發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和垂直位移(無(wú)水平位移)2、主動(dòng)荷載作用下的力法方程和襯砌內(nèi)力式中為墻底位移。分別計(jì)算和外荷載的影響，然后按照疊加原理相加得到：

由于墻底無(wú)水平位移，故

式中：是基本結(jié)構(gòu)的單位位移和主動(dòng)荷載位移；是墻底單位轉(zhuǎn)角；為基本結(jié)構(gòu)墻底的荷載轉(zhuǎn)角；f為襯砌的矢高。求得后，在主動(dòng)荷載作用下，襯砌內(nèi)力即可計(jì)算：在具體進(jìn)行計(jì)算時(shí)，還需進(jìn)一步確定被動(dòng)抗力的大小，這需要利用最大抗力點(diǎn)h處的變形協(xié)調(diào)條件。3、最大抗力值的計(jì)算●先求出和●變位由兩部分組成，即結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變位和因墻底變位（轉(zhuǎn)角）而產(chǎn)生的變位之和●

h點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的，則該點(diǎn)的徑向位移約等于水平位移

●

拱頂截面的垂直位移對(duì)h點(diǎn)徑向位移的影響可以忽略不計(jì)按照結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，在h點(diǎn)加一單位力，可以求得和

4、在單位抗力作用下的內(nèi)力

將抗力圖視為外荷載單獨(dú)作用時(shí)，未知力及可以參照及的求法得出

解出及后，即可求出襯砌在單位抗力圖為荷載單獨(dú)作用下任一截面內(nèi)力：5、襯砌最終內(nèi)力計(jì)算及校核計(jì)算結(jié)果的正確性

襯砌任一截面最終內(nèi)力值可利用疊加原理求得：

校核計(jì)算結(jié)果正確性時(shí)，可以利用拱頂截面轉(zhuǎn)角和水平位移為零條件和最大抗力點(diǎn)a的位移條件：式中：是墻底截面最終轉(zhuǎn)角，。

6.5直墻式襯砌計(jì)算

1、計(jì)算原理⑴拱圈按彈性無(wú)鉸供計(jì)算，邊墻按彈性地基上的直梁計(jì)算，并考慮邊墻與拱圈之間的相互影響；⑵變墻支承拱圈并承受圍巖壓力；⑶拱腳區(qū)段的彈性抗力假定為二次拋物線分布

位于45o～55o之間

⑷Winkler假定成立，即⑸拱腳位移考慮變墻頂變位的影響2、邊墻的計(jì)算

——彈性地基上的直梁⑴直邊墻計(jì)算分類：●

剛性邊墻●短邊墻●長(zhǎng)邊墻⑵邊墻為短梁的計(jì)算：短梁的一端受力及變形對(duì)另一端有影響，計(jì)算墻頂變位時(shí)，要考慮到墻腳的受力和變形的影響。●墻頂在單位彎矩單獨(dú)作用下，墻頂?shù)霓D(zhuǎn)角和水平位移為

●

墻頂在單位水平力=1單獨(dú)作用下，墻頂位移為和為

●在主動(dòng)側(cè)壓力（梯形荷載）作用下，墻頂位移為：

其中，為基底彈性抗力系數(shù)；k是側(cè)向彈性抗力系數(shù)；是基底作用有單位力矩時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角；h為邊墻的側(cè)面高度；最后結(jié)果為：

⑶長(zhǎng)邊墻計(jì)算——彈性地基上的半無(wú)限長(zhǎng)梁，墻頂受力與墻底無(wú)關(guān)，上述公式可得到一定的簡(jiǎn)化。墻項(xiàng)單位位移可以簡(jiǎn)化為：

⑷邊墻為剛性梁●近似作為彈性地基上的絕對(duì)剛性梁，近似認(rèn)為（即）●邊墻本身不產(chǎn)生彈性變形，在外力作用下只產(chǎn)生剛體位移，即只產(chǎn)生整體下沉和轉(zhuǎn)動(dòng)墻底處為零，墻頂處為最大值為：

稱為剛性墻的綜合轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因而墻側(cè)面的轉(zhuǎn)角為：

6.6襯砌截面強(qiáng)度驗(yàn)算1、在算出結(jié)構(gòu)內(nèi)力之后進(jìn)行強(qiáng)度檢算目前我國(guó)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，隧道襯砌和明洞按破壞階段檢算構(gòu)件截面強(qiáng)度。2、根據(jù)混凝土和石砌材料的極限強(qiáng)度，計(jì)算出偏心受壓構(gòu)件的極限承載能力，與構(gòu)件實(shí)際內(nèi)力相比較，計(jì)算截面的抗壓（或抗拉）強(qiáng)度安全系數(shù)K。檢查是否滿足規(guī)范所要求的數(shù)值，即：

式中：是截面的極限承載能力；為截面的實(shí)際內(nèi)力(軸向力);是規(guī)范所規(guī)定的強(qiáng)度安全系數(shù)，見(jiàn)表1和2

混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)

圬工種類混凝土砌體荷載組合永久荷載+基本可變荷載永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載永久荷載+基本可變荷載永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載混凝土或砌體達(dá)到抗壓極限強(qiáng)度2.42.02.72.3混凝土達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度3.63.0鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)

荷載組合

永久荷載+基本可變荷載

永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載鋼筋達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度或混凝土達(dá)到抗壓或抗剪極限強(qiáng)度

2.01.7混凝土達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度

2.42.03、抗裂要求：⑴當(dāng)時(shí)，按抗拉強(qiáng)度控制承載能力，并用下式計(jì)算：

⑵對(duì)隧道襯砌和明洞的混凝土偏心受壓構(gòu)件的軸向力偏心距限制為：不宜大于0.45倍截面厚度；⑶石料砌體偏心受壓構(gòu)件不宜大于0.3倍截面厚度⑷基底偏心距的限制為：巖石地基不應(yīng)大于0.25墻底厚度；土質(zhì)地基不應(yīng)大于1/6墻底厚度。4、地基容許承載力

隧道襯砌地基容許承載力可根據(jù)圍巖類別用工程類比和經(jīng)驗(yàn)估算的方法加以確定，有條件的可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

本章學(xué)習(xí)思考題1、名詞解釋：共同變形理論、局部變形理論、圍巖彈性抗力2、隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型有哪些？3、隧道結(jié)構(gòu)上的主要荷載有哪些？附加荷載有哪些？4、對(duì)半襯砌的隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算作了哪些簡(jiǎn)化假定？5、寫出隧道半襯砌計(jì)算的力法正則方程式。6、試?yán)L出半襯砌拱圈的彎矩圖和軸力圖大致形狀。7、對(duì)隧道曲墻式襯砌計(jì)算作了哪些簡(jiǎn)化假定？8、曲墻式隧道襯砌最終內(nèi)力較核常用哪三個(gè)條件？9、隧道直墻式襯砌計(jì)算作了哪些簡(jiǎn)化假定？10、隧道直邊墻的計(jì)算類型分為哪些？11、隧道襯砌截面強(qiáng)度驗(yàn)算有哪些內(nèi)容？謝謝觀看/歡迎下載BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEENTHUSIASMTHATPUSHESONETOSEEKITSFULFILLMENTREGARDLESSOFOBSTACLES.BYFAITHIBYFAITH最易遭老板“炒”的15種員工廣東韋邦集團(tuán)李雙華有人在工作中出了問(wèn)題，于是首先想到的是換一家企業(yè)去工作，考慮的只是換一個(gè)環(huán)境而已，根本沒(méi)有反思自身的問(wèn)題。可是，換了工作環(huán)境問(wèn)題卻依然存在啊！老板雖然換了，但他們考慮“炒魷魚(yú)”的因素是一致的。那么，老板眼中什么樣的人會(huì)被炒掉呢？這類對(duì)象一般是剛剛參加工作不久的職場(chǎng)新鮮人，對(duì)突發(fā)事件往往措手不及，結(jié)果行動(dòng)常過(guò)分急躁，更甚者每次遇事每次如此，給老板留下不可調(diào)教的印象。01：不夠穩(wěn)重沉著喜歡夸夸其談，一旦需要實(shí)際操作時(shí)，往往發(fā)生許多困難，卻又找不出原因何在。02：理論與實(shí)際不能配合不能具體地評(píng)斷工作價(jià)值，往往分不清工作的目的是什么，是為了賺錢？還是為了立名？或是為了樂(lè)趣。給老板一種整個(gè)人渾渾噩噩的感覺(jué)。03：不夠成熟一旦出現(xiàn)失誤就無(wú)法釋懷，更無(wú)法從中領(lǐng)悟出正確的方法。04：對(duì)所犯的錯(cuò)誤耿耿于懷只看重眼前區(qū)區(qū)小事，無(wú)法透過(guò)現(xiàn)象去把握實(shí)質(zhì)，沒(méi)有主次之分，往往怡誤很多機(jī)會(huì)。05：斤斤計(jì)較，分不清主次自信有很好的工作能力，但稍微涉及工作以外的其他方面，就極度缺乏自信