第5章結(jié)構(gòu)計算

1、5.4 隧道洞門計算5.3 巖體力學(xué)方法5.1 隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型5.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法5.5 隧道抗震計算5.1 隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型 圍巖不僅是荷載，同時又是承載體； 地層壓力由圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承受； 充分發(fā)揮圍巖自身承載力的重要性。5.1 隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型 隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型 特點： 以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體； 圍巖對支護(hù)結(jié)構(gòu)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(gòu)力學(xué)方法計算。 適用于：模筑砼襯砌 特點： 支護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)約束圍巖的變形； 采用巖體力學(xué)方法計算； 圍巖體現(xiàn)為形變壓力。 適用于：錨

2、噴支護(hù) 5.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法結(jié)構(gòu)力學(xué)方法 將支護(hù)和圍巖分開考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載的主體，圍巖作為荷載的來源和支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性支承，與其對應(yīng)的計算模型稱為荷載結(jié)構(gòu)模型。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）)。 圖51 荷載結(jié)構(gòu)模式 (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 矩陣位移法又叫直接剛度法，它是以結(jié)構(gòu)節(jié)點位移為基本未知量，聯(lián)接在同一節(jié)點各單元的節(jié)點位移應(yīng)該相等，并等于該點的結(jié)構(gòu)節(jié)點位移（變形協(xié)調(diào)條件）；同時作用于某

3、一結(jié)構(gòu)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）。 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(chǔ)單剛：支座單元 拼總剛(結(jié)構(gòu)剛度矩陣) 邊界條件墻基礎(chǔ)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 襯砌結(jié)構(gòu)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(chǔ)的處理：假設(shè)邊墻底端是彈性固定，即能產(chǎn)生轉(zhuǎn)動和垂直下沉，不能產(chǎn)生水平位移。 圖5-4 直剛法計算圖式 (2)等效節(jié)點荷載的處理 按“靜力等效”原則進(jìn)行，即均布荷載所作的虛功應(yīng)等于節(jié)點荷載所作的虛功。 圖5-5

4、等效節(jié)點荷載計算示意圖垂直均布荷載作用在單元上的等效節(jié)點力分量為：水平均布荷載作用在單元上的等效節(jié)點力分量為： (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(shè)置一根彈簧鏈桿，彈簧力即為圍巖抗力； 以溫氏假定反映抗力與節(jié)點位移的關(guān)系； 彈簧支承的方向：應(yīng)按襯砌與圍巖的接觸狀態(tài)而定。 圖5-6 圍巖彈性抗力鏈稈設(shè)置示意圖 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(biāo)系與總體坐標(biāo)系一致； 由溫氏假定求抗力。 墻腳彈性支座單元剛度矩陣 圖5-7 彈性鏈稈單元示意圖 圖5-8 墻角彈性支座單元示意圖 （1）結(jié)構(gòu)剛度方程的形成 （2） 結(jié)構(gòu)剛度

5、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(gòu)的 約束，故襯砌結(jié)構(gòu)不能作剛體移動。 （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 （1）單元結(jié)點位移（2）單元結(jié)點力 破損階段法 破損階段法考慮到結(jié)構(gòu)的塑性階段，材料塑性極限強(qiáng)度Rb已進(jìn)入塑性階段。 當(dāng) 時，由抗壓強(qiáng)度控制其承載能力，因此僅需按抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢算。 破損階段法 當(dāng) 時，由抗拉強(qiáng)度控制承載能力，僅需按抗拉強(qiáng)度進(jìn)行檢算

6、。 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(yīng)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。 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(gòu)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(gòu)件，其受壓承載能力： 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(gòu)件的抗裂承載力按下式檢算： 5.3 巖體力學(xué)方法巖體力學(xué)方法 5.3 巖體力學(xué)方法巖體力學(xué)方法 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

7、有限元法處理特點（1）單元類型的選擇和網(wǎng)格劃分 圖5-11 隧道計算范圍及網(wǎng)格劃分 （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。（3）邊界條件和初始應(yīng)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(yīng)力 （8）有限元法計算的可信度（7）圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性判斷 5.4 隧道洞門計算隧道洞門計算 計算方法：洞門可視作擋土墻，按計算擋土墻的方法進(jìn)行計算。 計算處理：主動土壓力按庫侖理論進(jìn)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

8、不利位置墻體最高點。5.4 隧道洞門計算隧道洞門計算 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 5.4 隧道洞門計算隧道洞門計算 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 5.4 隧道洞門計算隧道洞門計算 5.4.2 洞門計算內(nèi)容 1. 洞門計算內(nèi)容： 墻身偏心及強(qiáng)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(yīng)力檢算。5.4 隧道洞門計算隧道洞門計算 5.4.2 洞門計算內(nèi)容 2. 洞門端墻及擋（翼）墻檢算規(guī)定 墻身截面壓應(yīng)力 容許應(yīng)力 墻身截面偏心距 e 0.3倍截面厚度 基底應(yīng)力 地基容許承載力 基

9、底偏心距 e 巖石地基B/4，土質(zhì)地基B/6（B為墻底厚度） 滑動穩(wěn)定系數(shù) KC1.3 傾覆穩(wěn)定系數(shù) K01.5 5.4 隧道洞門計算隧道洞門計算 5.4.4 洞門計算的概率極限狀態(tài)法 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范規(guī)定隧道洞門除按破損階段法進(jìn)行檢算外，還可采用極限狀態(tài)法進(jìn)行設(shè)計計算?；痉椒ㄈ酝茡p階段法，如取計算條帶，具體公式不同，按可靠度理論得出. 5.4 隧道洞門計算隧道洞門計算 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))5.4 隧道洞門計算隧道洞門計算 5.4.4 洞門計算的概率極限狀態(tài)法 3.洞門墻

10、地基承載能力計算 4.抗傾覆計算 5.抗滑動計算5.5 隧道抗震計算隧道抗震計算 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(jìn)行抗震設(shè)計。 抗震設(shè)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。 5.5 隧道抗震計算隧道抗震計算 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(yīng)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。5.5 隧道抗震計算隧道抗震計算 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 5.5 隧道抗震計算隧道抗震計算 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5.5 隧道抗震計算隧道抗震計算 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（c）可得： （3） 在襯砌任一截面中，由于地震力產(chǎn)生的最大應(yīng)力為： 思考題 1.隧道結(jié)構(gòu)的受力特點？隧道結(jié)構(gòu)體系的概念？2.什么是荷載結(jié)構(gòu)模型？什么是巖體力學(xué)模型？3.什么是圍巖彈性抗力？計