山岭隧道-支护结构设计（精品）讲课教案.pptx

支护结构设计 龚伦 s o u t h w e s t j I a o t o n g u n I v e r s I t y 《山岭隧道》课程 第 五 章 郑余朝 制作 讲师 西南交通大学 Southwest Jiao tong Un ivers ity √ 荷载结构模式计算方法 √ 地层结构模式计算方法 √ 复合式衬砌结构设计 √ 单层衬砌结构设计 √ TBM管片衬砌结构设计 √ 衬砌结构耐久性设计概要 主要内容 山岭隧道 2 3 第一节 荷载结构模式计算方法 —— 数值方法 山岭隧道 ➢地下结构 — — 地层中的封闭式结构 ， 超静定问题。 ➢考虑结构与围岩的相互作用 ， 由结构的变位才能 确定弹性反力的范围和大小。 ➢结构的变位又是在主动荷载和弹性反力共同作用 下发生的 ， 求解是一个非线性问题。 计算方法： 主动荷载模型 ， 假定弹性反力模型， 计算弹性反力模型。 山岭隧道 4 山岭隧道 5 6 ➢有限元分析过程如下： 首先要进行单元分析 ， 找出单元节点力与单元节 点位移的关系 — —单元刚度矩阵， 然后进行整体分析 , 建立起以节点静力平衡为条件的总体结构刚度方程 式 ， 在总体结构刚度方程式中引入边界条件， 求得结构节点位移后 ， 再由各单元的 节点荷载与位移的关系计算各单元 的节点抗力 、单元内力。 初期支护单元模型 山岭隧道 √结构力学计算模型的建立 √单元刚度矩阵分析 √等效节点荷载 √整体分析 √计算模型建立工程实例 √ 单元内力分析 主要内容 山岭隧道 7 一 、 结构力学计算模型建立 山岭隧道 8 √结构体系的理想化 √外荷载理想化 √边界条件 主要内容 山岭隧道 9 ➢地下结构 — 有限个单元的组合体； ➢单元之间通过节点连接 ， 作用在结构上的外荷 载和内力只能通过节点力进行传递； ➢以节点位移（或节点力） 来代表整个结构的变 形状态（或受力状态） 。 ➢ 对于地下结构体系来说 ， 结构的理想化包 括支护结构的理想化和围岩的理想化两部分内容。 1 、 结构体系的理想化 山岭隧道 10 杆系结构常常可离散成杆 、梁 、柱等单元 ➢单元的联节点视为节点； ➢地下支护结构： 弯矩和轴力是主要因素 ， 离散化为 同时承受弯矩和轴力的直杆所组成的折线形组合体； ➢隧道支护结构单元的力学性质 — 荷载和位移的关系， 由弹性地基梁理论确定 ， 即它是小变形的 ， 符合虎克 1） 支护结构理想化 定律。 山岭隧道 11 1） 支护结构理想化 杆系结构常常可离散成杆 、梁 、柱等单元 山岭隧道 12 拱 、墙的单元各取相等的长度 。假定每个单 元都是等厚度的 ， 其计算厚度有三种取法： ➢① 取单元两端厚度的平均值； ➢② 取单元中点的厚度； ➢③ 取单元的平均厚度。 1） 支护结构理想化 山岭隧道 13 • 拱形结构—边墙底端是弹性固定的 ， 能产生转 动和垂直下沉。 • 整体式隧道衬砌结构本身的理想化模型见下图。 1） 支护结构理想化 整体式拱形结构的理想化 山岭隧道 14 15 ➢复合式隧道衬砌， 喷层较薄（如5cm以下） 时 ， 可离散化为杆单元， 喷层较厚（如5cm以上） 时 ， 可离散化为梁单元； ➢喷层和二次衬砌之间用杆单元连接 ， 如下图。 1） 支护结构理想化 复合式隧道衬砌结构 山岭隧道 ➢将连续围岩离散为独立岩柱 ， 纵向计算宽度 ， 取 单位长度,b= 1； 另一边长取两个相邻的衬砌单元的 长度和之半,h。 ➢用弹性支承代替岩柱 ， 并以铰接的方式作用在衬 砌单元的节点上 ， 只承受轴力。 ➢弹簧服从局部变形假定（即温克尔假定） , 即： k=khb K—围岩的弹性抗力系数 ， 《隧规》 2） 围岩的理想化 山岭隧道 16 拱形结构围岩的理想化 2） 围岩的理想化 山岭隧道 17 ➢围岩- 限制衬砌轴线的法向位移和切向位移。 ➢法向设置 ， 代替围岩的法向约束 ， 切向设置， 代替围岩的切向约束。 2） 围岩的理想化 弹性支承的设置方向 山岭隧道 18 ➢衬砌与围岩的粘结就比较好 ， 传递法向压力 、法向 拉力 ， 具有抗剪强度 ， 遵循摩尔 — 库仑条件 ， 即： τ= δtgφ+ c τ、 δ— — 衬砌与围岩接触面的切向和法向应力； φ— — 衬砌与围岩间的的摩擦角； c— — 衬砌与围岩的粘结力。 ➢复合式衬砌 ， 喷层和二次衬砌之间设有防水层 ， 只 传递法向力 ， 可用法向杆单元来模拟。 2） 围岩的理想化 山岭隧道 19