第7章-拱形隧道衬砌结构PPT课件.ppt

第7章拱形隧道衬砌结构 概述半衬砌结构曲墙拱结构直墙拱结构连拱结构拱形隧道衬砌设计的一般技术要求 2020 3 27 1 7 1概述 常见的拱形结构 2020 3 27 2 7 2半衬砌结构 半衬砌结构的构造 半衬砌结构包括拱圈与拱座两部分 注 f l为拱轴线拱高与跨度 l0为拱的净跨度 拱脚局部加大截面的拱圈内力计算可以不考虑拱脚加大的影响 但在求拱脚位移时应考虑加大后的拱脚尺寸 1 拱圈几何参数 2020 3 27 3 单线铁路隧道半衬砌结构 厚拱薄墙 标准构造 拱圈由三段圆弧组成 半衬砌结构的形式 2020 3 27 4 斜拱座 半衬砌结构的关键部位是拱座 其通常采用斜拱座和折线拱座 台阶的宽度尺寸一般为0 3 1 2m 折线型拱座 半衬砌结构的形式 2 拱座的形式 2020 3 27 5 计算简图 半衬砌结构的内力计算方法 该力学模型为弹性固定无铰拱三次超静定结构 可根据力法求解结构内力 微元体 计算简图 2020 3 27 6 单位荷载作用下拱座位移计算 单位力矩作用时 当单位弯矩作用在拱脚地层上时 地层支承面便绕中心a点转动 1角 拱脚边缘处地层应力和最大沉陷为 由局部变形理论 其中 可得 2020 3 27 7 单位水平力作用时 单位荷载作用下拱座位移计算 当单位轴力作用在拱脚岩层上时 拱脚截面只产生沿轴向的沉陷 这时地层的正应力和拱脚沉陷为 由局部变形理论 可得 2020 3 27 8 外荷载作用下拱座位移计算 在外荷载作用下 基本结构中拱脚a点处产生弯矩Map和轴向力Nap 则拱脚截面的转角和水平位移为 2020 3 27 9 拱圈内力计算 对称结构承受正对称力问题的解 基本结构 拱顶b点的转角位移 拱顶b点的水平位移 单独作用下b点的转角 水平 位移 荷载单独作用下b点的转角 水平 位移 拱圈的矢高 2020 3 27 10 拱圈内力计算 为确定拱脚的最终的转角和水平位移 分别考虑X1 X2和外荷载的影响 按叠加原理可表示为 单位载荷法计算力法方程中其他系数 2020 3 27 11 代入力法典型方程 由上式求解 拱圈内力计算 2020 3 27 12 拱圈任意截面的内力表达式 拱顶截面的多余未知力求出后 按静力平衡条件计算出拱圈任意截面的内力 2020 3 27 13 半衬砌结构内力计算实例 拱圈由三段圆弧组成 厚度ha 0 5m 作用在拱圈上的全部垂直均布荷载q 90kN m2 围岩弹性抗力系数K 2 105kN m3 拱圈采用C25的混凝土 材料的弹性模量E 2 8 1010N m2 求结构内力 计算简图 2020 3 27 14 解 取半衬砌结构左半边为计算对象 力法典型方程 2020 3 27 15 设 为AB段任意截面与铅垂线的夹角 为BC段任意截面与铅垂线的夹角 在X1 1 X2 1 外荷载分别单独作用下 AB段任意截面的弯矩为 BC段 2020 3 27 16 力法典型方程各系数的求解 则 2020 3 27 17 其中 解得 将各系数代入力法典型方程得 2020 3 27 18 任意截面的内力 代入 得到 将 2020 3 27 19 截面内力示意图 2020 3 27 20 7 3曲墙拱结构 曲墙拱结构包括拱圈与边墙 铁路隧道曲墙拱衬砌结构标准构造 问题图 1 曲墙拱结构的构造 铁路隧道衬砌断面 2020 3 27 21 坦三心圆断面 单心圆断面 换图 公路隧道衬砌断面 1 曲墙拱结构的构造 目前公路隧道大多采用单心圆或三心圆的拱形断面 其中以单心圆 坦三心圆两种断面应用最为普遍 2020 3 27 22 2 主要截面厚度的选定和几何尺寸的计算 根据工程拟建场地的工程地质与水文地质条件 使用要求 施工条件和材料供应等因素选择结构方案 选定结构尺寸 绘制内轮廓线 按照工程类比法 确定主要截面厚度 计算并绘制结构外轮廓线 进行结构内力计算和强度校核 验证结构几何尺寸是否满足要求 并做必要调整 2020 3 27 23 3 曲墙拱结构的内力计算 主动荷载由土层压力计算方法确定 荷载 主动荷载 弹性抗力 弹性抗力按朱 布法确定 内力计算方法 力法 2020 3 27 24 弹性抗力分布经验公式 朱 布法 2020 3 27 25 荷载分布图 弹性抗力区的上零点a 在拱顶两侧45 下零点b 在墙脚 最大抗力发生在h点 a h的垂直距离为a b 垂直距离的1 3 段弹性抗力表达式 段弹性抗力表达式 所求抗力截面与最大抗力截面的垂直距离 墙底外边缘a至最大抗力截面的垂直距离 所求抗力截面与竖直面的夹角 h i 2020 3 27 26 计算简图 墙脚与围岩的连接 沿水平方向为连杆支座 垂直方向为定向弹簧支座 无水平位移 有竖向位移和转动 曲墙结构为对称结构 承受正对称力的作用 曲墙结构从中部切开 并简化为定向支座 2020 3 27 27 计算方法 结构内力 主动荷载作用下内力 弹性抗力作用下内力 选取从拱顶切开的悬臂曲梁作为基本结构 切开处有多余未知力x1和x2作用 另有附加的未知数 附加方程式 2020 3 27 28 内力计算过程 1 主动荷载作用下多余约束反力计算 力法典型方程 拱顶B点的转角位移为零 拱顶B点的水平位移为零 单独作用下B点的转角 水平 位移 荷载单独作用下B点的转角 水平 位移 支座位移单独作用下B点的转角 水平 位移 2020 3 27 29 计算 利用单位载荷法分别求 2020 3 27 30 计算基本结构在多余约束反力及主动荷载作用下的墙脚弯矩 荷载单独作用下引起的墙脚弯矩 顺时针为正 2020 3 27 31 计算 先求单位弯矩作用在A点时 墙脚的转角 围岩弹性抗力系数 2020 3 27 32 计算力法方程中其他系数 单位载荷法 2020 3 27 33 代入力法典型方程 计算多余约束反力 由上式求解 2020 3 27 34 2 主动荷载作用下最大抗力点处水平位移计算 单位载荷法 2020 3 27 35 3 单位弹性抗力作用下h点位移计算 利用单位载荷法求出h点处的位移 H点力的大小计算 2020 3 27 36 4 弹性抗力作用下结构内力计算 得到弹性抗力大小与分布后采用力法进行内力计算 求弹性抗力作用下多余约束反力 利用截面法求内力M Q N 2020 3 27 37 5 结构内力图 2020 3 27 38 曲墙拱衬砌结构内力计算实例 1 工程概况该隧道为四车道单幅分离式短隧道 全长223m 隧道最大埋深45米 所处围岩级别有III IV V级 综合考虑本隧道地质情况 所有围岩段均采用整体式衬砌 断面形式为曲墙拱形断面 并设仰拱 仰拱与边墙采用小半径曲线连接 仰拱厚度与拱圈厚度相同 衬砌厚度选为600mm 混凝土强度等级选为C25 2020 3 27 39 2 基本参数 埋深 选取V级围岩埋深最大截面为典型截面进行设计计算 围岩容重 计算摩擦角 弹性压缩系数 2020 3 27 40 3 荷载计算 拟合高度 分界高度 该隧道属于浅埋隧道 判断隧道类型 岩层隧道 最大开挖跨度 取 宽度影响系数 2020 3 27 41 根据浅埋隧道荷载的计算方法 取 垂直均布压力 水平侧压力 2020 3 27 42 4 内力计算 1 主动荷载作用下的多余约束反力计算 2020 3 27 43 力法典型方程各系数的求解 2020 3 27 44 将所求各系数代入典型方程得 其中 2020 3 27 45 2 主动荷载作用下最大抗力点处位移计算 按叠加原理求得弯矩表达式为 虚设力状态 2020 3 27 46 3 单位弹性抗力作用下h点位移计算 2020 3 27 47 力法典型方程各系数的求解 2020 3 27 48 将所求各系数代入典型方程得 其中 2020 3 27 49 按叠加原理求得弯矩表达式为 虚设力状态 2020 3 27 50 根据 代入 方向指向圆心 最大弹性抗力 2020 3 27 51 4 弹性抗力作用下结构多余约束力的计算 2020 3 27 52 力法典型方程各系数的求解 2020 3 27 53 将所求各系数代入典型方程得 其中 2020 3 27 54 5 截面内力计算 用截面法求主动荷载和弹性抗力分别作用的内力 2020 3 27 55 2020 3 27 56 2020 3 27 57 结构内力示意图 2020 3 27 58 7 4直墙拱衬砌结构 直墙拱衬砌由上部拱圈 两侧竖直边墙和下部铺底三部分组合而成 适用地质条件 比较好的 级围岩 2020 3 27 59 直墙拱结构的构造 1 拱圈可采用割圆拱 三心尖圆拱和抛物线拱等 常用的矢跨比1 3 1 5 2020 3 27 60 直墙拱结构的构造 2 衬砌厚度 衬砌最小厚度 cm 注 对于无经验可参考的现浇整体式混凝土直墙拱衬砌 可参照以下经验公式选取厚度 2020 3 27 61 直墙拱结构的构造 2020 3 27 62 直墙拱结构的构造 3 墙基埋深 一般应使墙底位于垫层底部0 50厘米 地层较软时 边墙埋置深度应加大 在粘土地层中 靠近出口部分的墙底应设置在冰冻线以下 4 拱圈截面变化规律 一般用变截面拱圈 以适应拱内应力状态 但在拱跨较小 内力不大时一般采用等截面拱 2020 3 27 63 直墙拱结构的内力计算 1 计算简图 1 直墙拱结构的纵向长度远大于其跨度 可按平面应变问题处理 3 边墙视为弹性地基梁 弹性抗力按局部变形理论确定 基本假定 4 边墙可视为绝对刚性的地基梁 2 拱圈与边墙整体连接地层压力 结构自重等以梯形分布 2020 3 27 64 直墙拱结构的内力计算 2 拱圈力法典型方程 0在对称问题中仅使拱圈产生刚体下沉 对内力并无影响 计算时只需考虑 0 0 式 1 1 2020 3 27 65 直墙拱结构的内力计算 求 由于拱脚的转角与水平位移等于墙顶的角变和水平位移 因此拱脚转角和水平位移可以表示如下 为略去直接作用于墙顶的垂直压力q时 墙顶中心处的作用力 2020 3 27 66 直墙拱结构的内力计算 拱脚处或者拱脚传递给墙顶连接处的弯矩 水平力 竖向力 左半拱上荷载引起的拱脚弯矩 水平力 竖向力 2020 3 27 67 直墙拱结构的内力计算 将式子 1 3 等号右边的式子代入 1 2 中得到式 1 4 如下 2020 3 27 68 直墙拱结构的内力计算 将 1 4 式代入 1 1 中整理式子 即可得二元一次方程组 上式中 2020 3 27 69 直墙拱结构的内力计算 可以通过弹性地基梁方程与边界条件求得 上式中 弹性地基梁在各种荷载下挠曲 转角 弯矩 剪力的通式如下 注意符号的正负 式 1 5 为单位变位 求单位变位 2020 3 27 70 直墙拱结构的内力计算 边界条件 墙底水平位移为0 墙底部的转角 此为墙脚扩基时的表达式 无扩基时没有后面一项 式中 墙底基岩受单位力偶作用时的角变位 按公式 1 5 取时的墙底弯矩值 k 墙底基岩的弹性抗力系数 墙底截面的惯性矩 边墙轴线与扩基中心间的偏心距 2020 3 27 71 直墙拱结构的内力计算 将 1 5 式代入边界条件中 就得到的方程组 就分别代表 分别使 等于1 其余都等于0 就可以求出 式 1 6 2020 3 27 72 直墙拱结构的内力计算 例如求解 令 其余均为零 则 1 6 式化简为 联立求得 式中 2020 3 27 73 直墙拱结构的内力计算 最终所得到的 如下 2020 3 27 74 直墙拱结构的内力计算 上述求得的单位变位都是在短梁的情况下求得的 刚性梁和长梁的计算 可将上述单位变位中的 趋于零或趋于无穷 然后作极限运算 泰勒级数展开式 2020 3 27 75 直墙拱结构的内力计算 2020 3 27 76 直墙拱结构的内力计算 刚性梁的单位变位 2020 3 27 77 直墙拱结构的内力计算 长梁的单位变位 2020 3 27 78 直墙拱结构的内力计算 求完了单位变位 就开始对拱部荷载进行受力分析 写出力学表达式 竖向梯形荷载下拱脚处表达式 拱脚受力表达式 2020 3 27 79 直墙拱结构的内力计算 水平梯形荷载下拱脚处内力表达式 2020 3 27 80 直墙拱结构的内力计算 弹性抗力表达式 2020 3 27 81 直墙拱结构的内力计算 综合上述分析 因此拱脚处的力学表达式 2020 3 27 82 直墙拱结构的内力计算 载变位的计算 载变位的计算采用积分法 计算必须将拱轴线 截面及荷载变化规律 用数学形式表达出来 对于那些难以表达 或表达十分复杂的 宜采用分段求和的近似积分法 岩石地下建筑中 一般采用变截面割圆拱 拱的截面积和惯性矩 可近似的按下式计算 拱顶及拱脚截面积 拱顶及拱脚惯性矩 2020 3 27 83 直墙拱结构的内力计算 单位载变位 2020 3 27 84 直墙拱结构的内力计算 荷载下的载变位 竖向均匀分布荷载q作用下 2020 3 27 85 直墙拱结构的内力计算 同理 可对各种形式下的荷载进行载变位进行计算 至此 已经求出关于 的二元一次方程组中所有的系数 的结果是包含 的表达式 将 代入下式 将 代入下式 得到关于 的等式 即可求出 然后再反求出 求出未知数后 就能够求出拱截面和墙体的弯矩和轴力 由于直墙拱结构截面一般较粗 剪力很容易满足 因此不必求出剪力值 2020 3 27 86 直墙拱结构的内力计算 拱各截面的内力表达式 拱圈和墙体内力计算方法 2020 3 27 87 直墙拱结构的内力计算 墙体的内力计算 当边墙为弹性地基短梁时 通过 1 5 式可以求得 当边墙为弹性地基刚性梁时 弹性地基梁公式如下 2020 3 27 88 直墙拱结构的内力计算 边墙为长梁时 根据边界条件 和正方向规定 可列出如下式子 分别为墙底的弯矩和剪力 分别为受梯形水平荷载引起的水平位移和转角位移 表示墙底受单位弯矩引起的角位移 通过半无限长梁的弹性地基梁公式求得 2020 3 27 89 直墙拱结构的内力计算 边墙为长梁时 半无限长梁梯形荷载公式 当 只作用有梯形荷载时 由半无限长梁公式 1 23 可知梁底端的变位是 2020 3 27 90 直墙拱结构的内力计算 将所有未知量代入边界条件方程 即得 求得 后 边墙各截面的最终变位及内力 由墙顶 及墙底 两组力分别求得的值叠加构成 各组力产生的变位及内 力均按半无限长梁公式求得 叠加时注意符号的统一 当墙底无扩基时 计算公式与上相同 但这时可忽略的影响 2020 3 27 91 直墙拱结构的内力计算 因此任一截面的最终变位公式和内力公式为 当墙底无扩基时 计算公式与上相同 但这时可忽略的影响 2020 3 27 92 直墙拱结构的内力计算 综上所述 用力法计算直墙拱结构内力的步骤如下 拱顶的计算 使用力法典型方程求解多余力X1和X2 式中的可以参考半衬砌的公式通过积分计算 解出的X1和X2均含有弹性抗力 将X1和X2带入到中求出 将带入到温克尔假定中就可以求出的值 求出X1和X2的数值后 利用静力平衡 计算拱顶的各截面的内力 2020 3 27 93 直墙拱结构的内力计算 边墙的计算 确定完初参数后 即用 当四个参数都确定好以后 然后按照短梁 长梁或者刚性梁相对应的公式进行计算 求边墙的角位移 位移 内力 初参数 可以由下式确定 2020 3 27 94 直墙拱结构内力计算实例 1 工程概况 如图 某直墙拱的拱顶为等厚单心圆拱 拱顶和边墙的厚度均为0 5m 宽度为1 0m 跨度为6 3m 拱的矢高为f 2 1m 竖向均布荷载 包括底层压力和自重 q0 55kN m2 材料的弹性模量E 1 4 107kN m2围岩的弹性压缩系数为K 4 105kN m3 直墙拱断面 2020 3 27 95 直墙拱结构的内力计算 直墙拱计算简图 2 内力计算 边墙视为弹性地基梁 拱圈的弹性抗力 按二次抛物线规律分布 2020 3 27 96 直墙拱结构的内力计算 1 拱顶的计算 1 几何尺寸 边墙的弹性标准值 故边墙按照长梁来计算 2020 3 27 97 直墙拱结构的内力计算 2 拱圈的力法方程中的参数 拱顶结构计算简图 a 拱的单位变位 2020 3 27 98 直墙拱结构的内力计算 其中 2020 3 27 99 直墙拱结构的内力计算 b 拱的载变位 在竖向均布荷载的作用下产生的载变位 在水平均布荷载的作用下产生的载变位 2020 3 27 100 直墙拱结构的内力计算 在水平三角形分布的作用下产生的载变位 2020 3 27 101 直墙拱结构的内力计算 2020 3 27 102 直墙拱结构的内力计算 将以上三种荷载引起的位移相叠加得到 2020 3 27 103 直墙拱结构的内力计算 c 拱的弹性抗力位移 2020 3 27 104 直墙拱结构的内力计算 d 墙顶的单位位移与荷载引起的位移 由于对称关系 只计算左边墙 由前面计算可以得知边墙属于长梁 2020 3 27 105 直墙拱结构的内力计算 e 左半拱荷载引起墙顶处的竖向力 水平力 力矩 竖向荷载和水平荷载引起的内力 弹性抗力所引起的内力 2020 3 27 106 直墙拱结构的内力计算 f 边墙自重 将参数带入方程中可以得到 按照长梁计算时不引起墙下端位移和内力 的影响也很小 可以忽略不计 则 2020 3 27 107 直墙拱结构的内力计算 所以 2020 3 27 108 直墙拱结构的内力计算 3 解多余未知力 将以上所求得的a值带入方程中可得 下面求弹性抗力 2020 3 27 109 直墙拱结构的内力计算 则 故可以求得 2020 3 27 110 直墙拱结构的内力计算 4 拱顶的内力 将左半拱分为六等段 计算0 6各截面的弯矩和轴力则可知 2020 3 27 111 直墙拱结构的内力计算 2 边墙的计算 因为结构对称 取左边墙为研究对象 边墙属于长梁 按照长梁的相应公式计算 墙顶的力矩及水平力 则计算得 墙顶的角度 2020 3 27 112 直墙拱结构的内力计算 将边墙分为五等分 每段的自重为 将坐标原点取在墙顶 求各截面的弯矩 轴力弹性抗力 其中 2020 3 27 113 直墙拱结构的内力计算 a 弹性抗力分布图 b 弯矩和轴力图 2020 3 27 114 直墙拱结构的内力计算 计算结果表明 将边墙视为弹性地基梁上的半无限长梁或者柔性梁 边墙的下部分弯矩跟轴力以及弹性抗力很小 考虑到计算误差 结果基本为零 也就是说墙顶的受力和变形对墙底没有影响 这种衬砌适用于比较好的围岩中 基本不用考虑围岩的压力 满足前面的假设 2020 3 27 115 7 5连拱结构 连拱隧道是洞体衬砌结构相连的一种特殊双洞结构形式 即连拱隧道的侧墙相连 该隧道形式主要用在山区地形较为狭窄 或桥隧相连地段 最大优点是双洞轴线间距可以很小 减小占地 便于洞外接线 同时 施工更复杂 工程造价更高 工期更长 总体看用于短隧道较为适宜 概述 2020 3 27 116 2020 3 27 117 7 6拱形隧道衬砌设计一般技术要求 衬砌截面类型和几何尺寸的确定 隧道衬砌结构类型应根据隧道围岩地质条件 施工条件和使用要求确定 确定衬砌方案时 类型要尽量少 且同一跨度的拱圈内轮廓应相同 一般采取调整厚度和局部加筋等措施来适应不同的地质条件 2020 3 27 118 界面最小厚度 cm 衬砌截面类型和几何尺寸的确定 2020 3 27 119 衬砌材料的选择 应具有足够的强度 耐久性和防水性 在特殊条件下还要求具有抗侵蚀性和抗冻性等 从经济角度考虑 还要满足成本低 易于机械化施工等条件 常用的衬砌材料主要包括 混凝土 喷射混凝土 钢筋混凝土及石材等 2020 3 27 120 衬砌结构的一般构造要求 混凝土保护层 保护层最小厚度 装配式衬砌为20mm 现浇衬砌内层为25mm 外层为30mm 若有侵蚀性介质作用时可增大到50mm 钢筋网喷混凝土一般为20mm 随截面厚度增加 保护层厚度也应适当增加 2020 3 27 121 衬砌结构的一般构造要求 衬砌的超挖或欠挖 洞室开挖尺寸不可能与衬砌所设计的毛洞尺寸完全符合 超挖通常会增加回填的工作量 欠挖则不能保证衬砌截面尺寸 现浇混凝土衬砌一般不允许欠挖 通常隧道衬砌结构 平均超挖允许值不得超过10 15cm 2020 3 2