隧道衬砌上的荷载类型及其组合结构计算

隧道衬砌上的荷载类型及其组合结构计算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直墙式衬砌计算6.6衬砌截面强度验算6.7单元刚度矩阵6.8结构刚度方程6.1概述1、引言⑴隧道结构与地面结构的区别隧道结构工程特性、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；；●周边围岩在很大程度上是隧道结构承载的主体；

●隧道衬砌的设计计算必须结合围岩自承能力进行；●对不同型式衬砌结构物应该用不同方法进行强度计算。

⑵隧道结构计算的简化问题●

在十九世纪末，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，忽视了围岩对衬砌的约束作用●

弹性抗力：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”的趋势，另一部分压紧围岩形成所谓“抗力区”，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●进入本世纪后，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。⑶局部变形理论和共同变形理论●局部变形理论：是以温克尔(E.Winkler)假定为基础的。它认为应力和变形之间呈直线关系，即围岩弹性抗力系数●共同变形理论把围岩视为弹性半无限体，考虑相邻质点之间变形的相互影响。它用纵向变形系数E和横向变形系数表示地层特征，并考虑粘结力C和内摩擦角的影响。

2、隧道结构体系的计算模型经过总结，国际隧道协会(ITA)认为，目前采用的地下结构设计方法可以归纳为以下4种设计模型：●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；●以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法

●作用与反作用模型，即荷载—结构模型●连续介质模型，包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法。

从各健国的善地下涉结构贸设计居实践慢看，慌目前叶，在露设计闸隧道锤的结窃构体抓系时猎，主到要采宅用两腾类计昨算模素型●一类御是以踏支护现结构绘作为矮承载灰主体抬，围牵岩作芳为荷杠载同脚时考扭虑其熟对支仅护结案构的扩变形棍约束锡作用括的模范型，抄即结朝构力清学模辟型，翠又称融为荷讽载一渴结构材模型脊；●另一姑类则勿相反摩，视嫁围岩岂为承爱载主垄体，吐支护榜结构爽则为眼约束雕围岩啄变形使的模超型剥，即课岩体粗力学绝模型毅或称朴为围被岩—结构营模型婚或复阿合整牵体模烘型。6.暴2得隧道趴衬砌插上的识荷载堂类型攻及其缠组合1、太基本绍荷载围岩申压力访与结厦构自惕重力食是隧锡道结晌构计秧算的爷基本端荷载2、杨隧道估结构敏上的醉荷载割及其任类型作用辛在衬诱砌上灵的荷损载，在按其竭性质继也可炸以区灾分为录主动怠荷载茎与被彻动荷辰载。●主动蹦荷载状是主拿动作肠用于衡结构耳、并糠引起裁结构六变形太的荷号载；●被动炸荷载荣是因遗结构晚变形睁压缩找围岩鹊而引刃起的掘围岩昌被动骄抵抗另力，学即弹流性抗腔力，险它对配结构摆变形争起限犯制作干用。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的冲击力和土压力8其它可变荷载立交渡槽流水压力9温度变化的影响力10冻胀力11偶然荷载落石冲击力12地震力13施工荷载表歌作用糕在隧行道结婆构上青的荷团载6.厨3宏半衬轧砌的酱计算拱圈翁直接冰支承丸在坑繁道围戚岩侧跟壁上抄时，班称为忌半衬遍砌●适合伤于坚对硬和末较完谨整的始围岩拖(Ⅱ符、Ⅲ枪级)耕中●用先秆拱后侨墙法劈燕施工换时，尤在拱撞圈已隐作好爱，但挡马口诵尚未夕开挖冻前，腿拱圈苗也处供于半橡衬砌求工作借状态1、煌计算限图式蝴、基槽本结耕构及用正则卷方程⑴已在垂事直荷刊载作妄用下箱拱圈磨向坑例道内载变形狼，为喉自由富变形令，不届产生隐弹性览抗力来；⑵辱拱脚惨产生避角位迫移和迷线位暴移，波并使仰拱圈造内力劲发生简改变柿，计迫算中波除按挪固端凯无铰励拱考劈燕虑外医，还虎必须任考虑疫拱脚萍位移台的影察响⑶辉假定足拱脚毛没有息径向冲位移狡，只侵有切尺向位得移；⑷倦对称绘的垂离直分纸位移屠对拱芒圈内已力不愈产生送影响决；⑸渡拱脚哭的转海角劲和切再向位置移的贷水平只分位悠移愚是必围须考搜虑的正则属方程基式式中猪：鸣是单窑位变声位，冲即在孔基本恨结构筑上，勇因票作趴用时锤，在扮方向盟上所柔产生部的变转位；育为荷孕载变弱位，职即基孩本结吧构因迫外荷障载作摊用，播在毙方向杠的变纲位；格f为菠拱圈傅的矢央高；姜为拱篇脚截饥面的怨最终虫转角辆和水止平位肝移。2、馋单位破变位代及荷掏载变化位的跳计算由结插构力捷学求泡变位炮的方秆法（与轴向粗力与艇剪力症影响始忽略御不计孩）知痕道：在很绳多情首况下遣，拱鸣圈可盼用抛叨物线们近似向积分械法代战替3、肚拱脚张位移漂计算⑴夸单位搁力矩雕作用凶时⑵训单位折水平屈力作聚用时单位厉水平杆力可测以分边解为岂轴向猛分力皇和切狗向分销力昏，计江算时警只需秃考虑岭轴向捐分力狡的影闭响，苦作用碍在围锄岩表踢面的怖均布温应力旗和拱非脚产哥生的慢均匀冤沉陷喂为：的水所平投陵影即萌为点成a的伯水平家位移府，抵均匀律沉陷唐时拱载脚截究面不挤发生管转动谁，则席有：(4迎)低拱脚需位移拱脚姨的最鸦终转吼角锯和智水平叛位移泉可分略别考轧虑有和拍外荷捆载的匹影响彼，按破叠加开原理期求得旨，可后表示尿为：(3妨)顽外荷泊载作贞用时在外躁荷载育作用劝下，览基本伶结构洁中拱混脚点迫处产挨生弯撒矩济和轴差向力狐，讨如图熊所示屋，拱输脚截痒面的速转角这和水舌平位熔移怎为：令则任章意截浸面处签的内介力为4嫩拱圈歪截面碧内力将以伪上两运组方约程代聪入正夫则方删程可剂得：6.饿4挣曲墙滩式衬唤砌计诵算●常用射于Ⅳ溪～Ⅵ剩级围屋岩●拱圈行和曲粱边墙核作为拴一个蒜整体凉按无糊铰拱符计算●施工盗时仰嫌拱是僵在无确铰拱腰业已鼻受力浓之后郑修建惊的，磁不考虚虑仰予拱对闸衬砌阅内力弄的影而响1储计算拦图式⑴固在主芝动荷尚载作燃用不妄，顶惨部衬形砌向熟隧道想内变泄形而务形成利脱离宣区，乏两侧旺衬砌狗向围友岩方览向变斑形，姐引起检围岩骂对衬左砌的伟被动非弹性摆抗力⑵妈上零巾点b倦（即项脱离慈区与数抗力准区的羡分界访点）摆与衬古砌垂饱直对棋称中焰线的郊夹角比假定两为⑶低下零介点a触在墙降脚⑷唯最大茶抗力就点h筑假定咬发生畏在最封大跨沙度处拨附近孩，计互算时吨一般芝取馒为差简化习计算适可假觉定在野分段崖的接拿缝上漆。⑸帅抗力宁图形煮的分恨布假忍定为立二次醋抛物符线bh弊段：ha君段：⑹喇忽略拿衬砌盯与围斑岩之宋间的林摩擦厘力⑺忍墙脚耗支承售在弹鸟性岩待体上践，可御发生论转动列和垂脖直位悔移(尤无水花平位斗移)2丽、主嘱动荷臣载作拉用下巡寿的力易法方朗程和犁衬砌嫌内力式中蝴为团墙底党位移层。分吉别计煤算史和外象荷载厨的影蒜响，拖然后硬按照搭叠加腥原理答相加缝得到压：由于母墙底侨无水版平位并移，瞧故式中晓：委是血基本隔结构浸的单版位位您移和陵主动张荷载妙位移板；业是上墙底框单位砌转角级；吐为基螺本结搏构墙监底的逗荷载衬转角推；f录为衬歌砌的常矢高朗。求得袋后，乘在主钞动荷同载作跪用下短，衬烟砌内金力即座可计功算：在具壶体进糊行计余算时浴，还柿需进睬一步仿确定祝被动峡抗力街的贪大小车，这叼需要仍利用创最大焰抗力爬点h征处的典变形斯协调国条件资。3、虏最大悉抗力旗值的开计算●先求饶出湾和●变位鼓由两腿部分粗组成拳，即耳结构搜在荷赚载作搁用下适的变置位和抓因墙另底变尘位（浓转角馋）而拌产生批的变市位之但和●h点棉所对晓应的顺，则沃该点陵的径渗向位垮移约判等于夫水平扭位移●拱顶乌截面驾的垂狡直位心移对寨h点谣径向锅位移叉的影恋响可孩以忽斤略不施计按照核结构霜力学示方法能，在史h点径加一旨单位捧力馋，买可以躬求得鼠和4、狂在单牺位抗懒力作降用下皱的内烤力将抗瓦力图干视巨为外贡荷载浇单独妹作用扯时，臂未知关力患及京可锦以参霉照易及扎的求澡法得烦出解出茂及肥后梅，即希可求客出衬涝砌在祝单位注抗力候图为去荷载老单独捏作用企下任虾一截垒面内梦力：5、攀衬砌燃最终获内力振计算番及校卡核计凡算结聚果的改正确衔性衬砌得任一驶截面凯最终饿内力监值可担利用始叠加泳原理句求得晃：校核抓计算描结果晋正确剪性时佩，可玻以利哑用拱币顶截集面转劲角和班水平东位移筛为零水条件塑和最悲大抗骑力点护a的流位移果条件位：式中之：息是余墙底恢截面搁最终芒转角销，。6.乎5直狼墙式疏衬砌票计算1、替计算炒原理⑴叨拱圈公按弹紧性无袄铰供宾计算槐，边猎墙按鞭弹性太地基侍上的送直梁男计算秀，并促考虑为边墙这与拱湿圈之巩间的斧相互暂影响暖；⑵拼变墙败支承沈拱圈接并承随受围筝岩压杰力；⑶僚拱脚漆区段逗的弹如性抗她力假轨定为袄二次崭抛物翅线分锋布位于矮45o～5骂5o之间⑷弃Wi侨nk奔le滴r假流定成链立，敞即⑸脏拱脚落位移恭考虑垮变墙敏顶变汇位的遇影响2、爆边墙恋的计距算——弹性绞地基流上的绘直梁⑴黑直边久墙计基算分肚类：●刚性欺边墙●短边存墙●长边咱墙⑵栏边墙筹为短嚼梁的疾计算站：短梁别的一粪端受取力及祝变形学对另收一端缠有影忆响，帖计算淹墙顶羡变位接时，狼要考宵虑到绣墙脚彼的受戚力和观变形伴的影扇响。●墙顶学在单臂位弯仆矩交单独油作用呢下，占墙顶罪的转窜角申和水阵平位蹄移夜为●墙顶弟在单墙位水枯平力烫=夫1单摔独作泰用下灿，墙虏顶位挖移为棚和棍为●在主酱动侧姐压力会（梯吗形荷托载）虚作用拉下，百墙顶彩位移甜为：其中边，沃为基残底弹协性抗应力系饭数；k是侧站向弹哲性抗燥力系献数；医是基舟底作连用有摄单位姿力矩规时所弃产生朱的转衰角；h为边毕墙的房诚侧面长高度索；最后元结果映为：⑶微长边洋墙计武算——弹性槐地基晌上的申半无锡限长完梁，阅墙顶楚受力坟与墙腐底无谱关，找上述仰公式肿可得天到一识定的惕简化屯。墙项皂单位导位移楼可以云简化轧为：⑷睬边墙驼为刚胜性梁●近似沾作为斯弹性拦地基捕上的吓绝对燥刚性因梁，言近似亏认为蜂（即）●边墙隆本身础不产柔生弹够性变或形，变在外夹力作茶用下寨只产嗓生刚恭体位随移，办即只拍产生送整体城下沉套和转哗动墙底伙处为填零，你墙顶露处为逆最大近值为借：称为姜刚鸦性墙疗的综百合转浮动惯界量，魔因而榜墙侧边面的肝转角可为：6.括6努衬衣砌截帐面强县度验找算1、虑在算岔出结祥构内抱力之甘后进渐行强辞度检您算目前袭我国猛公路撑隧道坊设计掘规范帅规定友，隧授道衬年砌和谣明洞手按破狠坏阶鼻段检壮算构鸦件截强面强恰度。2、根据纳混凝搞土和逼石砌掉材料容的极版限强序度，冰计算枣出偏晕心受乒压构况件的做极限诱承载拢能力津，与闻构件辜实际晃内力键相比锄较，荣计算缠截面升的抗况压（落或抗代拉）颂强度秒安全汉系数阅K。检查危是否佩满足黑规范患所要锣求的守数值幻玉，即动：式中胞：毒是彼截面润的极腐限承捧载能凭力；呜为棉截面锣的实凑际内辣力(医轴向兔力)旧;侧是规认范所全规定飘的强谱度安叶全系据数，塑见表杨1和投2混凝丢土和更砌体秀结构过的强材度安闲全系麻数圬工种类混凝土砌体荷载组合永久荷载+基本可变荷载永久荷载+基本可变荷载+其它可变荷载永久荷载+基本可变荷载永久荷载+基本可变荷载+其它可变荷载混凝土或砌体达到抗压极限强度2.42.02.72.3混凝土达到抗拉极限强度3.63.0钢筋赔混凝风土结蚊构的浩强度妇安全涛系数荷载组合

永久荷载+基本可变荷载

永久荷载+基本可变荷载+其它可变荷载钢筋达到设计强度或混凝土达到抗压或抗剪极限强度

2.01.7混凝土达到抗拉极限强度

2.42.03、埋抗裂俭要求踪蝶：⑴赴当详时抛，按剑抗拉况强度奋控制缺承载纹能力升，并贿用下侧式计案算：⑵育对隧胃道衬牺砌和箭明洞宇的混酸凝土旗偏心序受压睬构件趴的轴栽向力风偏心志距限缴制为匪：不狭宜大跳于0多.4叼5倍慎截面烦厚度努；⑶马石料材砌体令偏心薯受压鸣构件克不宜药