山岭隧道-支护结构设计（精品）

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1、southwestjIaotongunIversIty西南交通大学SouthwestJiaotongUniversity《山岭隧道》课程第五章支护结构设计郑余朝制作龚伦讲师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第一节荷载结构模式计算方法——数值方法地下结构——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

2、模型，假定弹性反力模型，计算弹性反力模型。地下结构杆系结构有限元基本原理为：将结构与围岩共同组成的结构体系-离散-节点和单元（梁单元、杆单元和弹性支承单元等）；以每一个节点的（分别为x方向、y方向的位移及xOy平面内的转角）3个位移为未知数；2个连续条件：连接在同一节点的各单元的节点位移应该相等——变形协调条件；节点上作用的各单元的节点力相平衡——静力平衡条件。有限元分析过程如下：初期支护单元模型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

3、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。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一、结构力学计算模型建立结构体系的理想化外荷载理想化边界条件主要内容地下结构—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

4、的理想化杆系结构常常可离散成杆、梁、柱等单元1）支护结构理想化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，符合虎克定律。杆系结构常常可离散成杆、梁、柱等单元1）支护结构理想化拱、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）支护结构理想化整体式隧道衬砌结构本身的理想化模型见下图。拱形结构—边

5、墙底端是弹性固定的，能产生转动和垂直下沉。整体式拱形结构的理想化1）支护结构理想化复合式隧道衬砌结构复合式隧道衬砌，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：2）围岩的理想化K—围岩的弹性抗力系数，《隧规》2）围岩

6、的理想化拱形结构围岩的理想化围岩-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+cτ、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。2）围岩的理想化复合式衬砌，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。隧道结构的外荷载，除了自重外，主要是围岩的压力。外荷载和内力都通过节点进行传递。

7、隧道结构理想化：将作用在单元中间的荷载，置换成作用在单元节点上的荷载，称为节点荷载。2、外荷载理想化应按静力等效原则进行置换，即虚功原理。实际——常按简支分配的原则进行置换2、外荷载理想化外荷载理想化例如：第1节点的节点荷载P1为:第2节点的节点荷载P2为：2、外荷载理想化边界条件就是通常所说的结构支承方式。拱形支护结构：无仰供—墙脚水平刚性约束，竖向和转动弹性约束；有仰供—基底较硬时可以法向采用刚性约束，较软时，竖向和切向弹性约束；统一解决方案：封闭结构采用全周的弹性约束（法向或切向），不封闭结构还需考虑脚趾处的弹性转动约束。3、边

8、界条件二、单元刚度矩阵分析梁单元刚度矩阵（重点）杆单元刚度矩阵弹簧支承单元的刚度矩阵基底弹性支承单元的刚度主要内容用杆系结构有限元分析地下结构时:梁单元之间用节点连接地下结构与围岩的作用弹簧单元表示:单元定义ijk1）局