中南大学隧道工程第5章 隧道支护结构的计算.ppt

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1、5.4隧道洞门计算第5章隧道支护结构的计算5.3岩体力学方法5.1隧道结构体系的计算模型5.2结构力学方法5.5隧道抗震计算5.1.1隧道工程的受力特点5.1隧道结构体系的计算模型1.荷载的模糊性2.围岩物理力学参数难以准确获得3.围岩压力承载体系◆围岩不仅是荷载，同时又是承载体；◆地层压力由围岩和支护结构共同承受；◆充分发挥围岩自身承载力的重要性。第5章隧道支护结构的计算5.1.1隧道工程的受力特点5.1隧道结构体系的计算模型4.设计参数受施工方法和施作时机的影响很大5.隧道与地面结构受力的不同点—围岩抗力的存在第5章隧道支护结构的计算5.1.

2、2隧道结构体系的计算模型1.结构力学模型特点：◆以支护结构作为承载主体；◆围岩对支护结构的作用间接地体现为两点：①围岩压力；②围岩弹性抗力。◆采用结构力学方法计算。适用于：模筑砼衬砌第5章隧道支护结构的计算2.岩体力学模型特点：◆支护结构与围岩视为一体，共同承受荷载，且以围岩作为承载主体；◆支护结构约束围岩的变形；◆采用岩体力学方法计算；◆围岩体现为形变压力。适用于：锚喷支护第5章隧道支护结构的计算5.2.1概述5.2结构力学方法1.基本原理◆将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载的主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承，与其对应的计算模型称

3、为荷载—结构模型。第5章隧道支护结构的计算根据对荷载的处理不同，它大致有如下三种模式：◆主动荷载模式（图5－1（a））◆主动荷载加被动荷载模式（图5－1（b）)◆实际荷载模式（图5－1（c）)。第5章隧道支护结构的计算图5—1荷载—结构模式第5章隧道支护结构的计算2.隧道衬砌受力变形的特点第5章隧道支护结构的计算3.隧道衬砌承受的荷载及分类(1)主动荷载◆主要荷载◆附加荷载(2)被动荷载～围岩抗力◆共同变形理论◆局部变形理论图5-3局部变形示意图第5章隧道支护结构的计算5.2.3隧道衬砌结构计算的矩阵位移法1.基本原理矩阵位移法又叫直接刚度法，它

4、是以结构节点位移为基本未知量，联接在同一节点各单元的节点位移应该相等，并等于该点的结构节点位移（变形协调条件）；同时作用于某一结构节点的荷载必须与该节点上作用的各个单元的节点力相平衡（静力平衡条件）。第5章隧道支护结构的计算计算特点:①三种单刚◆衬砌单刚：梁单元◆抗力单刚：二力杆单元◆基础单刚：支座单元②拼总刚(结构刚度矩阵)③边界条件～墙基础水平位移为0④求解以节点位移为未知量的方程组～高斯消去法等⑤由节点位移求出单元节点力～内力第5章隧道支护结构的计算2.计算图式衬砌结构的处理◆衬砌的处理：将衬砌沿其轴线离散化为直杆单元（梁单元），并将

5、单元的联接点称为节点。◆墙基础的处理：假设边墙底端是弹性固定，即能产生转动和垂直下沉，不能产生水平位移。第5章隧道支护结构的计算图5-4直刚法计算图式第5章隧道支护结构的计算(2)等效节点荷载的处理◆按“静力等效”原则进行，即均布荷载所作的虚功应等于节点荷载所作的虚功。2.计算图式第5章隧道支护结构的计算图5-5等效节点荷载计算示意图第5章隧道支护结构的计算垂直均布荷载作用在单元上的等效节点力分量为：第5章隧道支护结构的计算水平均布荷载作用在单元上的等效节点力分量为：第5章隧道支护结构的计算2.计算图式(3)围岩弹性抗力的处理◆以弹簧支承模拟围岩

6、弹性抗力，即在每个节点上设置一根弹簧链杆，弹簧力即为围岩抗力；◆以温氏假定反映抗力与节点位移的关系；◆弹簧支承的方向：应按衬砌与围岩的接触状态而定。第5章隧道支护结构的计算2.计算图式图5-6围岩弹性抗力链秆设置示意图第5章隧道支护结构的计算3.单元刚度矩阵衬砌单元刚度矩阵(衬砌单刚)弹性支承链杆单元刚度矩阵(抗力单刚)要点：◆其局部坐标系与总体坐标系一致；◆由温氏假定求抗力。墙脚弹性支座单元刚度矩阵第5章隧道支护结构的计算3.单元刚度矩阵图5-7弹性链秆单元示意图第5章隧道支护结构的计算3.单元刚度矩阵图5-8墙角弹性支座单元示意图第5章隧道支

7、护结构的计算4.建立结构刚度方程（1）结构刚度方程的形成（2）结构刚度矩阵的特点◆对称矩阵(反力互等定理)；◆稀疏的带状矩阵，非零元素的个数一般只占元素总数的5％左右；◆是非奇异矩阵。因抗力弹簧本身就是对衬砌结构的约束，故衬砌结构不能作刚体移动。第5章隧道支护结构的计算5.未知节点位移的求解和弹性支承的调整（1）边界条件◆围岩抗力弹簧支承就是一种边界约束，已在拼总刚中考虑了；◆基底支座～水平位移为0。（2）方程组求解：高斯消去法；迭代法（3）对围岩抗力弹簧支承的自动调整第5章隧道支护结构的计算6.衬砌内力的计算（1）单元结点位移（2）单元结点力第

8、5章隧道支护结构的计算7.直刚法计算流程图第5章隧道支护结构的计算5.2.4衬砌截面强度检算1.破损阶段法破损阶段法～考虑到结构的塑性阶