中南大学隧道工程隧道支护结构的计算.pptx

会计学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第1页/共51页 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第2页/共51页 5.1.2 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第3页/共51页 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第4页/共51页 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为荷载—结构模型。  第5章 隧道支护结构的计算第5页/共51页 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第6页/共51页 图5—1 荷载—结构模式 第5章 隧道支护结构的计算第7页/共51页 2.隧道衬砌受力变形的特点第5章 隧道支护结构的计算第8页/共51页 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第9页/共51页 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第10页/共51页 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第11页/共51页 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第12页/共51页 图5-4 直刚法计算图式 第5章 隧道支护结构的计算第13页/共51页 (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第14页/共51页 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第15页/共51页 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第16页/共51页 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第17页/共51页 2.计算图式 (3)围岩弹性抗力的处理 ◆ 以弹簧支承模拟围岩弹性抗力，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第18页/共51页 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第19页/共51页 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第20页/共51页 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第21页/共51页 3.单