地铁区间隧道的结构设计演示幻灯片.ppt

地,铁,与,轻,轨,第四章地铁与轻轨交通的结构设计,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,地下铁道结构计算,设计流程,选定设计断面,荷载计算,框架内力计算,结构配筋计算,设计图绘制,绘制指导性施工方法图,用于理论计算的力学模型：,作用与反作用模型：,亦可称为荷载,结构模型。或简称为结构力学方法。如弹性地基框架、全部支承或部分支承弹性地基圆环等。,连续介质模型：,这种类型亦可称为地层与结构模型。或简称为连续介质力学方法。包括解析法和数值法。解析法又可分为封闭解和近似解。数值法以有限元法为主。,用于设计的模型：,以工程类比法为依据的经验设计法,以现场量测和室内试验为主的实用设计法，,如以隧道洞周围岩变形量测为依据的约束与收敛法。,1.,作用在地下铁道结构上的荷载,采用荷载,-,结构模型进行地下铁道结构静、动力计算时，首先要确定作用在结构上荷载的量值及分布规律。,地铁设计规范中按荷载作用状况将其分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载,3,大类。,（,1,）荷载分类,结构的计算荷载应根据上述,3,类荷载同时存在的可能性进行最不利组合。,一般来说，对于浅埋地下铁道结构物以基本组合（仅考虑永久荷载和可变荷载）最具有工程意义。,只有在特殊情况下，如,7,度以上地震区，或有战备要求等才有必要按照偶然组合即将,3,类荷载都进行考虑来验算。,（,2,）地层压力计算方法,1,）浅埋石质隧道,浅埋石质隧道的衬砌作用与拱顶上覆的岩体高度相关，具体可参阅,铁路隧道设计规范,（,TB 10003-2005,）中的计算方法。,2,）深埋石质隧道,（,2,）地层压力计算方法,2,）土质隧道,竖向压力：,侧向压力：,土压力计算时对水压力的不同计算方法,（,2,）路面活荷载计算方法,（,1,）弹性力学解法,（,2,）根据马斯顿（,Marston,）及波士顿规范（,Boston Code,）法分析的方法，活荷载向下传递时，假定荷载板的边缘垂直呈,角度扩散，且认为压力均匀分布在该面积上。,（,3,）克格勃法,，假定荷载板下的压力强度是均匀的，而其在外扩散角,的范围内，直线地逐渐减为,0。,（,3,）自重计算方法,1,）侧墙自重计算：,梗肋部分的重量不考虑；,侧墙高度采用计算轴线长度；,侧墙厚度采用节点的中心厚度。,2,）侧墙自重计算：,梗肋部分的重量不考虑；,顶板或中间楼板的纵梁作为柱的自重考虑；,底板纵梁的重量不考虑；,柱的长度为结构顶梗肋下面至结构底板上表面之间的距离；,柱的断面尺寸采取节点间的尺寸。,结构内部主要荷载有轨道自重、列车荷载、站内人群荷载、变电所或电气室等的机械荷载。,轨道自重和列车荷载，普通情况下不考虑，但是对不直接加于地基上而作用在楼板上的列车荷载，则应计算在内。在车站结构内的中间,2,层楼乘降站台等的人群荷载，一般按,56kPa,左右计算。关于机械荷载，希望尽可能采取实际重量。,（,4,）作用在结构内部的荷载,（,5,）作用在结构底面的荷载,路面荷载,土体荷载,人防荷载,顶板自重,顶板荷载：,土压力,水压力,人防荷载,侧墙顶部压力：,土压力,水压力,人防荷载,侧墙底部压力：,底板自重,顶板传递荷载,侧墙传递荷载,底板所承受荷载：,顶板纵梁传递荷载,主动荷载模型,1.,区间隧道衬砌结构静力计算,（,1,）结构与地层共同作用的处理方法,主动荷载加地层弹性约束模型,地层实地量测荷载模型,（,1,）和（,3,）模型中的基底反力以及（,2,）模型中的弹性抗力如何计算？,（,2,）明挖框架结构,关于框架结构基底反力，通常可以采用两种计算方法：,（,1,）假设结构是刚性体，则基底反力的大小和分布即可根据静力平衡条件求得。,（,2,）假设结构为温克勒地基上的框架结构，根据地基变形运用公式（,10.11,）计算基底每一点的反力。,若采用矩阵位移法分析框架结构内力，这两种计算基底反力的方法可以用同一的程序解决。,（,1,）将框架的上部划分为普通等截面直梁单元，将框架底板划分为弹性地基上等截面直梁单元。,（,2,）计算整体坐标系下的普通等直梁单元的刚度矩阵。,（,3,）计算整体坐标系下弹性地基上等直梁单元的刚度矩阵，仅考虑方向弹性抗力时，公式如下：,假设切向弹性抗力亦符合温氏假定：,因切向弹性抗力仅与轴力和轴向位移有关，因此只要对前述公式中有关轴力和轴向位移项进行以下修正即可：,（,4,）将分布荷载按静力等效的原则离散为等效节点力。,（,5,）按直接刚度法原理组装结构体系的总体刚度矩阵和荷载列阵，形成结构体系的刚度方程：,（,6,）对刚度方程引入必要的位移约束条件。对于弹性地基上的平面框架，可假设其底板中点的水平位移为零。,（,7,）求解刚度方程，得到结构体系的节点位移：,（,8,）根据各单元节点的位移和底板各节点的竖向位移计算各单元的内力和基底竖向反力：,（,1,）将框架全部划分为普通等值梁单元；,（,2,）根据静力平衡条件求出基底反力的大小和分布，并将其视为外荷载按静力等效的原则离散为等效的节点力；,（,3,）除了假设底板中点水平位移为,0,外，还需要增加边墙中点的竖向约束。,（,3,）矿山法隧道衬砌结构计算,弹性地基梁模型,1,）初期支护受力,弹性支承链杆模型,（,1,）将折线拱的全部杆件均视为普通等直梁单元。,（,2,）将脱离区以外的分布的弹性抗力用一些离散的弹性支承链杆来代替，并作用在折线的节点处。其方向为沿结构轴线的法向，如需考虑切向弹性抗力，还应在节点处设置切向弹性支承链杆。采用矩阵位移法时，弹性支承链杆的整体坐标系下的单元刚度矩阵为：,2,）初期支护与二次衬砌共同受力,（,4,）盾构法隧道衬砌结构计算,1,）自由变形弹性匀质圆环法,处于软弱地层和饱和软粘土中的整体式圆形衬砌，或接头刚度接近结构本身刚度的装配式圆形衬砌均可采用本方法进行结构内力分析。此方法中假定：,地层不提供侧向弹性力；,基层竖向反力按均匀分布考虑，并根据静力平衡条件计算其量值。,结构为弹性匀质体。,2,）考虑侧向水平弹性抗力法,处于能够提供侧向弹性抗力的地层，如硬粘土、砂性土中的整体式或装配式圆形衬砌均可采用此方法。在此方法中的假定,作用方向与分布：,其余任一点的侧向水平弹性抗力均为最大值的函数，即,基底竖向反力按均布考虑，并根据静力平衡条件计算其值。,在装配式衬砌中，若接头刚度较小，则衬砌的整体刚度也将有所减弱，有助于发挥地层的承载力，改善结构受力状态。为了使设计经济、合理，在进行结构内力分析时应考虑接头对刚度的影响，目前较适用的方法是：,按,Muir Wood,经验公式确定装配式衬砌的有效惯性矩,Ie,：,按照日本土木协会的,盾构用标准管片,（,1982,）中的规定，如为错缝拼装的平板型管片，其计算刚度的方法为：,按考虑侧向水平弹性抗力法分析衬砌内力时，衬砌环中各截面的弯矩,M,和轴力,N,仅需在自由变形弹性匀质圆环法的基础上叠加表中所示的值。,3,）弹性地基梁法或弹性支承链杆法,所用假定与有关公式和暗挖马蹄形衬砌的相同。,国家,盾构开挖的软土隧道,锚喷、钢拱支护的软土隧道,中硬石质深埋隧道,明挖施工的框架结构,澳大利亚,弹性介质中全支承圆环,(,全周弹簧模型,),；,Muir Wood,法、,Curtis,法或假定隧道变形法,初期支护；,Proctor-white,法；二次支护；弹性介质中全支承圆环；,Muir Wood,法、,Curtis,法或假定隧道变形法,初期支护：,Proctor-white,法；二次支护；弹性介质中全支承圆环；,Muir Wood,法、,Curtis,法或假定隧道变形法,箱形框架弯矩分配,奥地利,弹性地基圆环,弹性地基圆环；,FEM,；收敛约束法,经验方法,弹性地基框架,德国,覆盖,2D,，顶部无支承的弹性地基圆环,(,部分弹簧模型,),；,覆盖,3D,，全支承的弹性地基圆环,(,全周弹簧模型,),；,FEM,覆盖,2D,，顶部无支承的弹性地基圆环；,覆盖,3D,，全支承的弹性地基圆环；,FEM,全支承的弹性地基圆环；,FEM,；连续介质或收敛约束法,弹性地基框架,(,底压力颁布简化,),国内外隧道结构设计模型,国家,盾构开挖的软土隧道,锚喷、钢拱支护的软土隧道,中硬石质深埋隧道,明挖施工的框架结构,中国,弹性地基圆环；经验法,初期支护：,FEM,；收敛约束法；,二次支护：弹性地基圆环,初期支护：经验法,永久支护：作用反作用模型；,大型洞室：,FEM,箱形框架弯矩分配,瑞士,作用反作用模型,FEM,；经验法；收敛约束法,矫形框架弯矩分配,英国,弹性地基圆环；,Muir Wood,法,收敛约束法；经验法,FEM,；经验法；收敛约束法,弹性地基连续框架,美国,弹性地基模型,弹性地基圆环；,Proctor-white,法；,FEM,；锚杆法；经验法,续上表,国家,盾构开挖的软土隧道,锚喷、钢拱支护的软土隧道,中硬石质深埋隧道,明挖施工的框架结构,瑞典,通常为经验法，有时用作用反作用模型、连续介质模型、收敛约束法,比利时,Schulze-Duddek,法,刚架,法国,随意性地基圆环；,FEM,FEM,；作用反作用模型；经验法,连续介质模型；,收敛约束法；,经验法,日本,局部支承圆环；梁弹簧模型,局部支承的弹性地基圆环；经验法加量测；,FEM,弹性地基框架；,FEM,；特征曲线法,弹性地基框架；,FEM,续上表,序号,施工方法,断面形式,衬砌支护形式,结构设计计算方法,1,明挖法,矩形和直墙拱形,现浇钢筋混凝土、预制钢筋混凝土砌块,软弱土层中弹性连续矩形、拱形框架，结构力学方法或假定抗力结构力学方法,2,矿山法,(,钻爆法、凿岩机掘进法,),拱形、直墙拱形和圆形,钢拱架、喷射混凝土锚杆支护、现浇钢筋混凝土复合衬砌、预制钢筋混凝土砌块,局部变形理论的弹性地基梁方法、反分析法、新奥法、数值分析方法,3,盾构法,圆形,钢、铸铁、钢筋混凝土,(,或钢纤维,),管片,地层衬砌位移协调弹塑性解析解，数值分析法、弹性无铰自由变形圆环、弹性多铰局部抗力约束圆环,隧道施工、设计方法分类,序号,施工方法,断面形式,衬砌支护形式,结构设计计算方法,4,顶管法,圆形或矩形,钢筋混凝土预制管段,同,3,5,沉管法,矩形,预制钢筋混凝土箱段,同,1,6,配合上述施工方法的辅助工法：,注浆加固；,降低水位；,冻结法；,管棚法,圆形、直墙拱形、矩形,钢拱架临时支护，现浇钢筋混凝土的衬砌支护,同,2,续上表,国家,计算模型,计算土压力、水压力,地基反力系数,澳大利亚,全周弹簧模型,v,全覆土荷载,H,v,+,静水压力,由平板荷载试验或量测结果的逆分析得到，切线方向或地层完全结合或把摩擦力作为上限结合,日本,梁,弹簧模型,v,全覆土荷载,H,v,(,砂质土按水土分解，粘性土按水土合算考虑,),根据土的工程性质确定,k,值大小,比利时,Schulze-Duddeck,模型，由,FEM,校核,Schulze-Duddeck,法确定,无,国外盾构法隧道设计比较表,国家,计算模型,计算土压力、水压力,地基反力系数,德国,覆土深,2D,，部分地层弹簧模型；覆土深,2D,，全周地层弹簧模型,v,全覆土荷载,H,v,(=0.5),k=Ev/R,Es,为地层模量，,R,为隧道半径,部分地层弹簧模型：,Schulze-Duddeck,法，不考虑切线方向的荷载,v,全覆土荷载,H,v,(=0.5),无,法国,全周地层弹簧模型或,FEM,v,全覆土荷载,(,覆土深,D),Terzaghi,公式,(,覆土深,D),H,v,西班牙,考虑地层与结构相互作用的,Buqera,法,忽视粘结力的,Terzaghi,公式,1.0,只考虑半径方向,国家,计算模型,计算土压力、水压力,地基反力系数,英国,全周地层弹簧模型；,Muir Wood,法,根据类似条件下的量测结果,初期垂直荷载及初期水平荷载，初期荷载是全土荷载,由三轴试验或应力计测得的应力应变关系得出，不考虑摩擦力,美国,弹性地基圆环,v,全覆土荷载,H,v,+,水压,0.4,0.5,无,v,全覆土荷载,H,v,+,水压,由室内实验求出，不考虑摩擦力,续上表,