地铁结构设计与计算1.pptx

1、地下铁道 地铁结构设计与计算（1）3.4地铁结构设计与计算（1）2主要内容：1.地铁结构设计内容2.地铁隧道结构计算模型3.地铁隧道荷载结构分析方法3建筑结构设计是重要组成部分。地铁设计规范规定：按施工阶 段和使用阶段分别进行结构强度、刚 度和稳定性计算。重点解决结构本身的强度、刚度、稳定和耐久性（抗裂）问题。地铁结构设计的基本步骤确定结构计算方法及计算图式确定作用在结构上的荷载值进行结构的内力计算和强度、稳定分析进行结构配筋及构造细节设计对结构作必要的抗裂验算绘制施工详图及节点大样图计算工程材料数量及投资预算结构设计内容结构计算模型荷载结构分析法4主要内容：1.地铁结构设计内容2.地铁隧道结

2、构计算模型3.地铁隧道荷载结构分析方法3.4地铁结构设计与计算（1）5以工程类比为依据的经验法。以测试为依据的实用法。包括收敛约束法、现场和实验室的岩土力学试验、应力(应变)量测以及实验室模型试验。结构力学方法。作用反作用模型，例如弹性地基框架，弹性地基圆环，矩阵 位移法等。荷载结构法。岩体力学方法，包括解析法和数值法两种。解析法又分为封闭解和近似解两种 方法，已逐渐被数值法所取代（有限元法为主）连续介质力学法。结构设计内容结构计算模型荷载结构分析法6主要内容：1.地铁结构设计内容2.地铁隧道结构计算模型3.荷载结构分析方法3.4地铁结构设计与计算（1）7基本思路将支护和围岩分开考虑，支护结构

3、是承载主体，围岩为荷载的来源和支护结构的弹性支承。当作用在支护结构上的荷载确定后，可应用结构力学的方法求解超静定结构的内力和位移。主动荷载模式不考虑围岩与支护结构的相互作用，支护结构可以自由变形。适用于软弱围岩没有能力去约束衬砌 变形的情况，如明挖法施工的城市地铁 工程及明洞工程。主动荷载加被动荷载模式认为围岩不仅对支护结构施加主动荷 载，而且由于围岩与支护结构的相互作 用，还对支护结构施加约束反力。适用于各种类型的围岩，只是所产生 的弹性抗力大小不同而已。实际荷载模式采用量测仪器实地量测荷载值，围岩与结构相互作用的综合反映。荷载值除与围岩特性有关外，还 取决于结构的刚度以及背后回填的 质量。

4、只适用于与其类似的情况。结构设计内容结构计算模型荷载结构分析法基本思路主要荷载：指长期及经常作用的荷载。围岩压力支护结构自重回填土荷载地下静水压力车辆活载等附加荷载：指偶然的、非经常作用的荷载温差压力灌浆压力冻胀压力混凝土收缩、徐变应力落石冲击力地震力按抗震设计规范荷载组合：一般情况：仅考虑主要荷载特殊情况：(以上震区，严寒)主+附是指围岩的弹性抗力，只产 生在被衬砌压缩的围岩上。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。dz 4dz 4EJEJ这种方法所需围岩物理力学参数较多，而且计算颇为

5、繁杂，计算模型也有严重缺陷，与实际情况也不完全相符，因而在隧 道工程实际设计计算中很少采用。d 4 ud 4 uku1EJ q(z)k u q(z)i kii局部变形理论：目前隧道弹性抗力的计算主要采用局部变形理论，它是以温克尔（E.Winkler）假定为基础。认为围 岩的弹性抗力与围岩在该点的变形成正比:i围岩表面上任意一点i的 压缩变形，m；围岩的弹性抗力，MPa；k 弹性抗力系数，MPa/m。8结构设计内容结构计算模型荷载结构分析法9理论基础求解方法：矩阵位移法，又叫直接刚度法。基本假定：平面应变假定（计算时沿隧道纵向取1m作为计算单元。）结构设计内容结构计算模型荷载结构分析法10分析过

6、程结构离散衬砌单刚：梁单元抗力单刚：杆单元基础单刚：支座单元单元分析确定单元节点力和单元节点 位移的关系建立单元刚 度矩阵整体分析将每一个节点上有共同位移的各单元刚度 矩阵元素简单的叠加起来，建立以节点静 力平衡为条件的结构刚度方程 nn n K KK KK K KK P P P PK KK P KK K KK n1 3 2 1 0 n,n n n,n1n1n1,n2n1,n1n1,n4332212223211011121 n1 P3 2 100001 323334 边界条件由结构刚度方程中解 出未知的结构各节点 的位移，也就是解结 构刚度方程变形协调求得汇交于该节点各单 元的单元节点位移，进 而求出单元节点力 衬砌内力结构设计内容结构计算模型荷载结构分析法11分析过程结构设计内容结构计算模型荷载结构分析法12分析过程弹性链杆单元设置方向 应一般沿结构轴线的法线方 向布置。(a)(a)单层衬单层衬砌砌计计算算图图示示(b)(b)双双层衬层衬砌砌计计算算图图示示拱形拱形结结构复合式构复合式衬衬砌砌计计算算图图示示未知数较少，能直观 地给出所需的节点位移值，且适用于计算机电算程序。结构设计内容结构计算模型荷载结构分析法