2022年隧道结构设计与计算 .pdf
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1、隧道结构设计与计算计算说明:本例子来自网上一个隧道算例, 本人节选了其中衬砌结构的计算部分,发现例子有许多错误,并改正过来。随后又用有限元软件ansys采用荷载结构法进行了模拟, 数据和手算结果有一定误差, 分析可能是软件假设的约束条件与手算模型不同, 而且题目给出的隧道断面尺寸不清楚,隧道尺寸与手算的有差异。一手算部分:本隧道设计为川藏公路二郎山隧道出口段隧道断面设计,隧道围岩等级为级,根据公路隧道设计规范表A.0.4-1 取值得:围岩重度3kN/m21,围岩的弹性抗力系数m/MPa350K,KK5.21a。衬砌材料采用钢筋混凝土, 根据公路隧道设计规范表5.2.1,表 5.2.2,表 5.
2、2.4 取值得:重度3hm/kN25,弹性模量.5GPa29cE,轴线抗压强度标准值MPa17ckf,轴心抗拉强度标准值.0MPa2ctkf。内轮廓半径m80.41,m00.12内径所画圆曲线的终点截面与竖直轴的夹角0706.10916036.1172外轮廓半径mR30.51,mR50.12拱轴线半径m05.501,m25.102拱轴线各段圆弧中心角:0706.1091,00.452设计步骤:一荷载的确定名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 24 页 - - -
3、 - - - - - - 1)围岩竖向均布压力:1s245.0q式中:s-围岩类别 ,此处 s=4; -围岩容重 ,此处 =2 1KN/m3 -跨度影响系数 , =1+i(lm -5),毛洞跨度 Lm=10.60+2 0.05=10.70m,其中 0.05m为一侧平均超挖量 . Lm=515m 时,i=0.1,此处 =1+0.1 (10.70-5)=1.570。所以,有 q=0.45 24-1 21 1.570118.6920kpa 此处超挖回填层重忽略不计。2)围岩水平均布压力:e0.25q0.25 118.6920 29.6730kpa 二半拱轴线长度S 及分段轴心线长 S计算半拱轴线长度
4、S级分块轴线长度 S。 (单位 m )分为 8 段:mrS608514.905.514.31800706.1091800111mrS981250.025.114.318045180022mSSS58976.1021分段长度:323721.18ssm 三各分块接缝(截面)中心几何要素1.与竖直夹角026158.1518005.5323721.11800111rSa052316.30026158.15026158.15112aa078474.45026158.15052316.30123aa104632.60026158.15078474.45134aa130790.75026158.151046
5、32.60145aa名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 24 页 - - - - - - - - - 156948.90026158.15130790.75156aa183106.105026158.151569484.90167aa0706.154180250.1981250.00706.1091802218rSa校核:角度闭合差0,因墙底面水平,计算衬砌内力时用9082. 接缝中心点坐标计算mrx3093.1026158.15sin05.5sin1011m
6、rx5290.2052316.30sin05.5sin2012mrx5758.3078474.45sin05.5sin3013mrx3780.4104632.60sin05.5sin4014mrx8809.4130790.75sin05.5sin5015mrx0499.5156948.90sin05.5sin6016mrx8737.4183106.105sin05.5sin7017mx2132.48mry1727.0026158.15cos105.5cos11011mry6789.0052316.30cos105.5cos12012mry4840.1078474.45cos105.5cos13
7、013mry5330. 2104632.60cos105.5cos14014mry7541.3130790.75cos105.5cos15015mry0638.5156984.90cos105.5cos16016mry3726.6183106.105cos105.5cos17017my4271.78表 2-3 各截面中心几何要素名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 24 页 - - - - - - - - - 截面 (o )sin cosx y 0 0 0 1
8、0 0 1 15.0262 0.2593 0.9658 1.3093 0.1727 2 30.0523 0.5008 0.8656 2.5290 0.6789 3 45.0785 0.7081 0.7061 3.5758 1.4840 4 60.1046 0.8669 0.4984 4.3780 2.5330 5 75.1308 0.9665 0.2566 4.8809 3.7541 6 90.1569 1.0000 -0.0027 5.0499 5.0638 7 105.1831 0.9651 -0.2619 4.8737 6.3726 8 90 1 0 4.2132 7.4271 半轴计算
9、图如图2-5 衬砌结构计算图示四计算位移1.单位位移用用辛普生法近似计算,按计算列表进行。单位位移的计算见表2。表 2-4 单位位移计算表截面I 1/I y/I y2/I (y+1)2/I 0 0.01042 96.0000 0.0000 0.0000 96.0000 1 0.01042 96.0000 16.5768 2.8624 132.0159 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页,共 24 页 - - - - - - - - - 2 0.01042 96.0
10、000 65.1765 44.2498 270.6028 3 0.01042 96.0000 142.4648 211.4189 592.3485 4 0.01042 96.0000 243.1670 615.9392 1198.2732 5 0.01042 96.0000 360.3940 1352.9567 2169.7448 6 0.01042 96.0000 486.1276 2461.6669 3529.9220 7 0.01042 96.0000 611.7711 3898.5816 5218.1237 8 0.01042 96.0000 713.0016 5295.5342 68
11、17.5374 864.0000 2638.6793 13883.2097 20024.5682 单位位移值计算如下:670111107693.38000.8641095.2323721.11IESdsEMhsh670212112104025.1186793.26381095.2323721.1IyESdsIEMMhsh67202222109660.6222097.138831095.2323721.1IyESdsIEMhSh67i2105404.8985682.200241095.2323721.1)1(IyEsiss校核:66221211105403.898109660.6224025.1
12、1827693.38闭合差 0 计算结果正确。五荷载位移 主动荷载在基本结构中引起的位移A.每一楔块上的作用力竖向力:iiqbQ式中bi 衬砌外缘相邻两截面之间的水平投影长度,由图2.5 量得:水平压力:iiehE名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共 24 页 - - - - - - - - - 式中: hi衬砌外缘相邻两截面之间的竖直投影长度,由图2-5 量得:自重力:hi1iiS2ddG式中: di接缝 i 的衬砌截面厚度。注:计算 G8时,应使第 8 个楔
13、块的面积乘h。作用在各楔块上的力均列人表3,各集中力均通过相应图形的形心。表 2-5 单元集中作用力截面bi(m) hi(m) di (m) Q E G 0 0 0 0.5000 0 0 0 1 1.3741 0.1812 0.5000 163.0947 5.3767 16.5465 2 1.2780 0.5313 0.5000 151.6884 15.7653 16.5465 3 1.1007 0.8450 0.5000 130.6443 25.0737 16.5465 4 0.8420 1.1009 0.5000 99.9387 32.6670 16.5465 5 0.5278 1.281
14、6 0.5000 62.6456 38.0289 16.5465 6 0.1775 1.3746 0.5000 21.0678 40.7885 16.5465 7 1.3736 0.5000 0 40.7588 16.5465 8 0.9890 0.5000 0 29.3466 16.5465 B外荷载在基本结构中产生的内力楔块上备集中力对下一接缝的力臂由图2 中量得,分别记为egqaaa,。内力按下式计算 (见图 3) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页,共 2
15、4 页 - - - - - - - - - weq110p1- i0ip)(aWaEaQEyGQxMMiiiiiii)(mkN)轴力:iiiiiEGQNcos)(sin0p式中:ix、iy相邻两截面中心点的坐标增量,按下式计算:1iiixxx1iiiyyy表 2-6 0piM计算过程表(一)截面aqagae-Qaq-Gag-Eae0 0 0 0 0 0 0 1 0.6222 0.6490 0.3321 -101.4775 -10.7387 -1.7856 2 0.5157 0.5932 0.4820 -78.2257 -9.8154 -7.5989 3 0.3732 0.4970 0.5990
16、 -48.7564 -8.2236 -15.0191 4 0.2043 0.3667 0.6751 -20.4175 -6.0676 -22.0535 5 0.0223 0.2113 0.7049 -1.3970 -3.4963 -26.8066 6 -0.1613 0.0415 0.6873 3.3982 -0.6867 -28.0339 7 0-0.1306 0.6213 02.1610 -25.3235 8 0-0.4577 0.4945 07.5733 -14.5119 表 2-7 0piM计算过程表(二)截面i-1(Q+G) i-1E x y - xi-1(G+Q) - yi-1E
17、Mp00 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1.3093 0.1727 0 0 -114.0018 2 179.6412 5.3767 1.2197 0.5062 -219.1131 -2.7220 -431.4768 3 347.8761 21.1420 1.0468 0.8051 -364.1442 -17.0211 -884.6413 4 495.0669 46.2157 0.8023 1.0490 -397.1789 -48.4794 -1378.8382 5 611.5521 78.8827 0.5029 1.2211 -307.5305 -96.3249 -1814.3935
18、 6 690.7442 116.9116 0.1691 1.3097 -116.7729 -153.1220 -2109.6108 7 728.3585 157.7001 -0.1762 1.3088 128.3696 -206.3958 -2210.7995 8 744.9051 198.4590 -0.6605 1.0545 492.0131 -209.2720 -1934.9969 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页,共 24 页 - - - - - - -
19、 - - 表 2-80piN计算过程表截面sin cos (G+Q)Esin (G+Q)cos ENP00 0 1 0 0 0 0 0 1 0.2593 0.9658 179.6412 5.3767 46.5738 5.1929 41.3809 2 0.5008 0.8656 347.8761 21.1420 174.2129 18.2997 155.9132 3 0.7081 0.7061 495.0669 46.2157 350.5420 32.6346 317.9074 4 0.8669 0.4984 611.5521 78.8827 530.1765 39.3166 490.8599
20、5 0.9665 0.2566 690.7442 116.9116 667.6139 30.0010 637.6129 6 1.0000 -0.0027 728.3585 157.7001 728.3513 -0.4318 728.7831 7 0.9651 -0.2619 744.9051 198.4590 718.9004 -51.9772 770.8776 8 1.0000 0.0000 761.4516 227.8056 761.4516 0.0000 761.4516 基本结构中,主动荷载产生弯矩的校核为:358.983460.102132. 4260.10692.11842808B
21、XBqMq408.8184271.721673.29222808yeMe531.184577.05465.16)1306.08737.42132.4(5465.16)0415.00499.52132.4(5465.16)2113.08809.42132.4(5465.16)3667.03780.42132.4(5465.16)4970.05758.32132.4(5465.16)5932.05290.22132.4(5465.16)6490.03093.12132.4(5465.16)()()()()()()()(887787668655854484338322821181808ggggggg
22、ggiigaGaxxGaxxGaxxGaxxGaxxGaxxGaxxGaxixGM2 9 7.1 8 835 3 1.81408.818358.98308080808geqpMMMM另一方面从附表2-7 中得到08pM1934.9969 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页,共 24 页 - - - - - - - - - 闭合差:%67.2%1009969.1934297.18839969.1934C.主动荷载位移计算过程见表2-9。6-70001110-4686
23、2.454071044360.851095.2323721.1IMEsdsIEMMphshPp6-700022102-220003.55674900925.611095.2323721.1IyMEsdsIEMMphshPp67010034.266866-745947286.461095.2323721.1)1(IMyEsphsp经校核-621106-266866.00pp,闭合差0表 2-9 p1、p2计算过程截面Mp01/I y/I Mp0/I Mp0y/I Mp0(1+y)/I 0 0 96.0000 0.0000 0 0 0 1 -114.0018 96.0000 16.5768 -10
24、944.1740 -1889.7814 -12833.9554 2 -431.4768 96.0000 65.1765 -41421.7767 -28122.1555 -69543.9322 3 -884.6413 96.0000 142.4648 -84925.5685 -126030.2358 -210955.8043 4 -1378.8382 96.0000 243.1670 -132368.4702 -335287.8921 -467656.3623 5 -1814.3935 96.0000 360.3940 -174181.7731 -653896.5520 -828078.3251
25、 6 -2109.6108 96.0000 486.1276 -202522.6370 -1025539.9863 -1228062.6233 7 -2210.7995 96.0000 611.7711 -212236.7520 -1352503.1517 -1564739.9037 8 -1934.9969 96.0000 713.0016 -185759.6992 -1379655.8619 -1565415.5611 -1044360.8507 -4902925.6167 -5947286.4674 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - -
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