地下工程課程設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上地下工程課程設(shè)計(jì)新奧法隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 姓 名：班 級：學(xué) 號：指導(dǎo)老師：華 中 科 技 大 學(xué) 土 木 工 程 與 力 學(xué) 學(xué) 院2015 年 12 月目錄1、設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1 基本設(shè)計(jì)資料（1）工程概況某三心圓帶仰拱隧道，隧道內(nèi)凈空的高度為8.8 m，內(nèi)凈空寬度為11 m，建筑限界和內(nèi)凈空的橫斷面形狀和尺寸如圖2-1所示，地表至隧道內(nèi)凈空頂部H=20 60 m。擬采用新奧法復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)，二次襯砌采用C25鋼筋混凝土，混凝土彈性模量Ec=29.5 GPa，泊松比c=0.2，鋼筋采用HRB335，鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為340MPa。（2）圍巖性質(zhì)假設(shè)隧道所在土體為

2、黏性土，圍巖級別為級，平均=1820 kN/m3，平均黏聚力c =3060kPa，內(nèi)摩擦角=2030，泊松比為0.330.37，變形模量E為1530MPa。圖1-10 襯砌橫斷面尺寸（單位：cm）1.2 設(shè)計(jì)要求（1）確定具體計(jì)算工況，包括選定隧道埋深、土體黏聚力、內(nèi)摩擦角、變形模量等指標(biāo)。（各位同學(xué)之間不得雷同）。（2）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初步擬定二次襯砌截面尺寸。（3）確定隧道埋深條件（深埋或淺埋），并計(jì)算圍巖壓力。深埋隧道采用普氏理論進(jìn)行計(jì)算，淺埋隧道采用巖柱理論或太沙基松動理論進(jìn)行計(jì)算，超淺埋隧道采用土柱理論進(jìn)行計(jì)算。（4）采用荷載-結(jié)構(gòu)模型(假定抗力計(jì)算模型或彈性地基梁計(jì)算模式)計(jì)算二次襯砌內(nèi)

3、力，計(jì)算中只考慮圍巖壓力和二次襯砌結(jié)構(gòu)自重，直接按照標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行組合，無需考慮荷載組合分項(xiàng)系數(shù)。（5）驗(yàn)算截面承載力，優(yōu)化截面尺寸，并進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。驗(yàn)算中，只需進(jìn)行正截面抗拉、抗壓、抗彎驗(yàn)算，無需進(jìn)行正截面和斜截面抗剪驗(yàn)算、裂縫驗(yàn)算、變形驗(yàn)算等。（6）編寫設(shè)計(jì)計(jì)算書。1.3 參考資料（1）公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D70-2004)；（2）公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則JTGTD702010。2、計(jì)算工況2.1參數(shù)圍巖性質(zhì)：圍巖級別V級，平均重度 = 18 kN/m3，平均粘聚力c = 50 kPa，內(nèi)摩擦角 = 20，泊松比=0.35，變形模量E = 25 Mpa，地表至隧道內(nèi)凈空頂部H=50m。寬度影響系

4、數(shù)：w=1+i(B-5)=1+0.1(11-5)=1.6坍落拱高度：hq=0.452s-1w=0.4525-11.6=11.52 mHp=2.5hq=2.511.52 m=28.8 mH=50 mHp=28.8 m故隧道為深埋，采用普氏理論計(jì)算圍巖壓力。2.2圍巖壓力洞頂豎向壓力：q=hq=18 kN/m311.52 m=207.36 kN/m2 側(cè)向壓力：e1=qtan2(45-2)=207.36 kN/m2tan2(45-202)=101.67 kN/m2e2=(q+H)tan2(45-2)=(207.36 kN/m2+18 kN/m3(5.5 m+2.034 m)tan2(45-202)

5、=168.16 kN/m22.3擬定二次襯砌截面尺寸參考公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則JTGTD702010的表13.2.3 整體式襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)，初步擬定二次襯砌截面厚度為50 cm。二次襯砌采用C25鋼筋混凝土，彈性模量Ec=29.5Gpa，泊松比c=0.2，鋼筋采用HRB335，鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為340MPa。3、襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力利用ANSYS軟件，采用彈性地基梁模型計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，計(jì)算流程如圖3.1所示。圖3.1 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算流程圖編程命令流：!(1)創(chuàng)建物理環(huán)境fini/clear /TITLE,Tunnel Support Structural Analysis !進(jìn)入前處理器/PREP7

6、!定義單元ET,1,BEAM3 !定義梁單元ET,2,COMBIN14 !定義彈簧單元!定義材料屬性MP,EX,1,2.95E10 !混凝土襯砌彈性模量 MP,PRXY,1,0.2 !凝土襯砌泊松比 MP,DENS,1,2500 !混凝土襯砌密度! 定義實(shí)常數(shù)R,1,0.50,0.50*0.50*0.50/12,0.50, !襯砌面積,慣性矩,厚度 !(2)建立幾何模型!創(chuàng)建隧道襯砌支護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)!定義曲率中心點(diǎn)K,1,0,11.7, !L1曲率中心K,2,4.1824,-1.6607, !L2曲率中心K,3,0,0, !L3/L4曲率中心K,4,-4.1824,-1.6607, !L5曲率中心K

7、,5,-4.4811,-2.615, !由節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)生成關(guān)鍵點(diǎn)K,6,4.4811,-2.615, K,7,5.1118,-2.0297, K,8,0,5.5,K,9,-5.1118,-2.0297, !創(chuàng)建隧道襯砌支護(hù)線LARC,5,6,1,15 !由2個端點(diǎn)及曲率中心加半徑生成弧線LARC,6,7,2,1LARC,7,8,3,5.5LARC,8,9,3,5.5LARC,9,5,4,1!(3)劃分網(wǎng)格，生成隧道襯砌支護(hù)單元lsel,s,line,1,5,1 !選擇線L1-L5LATT,1,1,1 !給所選的線賦予材料特性lsel,s,line,1LESIZE,all,8 !設(shè)置網(wǎng)格劃分份數(shù)為4

8、lsel,s,line,2,5,3LESIZE,all,1 lsel,s,line,3,4,1LESIZE,all,10, lsel,allLmesh,all !線網(wǎng)格劃分，生成支護(hù)單元!(4)添加彈簧單元/PNUM,NODE,1 !打開節(jié)點(diǎn)號開關(guān) !生成30根彈簧單元!彈簧節(jié)點(diǎn)號，彈簧剛度，彈簧相對位置psprng,1,tran,-0.2987 ,-0.9544 psprng,3,tran,-0.2255,-0.9742 psprng,4,tran,-0.1511 ,-0.9885 psprng,5,tran,-0.0757 ,-0.9971 psprng,6,tran,0.0000 ,-1

9、.0000 psprng,7,tran,0.0757 ,-0.9971 psprng,8,tran,0.1511 ,-0.9885 psprng,9,tran,0.2255 ,-0.9742 psprng,2,tran,0.2987 ,-0.9544 psprng,10,tran,0.9309 ,-0.3652 psprng,12,tran,0.9840 ,-0.1782 psprng,13,tran,0.9999 ,0.0155 psprng,14,tran,0.9780 ,0.2087 psprng,15,tran,0.9192 ,0.3938 psprng,16,tran,0.8256

10、,0.5643 psprng,17,tran,0.7009 ,0.7133 psprng,18,tran,0.5497 ,0.8354 psprng,19,tran,0.3777 ,0.9260 psprng,20,tran,0.1914 ,0.9815 psprng,11,tran,0.0000 ,1.0000 psprng,22,tran,-0.1954,0.9807 psprng,23,tran,-0.3815 ,0.9244 psprng,24,tran,-0.5531 ,0.8332 psprng,25,tran,-0.7038 ,0.7104 psprng,26,tran,-0.8

11、279 ,0.5608 psprng,27,tran,-0.9208 ,0.3900 psprng,28,tran,-0.9788 ,0.2046 psprng,29,tran,-1.0000 ,0.0113 psprng,30,tran,-0.9832 ,-0.1823 psprng,21,tran,-0.9294 ,-0.3691 !(5)保存模型allsSAVEFINISH!(6)施加約束和荷載/SOL!施加約束NSEL,S,NODE,31,60,1 !選擇隧道支護(hù)線上所有節(jié)點(diǎn)d,all,uy,0 !對所選擇節(jié)點(diǎn)約束X方向位移d,all,ux,0 !對所選擇節(jié)點(diǎn)約束Y方向位移!施加重力加

12、速度allselACEL,acely,0,9.8,0, !施加圍巖壓力allself,11,fx, 0 $ f,11,fy, -2.209E+05f,20,fx,-2.136E+04 $ f,20,fy, -2.167E+05f,19,fx,-4.299E+04 $ f,19,fy, -2.044E+05f,18,fx,-6.500E+04 $ f,18,fy, -1.842E+05f,17,fx,-8.717E+04 $ f,17,fy, -1.571E+05f,16,fx,-1.089E+05 $ f,16,fy, -1.240E+05f,15,fx,-1.291E+05 $ f,15,f

13、y, -8.625E+04f,14,fx,-1.465E+05 $ f,14,fy, -4.522E+04f,13,fx,-1.595E+05 $ f,13,fy, -1.204E+04f,22,fx,2.136E+04 $ f,22,fy, -2.167E+05f,23,fx,4.299E+04 $ f,23,fy, -2.044E+05f,24,fx,6.500E+04 $ f,24,fy, -1.842E+05f,25,fx,8.717E+04 $ f,25,fy, -1.571E+05f,26,fx,1.089E+05 $ f,26,fy, -1.240E+05f,27,fx,1.29

14、1E+05 $ f,27,fy, -8.625E+04f,28,fx,1.465E+05 $ f,28,fy, -4.422E+04f,29,fx,1.595E+05 $ f,29,fy, -1.204E+04f,12,fx,-1.665E+05f,10,fx,-8.414E+04f,30,fx,1.665E+05f,21,fx,8.414E+04!(7)求解分析修改模型!進(jìn)入求解器allsel solve !進(jìn)行求解!進(jìn)入后處理器/POST1 PLDISP,1 !繪制結(jié)構(gòu)變形圖!定義單元表etable,str1,NMISC,1esel,s,31,60pretab,str1FINISH !進(jìn)入

15、前處理器刪除受拉彈簧單元/PREP7*do,i,42,58,1EDELE,indele,i*enddoallselfini/solusolve !進(jìn)行求解!(8)繪制最終結(jié)構(gòu)變形圖/POST1 !進(jìn)入后處理器PLDISP,1 !繪制最終結(jié)構(gòu)變形圖!(9)制節(jié)點(diǎn)彎矩、剪力、軸力表ETABLE,IMOMENT,SMISC, 6 !制結(jié)構(gòu)彎矩表ETABLE,JMOMENT,SMISC,12ETABLE,ISHEAR,SMISC, 2 !制結(jié)構(gòu)剪力表ETABLE,JSHEAR,SMISC, 8 ETABLE,ZHOULI-I,SMISC, 1 !制結(jié)構(gòu)軸力表ETABLE,ZHOULI-J,SMISC,

16、 7 !(10)設(shè)置彎矩、剪力、軸力標(biāo)題并繪制出分布圖/TITLE,BENDING MOMENT distribution PLLS,IMOMENT,JMOMENT,-0.8,1 !繪制結(jié)構(gòu)彎矩分布圖/TITLE,SHEAR force distribution PLLS,ISHEAR,JSHEAR,1,1 !繪制剪力分布圖/TITLE,ZHOULI force distribution PLLS,ZHOULI-I,ZHOULI-J,-0.6,1 !繪制軸力分布圖!(11)列出節(jié)點(diǎn)位移PRNSOL,U,COMP !顯示所有節(jié)點(diǎn)總位移矢量PRNSOL,ROT,COMP !顯示所有節(jié)點(diǎn)總旋轉(zhuǎn)位移矢

17、量!(12)列表顯示結(jié)構(gòu)的彎矩、剪力、軸力PRETAB,IMOMENT,JMOMENT,ISHEAR,JSHEAR,ZHOULI-I,ZHOULI-J !(13)完成分析退出ANSYSFINISH /EXIT計(jì)算結(jié)果如圖3.2所示（1）襯砌結(jié)構(gòu)彎矩圖（2）襯砌結(jié)構(gòu)軸力圖圖3.24、襯砌結(jié)構(gòu)配筋由于整個襯砌結(jié)構(gòu)的頂部有較大的負(fù)彎矩，而兩側(cè)有較大的正彎矩，并且兩者的絕對值差不多大，為了方便施工，襯砌結(jié)構(gòu)采用對稱配筋。觀察圖3.2可以發(fā)現(xiàn)，截面11、27、15處是襯砌結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)截面，其中截面27和截面15的等效，因此，只驗(yàn)算截面11和截面15。C25混凝土，HRB335鋼筋，fc=11.9 N/mm

18、2，ft=1.27 N/mm2，fy=300 N/mm2，1=1.0，h0=500-40=460 mm。截面11：M=2.78105 Nm，N=8.24105 Ne0=MN=2.78105 Nm8.24105 N=0.337 m=337 mmei=e0+ea=337+20=357mme=ei+h2-as=357+5002-40=567mmx=N1fcb=8.24105N1.011.9N/mm21000mm=69.24mm2as=80 mm(1)對受壓鋼筋取矩As=N(ei-h2+as)fy(h0-as)=8.24105(357-5002+40)300(460-40)=961 mm2(2)不考慮受壓鋼筋，即As=0=1-1-2Ne1fcbh02=1-1-28.24105567111.910004602=0.207minbh=0.0021000500=1000 mm2采用6B18，As=1527 mm2。 As0.45ftfybh=0.451.273001000500=952.5 mm2軸心抗壓驗(yàn)算：=NA=8.24500=1.65 N/mm2fc=11.9 N/mm2 截面15：M=2.55105 Nm，N=1.11106 Ne0=MN=2.55105 Nm1.11106 N=0.