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第三章 隧道二次衬砌结构计算3.1基本参数围岩级别:级围岩容重:=18.5围岩弹性抗力系数:K=1.510衬砌材料为C25混凝土,弹性模量E=2.9510,容重=23.3.2荷载确定3.2.1围岩垂直均布压力按矿山法施工的隧道围岩荷载为: q=0.452 =0.4521+i(B-5) =0.45218.51+0.1(13.24-5) =242.96()考虑到初期支护承担大部分围岩压力,而对二次衬砌一般作为安全储备,故对围岩压力进行折减,对本隧道按30%折减,取为170 .3.2.2 围岩水平均布压力 e=0.4q=0.4170=68 3.3计算位移3.3.1单位位移所有尺寸见下图1:半拱轴线长度s=11.4947(m)将半拱轴线长度等分为8段,则s=s/8=1.4368(m) s/ E=0.487110 ()计算衬砌的几何要素,详见下表3.1. 单位位移计算表 表3.1截面(。)sincos xyd(m)1/I ()y/I ()/I ()/I ()0 0.0000 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000 0.5000 96.0000 0.0000 0.0000 96.0000 1 12.9238 0.2237 0.9747 1.4247 0.1614 0.5000 96.0000 15.4944 2.5008 129.4896 2 25.8477 0.4360 0.9000 2.7772 0.6373 0.5000 96.0000 61.1808 38.9905 257.3521 3 38.7715 0.6262 0.7796 3.9890 1.4036 0.5000 96.0000 134.7456 189.1289 554.6201 4 51.6953 0.7847 0.6198 4.9987 2.4216 0.5000 96.0000 232.4736 562.9581 1123.9053 5 64.6192 0.9035 0.4286 5.7552 3.6396 0.5000 96.0000 349.4016 1271.6821 2066.4853 6 77.5430 0.9765 0.2157 6.2200 4.9959 0.5000 96.0000 479.6064 2396.0656 3451.2784 7 90.3353 1.0000 -0.0059 6.3698 6.4219 0.5000 96.0000 616.5024 3959.1168 5288.1216 8 90.0000 1.0000 0.0000 6.2454 7.8518 0.5000 96.0000 753.7728 5918.4733 7522.0189 864.0000 2643.1776 14338.9160 20489.2712 注:1.I截面惯性矩,I=/12,b取单位长度。2.不考虑轴力影响。 单位位移值用新普生法近似计算,计算如下: =0.487110864.0000=4.208510 =0.4871102643.1776=1.287510 =0.48711014338.9160=6.984510 计算精度校核为: +2+=(0.42085+21.2875+6.9845) 10=9.980310 =0.48711020489.2712=9.980310 闭合差=0 3.3.2载位移主动荷载在基本结构中引起的位移(1) 每一楔块上的作用力 竖向力:Q= 侧向力:E=eh 自重力:G= 算式中:b和h由图1中量得 d为接缝的衬砌截面厚度作用在各楔块上的力均列入下表3.2:载位移计算表 表3.2截面集中力力臂QGQGE00.00000.00000.00000.0000 0.0000 0.0000 0.00000.00001251.702016.523211.40360.6844 0.7078 0.3275 172.264811.69512238.952016.523233.63280.5838 0.6628 0.4723 139.500210.95163214.098016.523254.15520.4731 0.5843 0.5931 101.28989.65454178.381016.523271.93720.3403 0.4761 0.6839 60.70317.86675133.722016.523286.07440.1672 0.3438 0.7401 22.35835.6807682.127016.523295.8528-0.0026 0.1942 0.7587 -0.21353.2088726.469016.5232100.7284-0.1722 0.0374 0.7392 -4.55800.618080.000016.523297.13120.0000 -0.0912 0.7142 0.0000-1.5069(2) 外荷载在基本结构中产生的内力 内力按下算式计算 弯矩:=- 轴力:=sin ,的计算结果见下表3.3.表3.4: 载位移计算表 表3.3E(Q+G)Exyx(Q+G)yE0.00000.00000.00000.0000 0.0000 0.00000.00000.00003.73470.00000.00001.4247 0.1614 0.00000.0000-187.694615.8848268.225211.40361.3525 0.4759 362.77465.4270-722.232732.1194523.700445.03641.2118 0.7663 634.620134.5114-1534.428049.1979754.321699.19161.0097 1.0180 761.6385100.9770-2514.811263.7037949.2258171.12880.7565 1.2180 718.0893208.4349-3533.078072.72351099.4710257.20320.4648 1.3563 511.0341348.8447-4468.675674.45841198.1212353.05600.1498 1.4260 179.4786503.4579-5222.130569.37111241.1134453.7844-0.1244 1.4299 -154.3945648.8663-5784.4665 载位移计算表 表3.4截面sincos (Q+G)Esin(Q+G)cosE00.00001.00000.00000.00000.00000.00000.000010.22370.9747268.225211.403659.989911.114748.875220.43600.9000523.700445.0364228.323240.5308187.792430.62620.7796754.321699.1916472.368377.3347395.033640.78470.6198949.2258171.1288744.8817106.0731638.808750.90350.42861099.4710257.2032993.3489110.2456883.103360.97650.21571198.1212353.05601169.915276.15661093.758671.0000-0.00591241.1134453.78441241.0921-2.65561243.747781.00000.00001257.6366550.91561257.63660.00001257.6366(3)主动荷载位移计算结果见表3.5: 主动荷载位移计算表 表3.5截面1/Iy/I/Iy/I(1+y)/I00.000096.00000.00000.00000.00000.00001-187.694696.000015.4944-18018.6863-2908.2160-20926.90222-722.232796.000061.1808-69334.3422-44186.7763-113521.11843-1534.428096.0000134.7456-147305.0868-206757.4199-354062.50674-2514.811296.0000232.4736-241421.8711-584627.2030-826049.07405-3533.078096.0000349.4016-339175.4891-1234463.1100-1573638.59906-4468.675696.0000479.6064-428992.8602-2143205.4300-2572198.29027-5222.130596.0000616.5024-501324.5258-3219455.9725-3720780.49838-5784.466596.0000753.7728-555308.7812-4360173.4886-4915482.2698-2300881.6426-11795777.616-14096659.259 则:= = -0.48712300881.6426 = -0.1121 = = -0.487111795777.616 = -0.5746计算精度校核: += -0.1121-0.5746=-0.6867 =-0.487114096659.259=-0.6867闭合差:=03.3.3载位移单位弹性抗力图及相应的摩擦力引起的位移(1)各接缝处的弹性抗力强度 抗力上零点假设在接缝3处,=38.7715=; 最大抗力值假定在接缝6处,=77.5430=; 最大抗力值以上各截面抗力强度按下式计算: = = = 算出: =0, =0.3985, =0.7556, =; 最大抗力值以下各截面抗力强度按下式计算: = 式中:所考察截面外缘点到h点的垂直距离; 墙脚外缘点到h点的垂直距离。 由图1中量得:=1.4813m,=2.9097m =0.7408 =0 按比例将所求得的抗力绘在分块图上。(2)各楔块上抗力集中力按下式近似计算 = 式中:楔块外缘长度。(3)抗力集中力与摩擦力之合力R按下式计算: =其中,为围岩与衬砌间的摩擦系数,取0.2,则=1.0198,其作用放向与抗力集中力的夹角=11.3099.由于摩擦阻力的方向与衬砌位移方向相反,其方向朝上。将的方向线延长,使之交于垂直轴,量取夹角(自竖直轴反时针方向量),将分解为水平和竖向两个分力: =sin =将以上结果列入表3.6中。 弹性抗力及摩擦力计算表 表3.6截面 ()(+)/2()()sin cos()()40.3985 0.19931.4932 0.3034 58.79040.8553 0.5182 0.2595 0.1572 50.7556 0.57711.4932 0.8787 70.22350.9410 0.3384 0.8269 0.2973 61.0000 0.87781.4932 1.3367 82.69960.9919 0.1271 1.3258 0.1699 70.7408 0.87041.4932 1.3254 94.94650.9963 -0.0862 1.3205 -0.1143 80.0000 0.37041.4350 0.5420 104.5680.9678 -0.2515 0.5246 -0.1363 (4)计算单位抗力图及其相应的摩擦力在基本结构中产生的内力 弯矩:=- 轴力:=-式中:力至接缝中心点K的力臂。计算结果见表3.7表3.8: 计算表 表3.7截面=0.3034=0.8787=1.3367=1.3254=0.5420 ()()()()()()40.51150.1552-0.155251.94520.59020.67620.5942-1.184463.34611.01522.10981.85390.72580.9702-3.839374.64331.40883.50243.07762.15922.88620.80071.0612-8.433885.80181.76034.80584.22293.56164.76082.2362.96361.0230.5545-14.2620 计算表 表3.8截面()sin cos ()sin()()cos()()451.69530.78470.61980.15720.12340.25950.1608-0.0375564.61920.90350.42860.45450.41071.08640.4657-0.0550677.54300.97650.21570.62440.60972.41220.52030.0894790.33531.0000-0.00590.51010.51013.7327-0.02180.5319890.00001.00000.00000.37380.37384.25730.00000.3738(5)单位抗力及相应摩擦力产生的载位移,计算见表3.9:单位抗力及相应摩擦力产生的载位移计算表 表3.9截面()1/Iy/I/Iy/I(1+y)/I4-0.155296.0000232.4736-14.8982-36.0774-50.97555-1.184496.0000349.4016-113.6977-413.8140-527.51176-3.839396.0000479.6064-368.5694-1841.3360-2209.90547-8.433896.0000616.5024-809.6435-5199.4496-6009.09318-14.262096.0000753.7728-1369.1495-10750.2878-12119.4373 -2675.9582-18240.9648-20916.9231 = =-0.48712675.9582 =-1.3035 = =-0.487118240.9648=-8.8852校核为: += -(1.3035+8.8852)=-1.0189 = -0.487120916.9231 =-1.0189 闭合差:=03.3.4墙底(弹性地基上的刚性梁)位移单位弯矩作用下的转角: =96=64主动荷载作用下的转角: =-5784.466564=-3.7021单位抗力及相应摩擦力作用下的转角: =-14.262064=-0.00913.4 解力法方程衬砌计算矢高f=7.8518(m)计算力法方程的系数:=4.208510+64=6.82085=1.287510+7.851864=5.153910 以上将单位抗力图及相应摩擦力产生的位移乘以倍,即被动荷载的载位移。求解方程:式中: ,式中: ,3.5计算主动荷载和被动荷载分别产生的衬砌内力计算公式为: 计算过程见下表3.10、3.11:主、被动荷载作用下衬砌弯矩计算表 表3.10截面00.0000462.6724 0.0000462.67240.0000-2.65900.0000-2.65901-187.6946462.6724 109.5610384.53870.0000-2.65900.3467-2.31222-722.2327462.6724 432.6097173.04930.0000-2.65901.3691-1.28993-1534.4280462.6724 952.7866-118.96900.0000-2.65903.01520.35634-2514.8112462.6724 1643.8217-408.3171-0.1552-2.65905.20212.38795-3533.0780462.6724 2470.6200-599.7857-1.1844-2.65907.81863.97536-4468.6756462.6724 3391.2986-614.7046-3.8393-2.659010.73224.23407-5222.1305462.6724 4359.2907-400.1674-8.4338-2.659013.79562.70288-5784.4665462.6724 5329.93038.1361-14.2620-2.659016.8673-0.0536主、被动荷载作用下衬砌轴力计算表 表3.11截面coscos00.0000678.8164678.81640.00002.14822.1482148.8752661.6208710.49600.00002.09382.09382187.7924610.9049798.69730.00001.93331.93333395.0336529.2389924.27250.00001.67481.67484638.8087420.75981059.5685-0.03751.33161.29415883.1033290.96271174.0660-0.05500.92080.865861093.7586146.42531240.18400.08940.46340.552771243.7477-3.97251239.77520.5319-0.01260.519481257.63660.00001257.63660.37380.00000.37383.6最大抗力值的推求:首先求出最大抗力方向内的位移。考虑到接缝6处的径向位移与水平方向有一定的偏移,因此将其修正如下:计算过程见下表3.12: 最大抗力位移修正计算表 表3.12截面/I/I()/I()/I044416.546-255.26024.9015217707.6998-1251.1580136915.7118-221.97514.7401174984.1653-1052.1839216612.7314-123.83124.264270840.0091-528.04103-11421.023934.20123.4979-39949.5996119.63254-39198.4435229.24312.4799-97208.2200568.49995-57579.423381.62911.2619-72659.4736481.57786-59011.646406.4643-0.09445570.6994-38.3702 259285.2804-1700.0430位移值为:=0.4871259285.28040.9765=0.01233 = -0.48711700.04300.9765=-8.086最大抗力值为:3.7计算衬砌总内力按下式计算衬砌总内力:计算过程见下表3.13:截面e0462.6724-374.647788.0247678.8164302.6825981.49890.08978450.36640.00001384.5387-325.794758.7439710.4960295.0151100
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