隧洞参数计算表..

青海大学 公伯峡灌溉工程隧洞工程 专 业 班 级 学生姓名 指导教师 完成时间 水力计算水力计算 一 基本资料 设计流量 Q 2 6m3 s 洞身纵坡 i 1 1000 洞身长 L 2214 42m 采用混凝 土 C15 采用 C20 其粗糙系数取 n 0 015 采用 n 0 014 二 洞身断面尺寸计算 洞内水深 8 3 2 13 5 3 22 12 im mnQ h 当为水力最佳断面时 m 0 2 计算得 h 0 98m 计算特性流量 2 82 1000 1 6 2 3 sm i Q K 计算比值 768 0 2 82015 0 98 0 67 2 67 2 nk h 根据比值查表得 h b 0 49 计算宽度 b h 0 49 0 98 0 49 2 2 按公式计算 已知 h 0 98m b 2m 则 bh 0 98x2 1 96 m2 R x bh b 2h 0 49 m 19 5949 0 015 0 11 6 16 1 R n C smRiCQ 6 257 2 001 0 49 019 5996 1 3 三各部位高程 隧洞进口底部高程 1973 80 隧洞出口底部高程 1971 58 依据 SL279 2002 水工隧洞设计规范及施工的最小断面确定 其高度为 2m 宽度为 1 8m 应根据地质条件及隧洞规范选择隧洞衬砌断面型式 粘土岩为软岩 应采 用马蹄型洞比较好 采用 2 2m 设计荷载设计荷载 设计组合如下 1 不考虑岩石弹性抗力 垂直山岩压力 侧向水平山岩压力 衬砌自重 2 考虑岩石弹性抗力 垂直山岩压力 岩石弹性抗力 岩石弹性抗力产生的摩擦 力 衬砌自重 1 山岩压力 1 基本数据 根据资料围岩属于 类围岩 查表得 围岩坚固系数f 1 5 及相应的 60 岩 23kN m2 计算塌落拱高度 26 1 5 12 156 224 2 2 2 45 2 m tg f HtgB h 计算均布的垂直山岩压力强度q为 q 0 7 h 0 7 23 1 26 20 286kN m2 由公式计算侧向水平山岩压力及强度为 e1 0 7 htg2 45 2 1 46kN m2 e2 0 7h H tg2 45 2 5 75kN m2 则 e e1 e2 2 3 60kN m2 2 按简化公式计算 当f 1 5时 查表得相应的q及e系数分别为0 358及0 062 则 均布的垂直山岩压力强度q为 Q 0 358 B 0 358 23 2 4 19 76kN m2 均布的侧向水平山岩压力强度为 e 0 062 H 0 062 23 2 6 3 71kN m2 隧洞衬砌计算 考虑岩石弹性抗力作用 1 基本数据 1 洞身衬砌截面形式及尺寸 洞身为等厚度衬砌的圆拱直墙式衬砌断面 顶拱为半圆形 洞底采用与侧墙 整体连接的平底板 各部位尺寸如下 洞身净宽B 1 8m 洞身净高H 2 0m 顶拱内半径r 0 9m 直墙高yh 1 1m 衬砌厚度初步拟定为d 0 4m 地板厚度采用与顶拱及侧墙相同 2设计荷载 均布垂直山岩压力强度为q 20kN m2 不计侧向山岩压力及内水压力 考虑岩石 弹性抗力及相应的摩擦力作用 抗力系数在侧面及拱座均采用k 5 105kN m3 3衬砌材料 采用C15混凝土衬砌 混凝土弹性模量为E 220 105kN m2 混凝土单位容重 24kN m3 2 计算 1 计算基本结构 计算矢高 f H d 2 2 0 4 2 2 2m 计算拱跨 l B d 1 8 0 4 2 2m 顶拱计算半径 r r d 2 0 9 0 4 2 1 1m 计算矢高与顶拱计算半径的比值m f r 2 2 1 1 2 2刚臂长度c计算 c Acr 根据m 2查表得Ac 0 则 c 0 1 1 0 886 m 3形常数计算 EJ r A EJ r A EJ r A EJ r A hhhh 3 22 2 11 3 22221111 根据m 2查表得 A11 2 A22 1 Ah1 0 5 Ah2 0 抗弯刚度 EJ E bd3 12 220 220 105 1 0 43 12 1 17 10 5 kN m2 计算得 11 2 42 10 5 kN m 1 22 1 16 10 5 m kN h1 0 52 10 5 kN 1 h2 0 49 10 5 kN m 1 4载常数计算 1 垂直山岩压力作用 在垂直山岩压力作用下 各载常数值分别按下列公式计 算 EJ qr A EJ qr A EJ qr A hqhpqpqp 44 22 3 11 根据m 2查表得 25 0 2569565 0 8926991 0 321 qqq AAA 则 1026 6 1017 1 1 120 25 0 1043 6 1017 1 1 120 2569565 0 1031 20 1017 1 1 120 8926991 0 5 5 4 5 5 4 2 5 5 3 1 m m hp p p 2 衬砌自重作用 在衬砌自重作用下 各载常数值分别按下列公式计算 EJ gr A EJ gr A EJ gr A hghpgpgp 44 22 3 11 其中 2 6 94 024mkNdg 根据m 2查表得 2853982 0 3017932 0 0 1 21 hggg AAA 则 1043 3 1017 1 1 16 9 2853982 0 1063 3 1017 1 1 16 9 3017932 0 1092 10 1017 1 1 16 9 0 1 5 5 4 5 5 4 2 5 5 3 1 m m hp p p 3 弹性抗力 在弹性抗力作用下 各载常数值分别按下列公式计算 EJ r A EJ r A EJ r A h hhp h p h p 44 22 3 11 其中 h 为弹性抗力图中最大抗力值 其值为 hh k 根据m 2查表得 3372815 0 4401546 0 05523689 21 h AAA 则 10422 0 1017 1 1 1 3372815 0 10691 0 1017 1 1 1 4401546 0 10384 0 1017 1 1 1 5523689 0 5 5 4 5 5 4 2 5 5 3 1 m m h h hp h h p h h p 4 摩擦力作用 在摩擦力作用下 各载常数值分别按下列公式计算 EJ r A EJ r A EJ r A h hhp h p h p 44 22 3 11 其中 为摩擦系数 采用 0 3 根据m 2查表得 0603215 0 0795999 0 1022590 0 21 h AAA 则 100226 0 1017 1 1 13 0 0603215 0 10691 0 1017 1 1 13 0 0795999 0 100349 0 1017 1 1 13 0 1022590 0 5 5 4 5 5 4 2 5 5 3 1 m m h h hp h h p h h p 5 载常数总和 10446 0 1069 9 100226 0 10422 0 1043 31026 6 100226 72090 0 1006 10100226 010691 0 1063 3 1034 6 104189 0 1023 31100349 0 10384 01092 101031 20 555555 555555 2 555555 1 m m hhhhhp hhhp hhhp 5 多余未知力X1及X2计算 不考虑拱座转角影像 X1及X2值分别按下式计算 得 h h p h h p X X 6215 0 67 8 1016 1 107209 0 1006 10 1731 0 9 12 1042 2 104189 0 1023 31 5 55 22 2 2 5 55 11 1 1 最大抗力点h的变位值按下式计算得 h hhh hhhph XX 55 5555 2211 1051453 0102663 1 6215 067 8 1049 0 1731 0 9 12 1052 010446 0 1069 9 弹性抗礼图中最大 h 值为 hhhh k 57265 23315 6 1051453 0 102663 1 105 555 解得 77 1 2 mkN h 则 77 9 21 13 21 mkNXmkNX 6 各截面弯矩值计算 衬砌断面左半部分全部衬砌段分10个截面 圆拱短各截面按15 倾角均分 直 墙段各截面按四等分划分 各截面弯矩值按下式计算 21 cyXXMM p 其中 y为各截面对以拱顶O为坐标原点的纵坐标 Mp为各种外荷载作用下的 弯矩 其值根据各种荷载值查表数据分别计算后叠加求得 其乘数值按已知荷 载值计算如下 64 0 1 177 1 3 0 14 2 1 177 1 62 111 16 9 2 241 120 22 22 22 22 r r gr qr h h 圆拱段各截面 cos214 0 886 0cos1 1cos cos rrcrrcy rry 直墙段各截面 y c y 0 886 各截面Mp及M值计算分别列于下表 各截面Mp计算表 各截面弯矩M计算表 截 面 编 号 位置 cos y C 拱 y C 直墙 X2 y C X2 y C 合计 M 0 01 0 886 8 664 55 1 150 96592 0 849 8 293 72 2 300 86603 0 739 7 221 48 截 面 编 号 位置 山岩垂 直压力 作用 kN m 衬砌自重 作用 kN m 弹性抗力 作用 kN m 摩擦力 作用 kN m 合计 MP kN m 0 0000 1 15 0 81 0 39 1 20 2 30 3 025 1 485 4 51 3 45 6 05 3 05 9 10 4 60 9 075 4 73 0 013 0 0025 13 82 5 75 11 29 6 08 0 096 0 0038 17 47 6 y r 12 1 6 63 0 295 0 018 19 04 7 y 1 25r 12 1 6 63 0 614 0 040 19 38 8 y 1 5r 12 1 6 63 1 056 0 062 19 85 9 y 1 75r 12 1 6 63 1 598 0 085 20 41 10 y 2r 12 1 6 63 2 196 0 106 21 03 3 450 70711 0 564 5 51 1 4 4 600 50000 0 336 3 28 3 89 5 750 25882 0 071 0 69 4 95 6 y r 00 2140 2142 09 3 74 7 y 1 25r 0 4894 78 1 86 8 y 1 5rh 0 7647 460 82 9 y 1 75r 1 03910 152 95 10 y 2r 1 31412 845 02 7 各截面轴向力计算 各轴向力按下式计算 cos 2 XNN p 其中 Np为各种外荷载作用下的轴向力 其值根据查表分别计算后叠加求得 表中各乘数值按已知荷载值计算如下 584 0 1 177 1 3 0 947 1 1 177 1 56 101 16 9 221 120 r r gr qr h h 各截面Np及N值计算分别如下表 各截面Np计算表 截 面 编 号 位置 山岩垂直 压力作用 衬砌自重 作用 弹性抗力 作用 摩擦力合计 NP 0 0000 1 151 470 722 19 2 305 52 768 26 3 45115 860016 86 4 6016 59 580 011 0 03926 25 5 7520 5213 350 087 0 14333 81 6 y r 2216 590 269 0 27538 58 7 y 1 25r 2219 230 269 0 41841 08 8 y 1 5r 2221 870 269 0 54343 60 9 y 1 75r 2224 510 269 0 63146 15 10 y 2r 2227 150 269 0 66548 75 各截面轴向力N计算表 截面 编号 位置 cos cos 2 X kN 合计 N kN 0 0 19 779 77 1 150 965929 4411 63 2 300 866038 4616 72 3 450 707116 9123 43 4 600 500004 8930 94 5 750 258822 5336 34 6 y r 0038 58 7 y 1 25r 41 08 8 y 1 5rh 43 60 9 y 1 75r 46 15 10 y 2r 48 75 8 内力计算校核 1 拱顶截面转角总和应为零 即 2 0 0 s EJ Mds 上式积分可按辛普逊公式近似计算 108976 1 6425310 0 6 0 10 6 2 0 2 4 3 2 4 3 11 MMMMM s MMMMMMM s EJ dsMMds EJEJ Mds s 其中 M0 M1 M2 为各截面弯矩值 由弯矩值M计算表差得 0 s 为圆拱段 每相邻两截面间弧度长度 其值为 2878 0 2 1 1 6 1 26 1 6 0 0 m rs s 1 s 为直段每相邻两截面间长度 其值为 275 0 4 1 1 44 1 1 m ys s h 则 010416 0 2 0 5 s EJ Mds 2 按下式校核直墙顶点h的变位值 h 1 0 1 s h EJ dsMy 上式积分也可按辛普逊公式近似计算 10 110 8 18 9 19 7 17 6 16 1 0 1 2 4 3 1 1 yMyMyMyMyM s EJEJ dsMy s h 其中 10 1 9 1 8 1 7 1 6 1 yyyyy 为各截面至最大拉力点的垂直距离 其值分别为 1 1 825 075 0 55 0 5 0 275 025 0 0 10 1 9 1 8 1 7 1 6 1 hhhh yymyymyymyyy 其余符号意义同前 则 103657 0 5 0 1 1 m EJ dsMy s h 愿计算的变位值为 5 5 10354 0 105 77 1 k h h 误差为 032 0 3654 0 354 0 3657 0 9 各截面应力计算 衬砌截面边缘应力列于下表 截面 编号 弯矩 M轴向力 N偏心矩 e6e dN F 外缘应力 外 内缘应力 内 04 559 770 4666 9924 4195 0 146 2 13 7211 630 2824 2329 1152 2 94 0 21 4816 720 0891 3441 897 6 14 0 3 1 423 43 0 060 0 9058 65 86111 3 4 3 8930 94 0 126 1 8977 4 68 9223 7 5 4 9536 34 0 136 2 0490 9 94 5276 3 6 3 7438 58 0 097 1 4696 5 43 9236 9 7 1 8641 08 0 045 0 68102 733 4172 0 80 8243 600 0190 29109 0140 177 9 92 9546 150 0640 96115 4226 24 6 105 0248 750 1031 56121 9310 2 66 4 1 弯矩符号以逆时针旋转为正 顺时针旋转为负 2 偏心距e为正时 表示轴向力偏向截面重心外侧 为负时 表示轴向力偏向 截面重心内侧 3 轴向力N及边缘应力均以压力为正 拉力为负 10 应力验算 由应力计算表结果知 各截面压应力值均远小于C15混凝土的允许压应力值 在拱顶内援及截面5 出现较大的拉应力值 而以拱顶内缘拉应力值为最大 其值为146 2 对于C15混凝土 边缘允许拉应力值为767 故原拟定的衬砌厚度 要减薄 如将衬砌厚度改为0 2m 仍采用原计算的M及N值 计算拱顶內缘拉 应力值为 65 633 6 2 0 55 4 2 0 77 9 2 2 mkN W M F N 内 上述拉应力小于允许值 满足要求 隧洞衬砌计算 不考虑岩石弹性抗力作用 一 基本数据 1 洞身衬砌截面形式及尺寸 洞身为等厚度衬砌的圆拱直墙式衬砌断面 顶拱为半圆形 洞底采用与侧墙 整体连接的平底板 各部位尺寸如下 洞身净宽B 1 8m 洞身净高H 2 05m 顶拱内半径r 0 9m 直墙高 yh 1 15m 衬砌厚度初步拟定为d 0 5m 地板厚度采用与顶拱及侧墙相同 2设计荷载 均布垂直山岩压力强度为q 20kN m2 均布侧向水平山岩压力强度e 5kN m2 不 考虑岩石弹性抗力 相应的摩擦力及内水压力作用 3衬砌材料 采用C15混凝土衬砌 混凝土弹性模量为E 220 105kN m2 混凝土单位容重 24kN m3 二 计算 1 计算基本结构 计算矢高 f H d 2 2 05 0 5 2 2 3m 计算拱跨 l B d 1 8 0 5 2 3m 顶拱计算半径 r r d 2 0 9 0 5 2 1 15m 计算矢高与顶拱计算半径的比值m f r 2 3 1 15 2 2刚臂长度c计算 c Acr 根据m 2查表得Ac 0 则 c 0 1 15 0 926 m 3形常数计算 EJ EJEJ r A 956 2 15 1 5707963 2 1111 EJ EJEJ r A 554 1 15 1 0214853 1 33 1122 4 载常数计算 各载常数按不同荷载分别作用叠加求得 因本计算的比值m 2与上节相同 因 此除矩形侧向山岩压力的计算系数另查表取外 其余各系数均直接引用上节的 各计算系数值 1 垂直山岩压力作用 EJ EJEJ qr A EJ EJEJ qr A qp qp 99 8 15 1 20 2569565 0 23 10 15 1 20 8926991 0 44 22 33 11 2 衬砌自重作用 EJ EJEJ gr A EJ EJEJ gr A mNmkNdg gp gp 46 6 15 1 12 3017932 25 18 15 1 12 0 1 k24 125 024 44 22 33 11 22 混凝土容重采用衬砌自重 3 矩形水平山岩压力作用 EJ EJEJ er A EJ EJEJ er A ep e 46 6 15 1 5 9279444 0 23 10 15 1 5 3447639 1 44 22 33 1p1 4 载常数总和 EJ EJ EJ EJ p p 51 2306 8 46 6 99 8 1 63 5523 1025 1815 27 1 2 1 5 多余未知力X1及X2计算 13 15 554 1 51 23 82 18 956 2 63 55 22 p2 2 11 p1 1 mkNX mkNX 6 各截面弯矩值计算 各截面弯矩值按下式计算 21p cyXXMM 其中 y为各截面对以拱顶O为坐标原点的纵坐标 Mp为各种外荷载作用下的 弯矩 其值根据各种荷载值查表数据分别计算后叠加求得 其乘数值按已知荷 载值计算如下 61 615 1 5 87 1515 112 45 2615 120 22 22 22 er gr qr 圆拱段各截面 cos224 0 926 0 cos15 1 cos cos rrcrrcy rry 直墙段各截面 y c y 0 926 各截面Mp及M值计算分别列于下表 各截面Mp计算表 各截面弯矩M计算表 截 面 编 号 位置 cos y C 拱 y C 直墙 X2 y C X2 y C 合计 M 0 01 0 926 14 014 81 1 150 96592 0 887 13 423 98 2 300 86603 0 772 11 681 74 3 450 70711 0 589 8 91 1 15 4 600 50000 0 351 5 31 3 68 5 750 25882 0 074 1 12 4 76 6 y r 00 2240 2243 39 3 38 7 y 1 25r 0 5127 75 0 88 8 y 1 5rh 0 79912 091 18 9 y 1 75r 1 08716 452 86 10 y 2r 1 37420 797 10 7 各截面轴向力计算 各截面轴向力按下式计算 截面 编号 位置 山岩垂直压 力作用 kN m 衬砌自重 作用 kN m 矩形侧向山 岩压力作用 kN m 合计 MP kN m 0 00000 1 15 0 89 0 53 0 0038 1 42 2 30 3 31 2 03 0 058 5 40 3 456 61 4 17 0 28 11 06 4 60 9 92 6 44 0 83 17 19 5 75 12 34 8 30 1 82 22 46 6 y r 13 23 9 06 3 30 25 59 7 y 1 25r 13 23 9 06 5 16 27 45 8 y 1 5r 13 23 9 06 7 44 29 73 9 y 1 75r 13 23 9 06 10 12 32 41 10 y 2r 13 23 9 06 13 22 32 51 cos 2 XNN p 其中 Np为各种外荷载作用下的轴向力 其值根据查表分别计算后叠加求得 表中各乘数值按已知荷载值计算如下 75 5 15 1 5 8 1315 1 12 2315 1 20 er gr qr 各截面Np及N值计算如下表 各截面Np计算表 截面 编号 位置 山岩垂直压 力作 kN 衬砌自重 作用 kN 矩形侧向山岩 压力作用 kN 合计 NP kN 0 00000 1 151 540 94 0 192 29 2 305 753 61 0 678 69 3 4511 57 66 1 1917 97 4 6017 2514 33 1 4430 14 5 7521 4617 45 1 1037 81 6 y r 2321 68044 68 7 y 1 25r 2325 13048 13 8 y 1 5r 2328 58051 58 9 y 1 75r 2332 03055 03 10 y 2r 2335 48058 48 各截面轴向力N计算表 截面 编号 位置 cos cos 2 X kN 合计 N kN 0 0 115 1315 13 1 150 9659214 6316 92 2 300 8660313 1021 79 3 450 7071110 7028 67 4 600 500007 5737 71 5 750 258823 9241 73 6 y r 0044 68 7 y 1 25r 48 13 8 y 1 5rh 51 58 9 y 1 75r 55 03 10 y 2r 58 48 8 内力计算校核 拱顶截面转角总和应为零 即 2 0 0 s EJ Mds 上式积分可按辛普逊公式近似计算 108976 1 6425310 0 6 0 10 6 2 0 2 4 3 2 4 3 11 MMMMM s MMMMMMM s EJ dsMMds EJEJ Mds s 其中 M0 M1 M2 为各截面弯矩值 由弯矩值M计算表差得 0 s 为圆拱段 每相邻两截面间弧度长度 其值为 301 0 2 15 1 6 1 26 1 6 0 0 m rs s 1 s 为直段每相邻两截面间长度 其值为 289 0 4 15 1 44 1 1 m ys s h 则 0 688 0 1 0 1 EJEJ dsMy s 上述验算表明各截面弯矩计算无误 9 各截面应力计算 衬砌截面边缘应力列于下表 截面 编号 弯矩 M轴向力 N偏心矩 e6e dN F 外缘应力 外 内缘应力 内 04 8115 130 3183 8130 26195 0 85 0 13 9816 920 2352 8233 84129 3 61 5 21 7421 790 0520 6343 5871 016 1 3 1 1528 67 0 040 0 4857 3429 884 9 4 3 6837 71 0 030 0 3675 4248 3102 57 5 4 7641 73 0 114 1 3783 46 30 9197 8 6 3 3844 68 0 076 0 9189 368 0170 7 7 0 8848 13 0 018 0 2296 2675 1117 4 81 1851 580 0230 28103 16132 074 3 92 8655 030 0520 62110 06178 341 8 107 1058 480 1211 45116 96286 6 52 6 1 弯矩符号以逆时针旋转为正 顺时针旋转为负 2 偏心距e为正时 表示轴向力偏向截面重心外侧 为负时 表示轴向力偏 向截面重心内侧 3 轴向力N及边缘应力均以压力为正 拉力为负 10 应力验算 由应力计算表结果知 各截面压应力值均远小于C15混凝土的允许压应力值 最大拉应力值出现在拱顶截面內缘 其值为85 0 对于C15混凝土 边缘允许拉 应力值为767 故原拟定的衬砌厚度要减薄 如将衬砌厚度改为0 3m 仍采用 原计算的M及N值 计算拱顶內缘拉应力值为 24 680 6 3 0 81 10 3 0 13 15 2 2 mkN W M F N 内 上述拉应力小于允许值 满足要求 结论 本隧洞采用衬砌厚度为 m 钢筋混凝土衬砌计算 一 基本数据 洞身净宽B 1 8m 洞身净高H 2 05m 顶拱内半径r 0 9m 直墙高 yh 1 15m 钢筋衬砌厚度初步拟定为d 0 5m 受拉钢筋截面重心至受拉区边缘距离 s a 及受 压钢筋截面重心至受拉区边缘距离as 均采用为4cm 钢筋采用热轧 级钢筋 相应混凝土采用强度等级为C20 按衬砌 不计弹性抗力 计算方法 不考虑拱座转角影响时 计算所得截 面O 拱顶截面 截面5 截面10三个控制面的弯矩 轴向力及偏心距列于下 表 截面编号 0 0 5 75 10 y r yh 弯矩 M 2 66 2 860 69 轴向力 N 11 3828 8536 93 偏心距 e0 0 2337 0 09910 0187 2 截面O 拱顶截面 承载能力极限状态计算 由上表所示的偏心距e值可以看出 对于无压隧洞钢筋混凝土衬砌结构的控制 截面 一般为大偏心受压构件 计算单宽b 1000mm 有效截高h0 h as 250 40 210mm 37 4 15 1 2 25 0 9 0 14 3mS 根据规范其相应之 mSl573 1 37 4 36 0 36 0 0 则 53 91 113802 1 2501000105 0 1 按规范 1