地下工程课程设计

1、地下工程课程设计 新奥法隧道二次衬砌结构设计 姓 名班 级学 号指导老师华 中 科 技 大 学 土 木 工 程 与 力 学 学 院目录1、设计任务书31.1 基本设计资料31.2 设计要求41.3 参考资料42、确定具体计算工况52.1指标52.2计算围岩压力52.3拟定二次衬砌截面尺寸53、计算二次衬砌内力64、衬砌结构配筋设计121设计任务书1.1 基本设计资料（1）工程概况某三心圆带仰拱隧道，隧道内净空的高度为8.8 m，内净空宽度为11 m，建筑限界和内净空的横断面形状和尺寸如图2-1所示，地表至隧道内净空顶部H=20 60 m。拟采用新奥法复合式支护结构，二次衬砌采用C25钢筋混凝土

2、，混凝土弹性模量Ec=29.5 GPa，泊松比c=0.2，钢筋采用HRB335，钢筋抗拉强度标准值为340MPa。（2）围岩性质假设隧道所在土体为黏性土，围岩级别为级，平均=1820 kN/m3，平均黏聚力c =3060kPa，内摩擦角=2030，泊松比为0.330.37，变形模量E为1530MPa。图1-10 衬砌横断面尺寸（单位：cm）1.2 设计要求（1）确定具体计算工况，包括选定隧道埋深、土体黏聚力、内摩擦角、变形模量等指标。（各位同学之间不得雷同）。（2）根据经验，初步拟定二次衬砌截面尺寸。（3）确定隧道埋深条件（深埋或浅埋），并计算围岩压力。深埋隧道采用普氏理论进行计算，浅埋隧道采

3、用岩柱理论或太沙基松动理论进行计算，超浅埋隧道采用土柱理论进行计算。（4）采用荷载-结构模型(假定抗力计算模型或弹性地基梁计算模式)计算二次衬砌内力，计算中只考虑围岩压力和二次衬砌结构自重，直接按照标准值进行组合，无需考虑荷载组合分项系数。（5）验算截面承载力，优化截面尺寸，并进行配筋设计。验算中，只需进行正截面抗拉、抗压、抗弯验算，无需进行正截面和斜截面抗剪验算、裂缝验算、变形验算等。（6）编写设计计算书。1.3 参考资料（1）公路隧道设计规范(JTG D70-2004)；（2）公路隧道设计细则JTGTD702010。2确定具体计算工况2.1指标围岩性质：围岩级别V级，平均重度 = 18 k

4、N/m3，平均粘聚力c = 60 kPa，内摩擦角 =25，泊松比=0.35，变形模量E = 30 Mpa，地表至隧道内净空顶部H=40m。宽度影响系数：坍落拱高度：故隧道为深埋，采用普氏理论计算围岩压力。2.2计算围岩压力洞顶竖向压力：侧向压力：2.3拟定二次衬砌截面尺寸参考公路隧道设计细则JTGTD702010的表13.2.3 整体式衬砌设计参数，初步拟定二次衬砌截面厚度为60 cm。二次衬砌采用C25钢筋混凝土，弹性模量Ec=29.5Gpa，泊松比c=0.2，钢筋采用HRB335，钢筋抗拉强度标准值为340MPa。3计算二次衬砌内力利用ANSYS软件，采用弹性地基梁模型计算衬砌结构的内力

5、，计算流程如下图所示。 衬砌结构内力计算流程图编程命令流：!(1)创建物理环境fini/clear /TITLE,Tunnel Support Structural Analysis !进入前处理器/PREP7 !定义单元ET,1,BEAM3 !定义梁单元ET,2,COMBIN14 !定义弹簧单元!定义材料属性MP,EX,1,2.95E10 !混凝土衬砌弹性模量 MP,PRXY,1,0.2 !凝土衬砌泊松比 MP,DENS,1,2500 !混凝土衬砌密度! 定义实常数R,1,0.60,0.60*0.60*0.60/12,0.60, !衬砌面积,惯性矩,厚度 !(2)建立几何模型!创建隧道衬砌支

6、护关键点!定义曲率中心点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,5,-4.4811,-2.615, !由节点坐标生成关键点K,6,4.4811,-2.615, K,7,5.1118,-2.0297, K,8,0,5.5,K,9,-5.1118,-2.0297, !创建隧道衬砌支护线LARC,5,6,1,15 !由2个端点及曲率中心加半径生成弧线LARC,6,7,2,1LARC,7,8,3,5.5LARC,8,9,3,5.5LARC,9,5,4,1

7、!(3)划分网格，生成隧道衬砌支护单元lsel,s,line,1,5,1 !选择线L1-L5LATT,1,1,1 !给所选的线赋予材料特性lsel,s,line,1LESIZE,all,8 !设置网格划分份数为4lsel,s,line,2,5,3LESIZE,all,1 lsel,s,line,3,4,1LESIZE,all,10, lsel,allLmesh,all !线网格划分，生成支护单元!(4)添加弹簧单元/PNUM,NODE,1 !打开节点号开关 !生成30根弹簧单元!弹簧节点号，弹簧刚度，弹簧相对位置psprng,1,tran,-0.2987 ,-0.9544 psprng,3,t

8、ran,-0.2255,-0.9742 psprng,4,tran,-0.1511 ,-0.9885 psprng,5,tran,-0.0757 ,-0.9971 psprng,6,tran,0.0000 ,-1.0000 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

9、,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 ,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

10、,23,tran,-0.3815 ,0.9244 psprng,24,tran,-0.5531 ,0.8332 psprng,25,tran,-0.7038 ,0.7104 psprng,26,tran,-0.8279 ,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

11、)施加约束和荷载/SOL!施加约束NSEL,S,NODE,31,60,1 !选择隧道支护线上所有节点d,all,uy,0 !对所选择节点约束X方向位移d,all,ux,0 !对所选择节点约束Y方向位移!施加重力加速度allselACEL,acely,0,9.8,0, !施加围岩压力allself,11,fx, 0 $ f,11,fy, -2.209E+05f,20,fx,-1.768E+04 $ f,20,fy, -2.167E+05f,19,fx,-3.559E+04 $ f,19,fy, -2.044E+05f,18,fx,-5.381E+04 $ f,18,fy, -1.842E+05f

12、,17,fx,-7.215E+04 $ f,17,fy, -1.571E+05f,16,fx,-9.013E+04 $ f,16,fy, -1.240E+05f,15,fx,-1.069E+04 $ f,15,fy, -8.625E+04f,14,fx,-1.213E+04 $ f,14,fy, -4.522E+04f,13,fx,-1.320E+05 $ f,13,fy, -1.204E+04f,22,fx,1.768E+04 $ f,22,fy, -2.167E+05f,23,fx,3.559E+04 $ f,23,fy, -2.044E+05f,24,fx,5.381E+04 $ f,2

13、4,fy, -1.842E+05f,25,fx,7.215E+04 $ f,25,fy, -1.571E+05f,26,fx,9.013E+04 $ f,26,fy, -1.240E+05f,27,fx,1.069E+04 $ f,27,fy, -8.625E+04f,28,fx,1.213E+04 $ f,28,fy, -4.522E+04f,29,fx,1.320E+05 $ f,29,fy, -1.204E+04f,12,fx,-1.378E+05f,10,fx,-6.965E+04f,30,fx,1.378E+05f,21,fx,6.965E+04!(7)求解分析修改模型!进入求解器a

14、llsel solve !进行求解!进入后处理器/POST1 PLDISP,1 !绘制结构变形图!定义单元表etable,str1,NMISC,1esel,s,31,60pretab,str1FINISH !进入前处理器删除受拉弹簧单元/PREP7*do,i,42,58,1EDELE,indele,i*enddoallselfini/solusolve !进行求解!(8)绘制最终结构变形图/POST1 !进入后处理器PLDISP,1 !绘制最终结构变形图!(9)制节点弯矩、剪力、轴力表ETABLE,IMOMENT,SMISC, 6 !制结构弯矩表ETABLE,JMOMENT,SMISC,12E

15、TABLE,ISHEAR,SMISC, 2 !制结构剪力表ETABLE,JSHEAR,SMISC, 8 ETABLE,ZHOULI-I,SMISC, 1 !制结构轴力表ETABLE,ZHOULI-J,SMISC, 7 !(10)设置弯矩、剪力、轴力标题并绘制出分布图/TITLE,BENDING MOMENT distribution PLLS,IMOMENT,JMOMENT,-0.8,1 !绘制结构弯矩分布图/TITLE,SHEAR force distribution PLLS,ISHEAR,JSHEAR,1,1 !绘制剪力分布图/TITLE,ZHOULI force distribution PLLS,ZHOULI-I,ZHOULI-J,-0.6,1 !绘制轴力分布图!(11)列出节点位移PRNSOL,U,COMP !显示所有节点总位移矢量PRNSOL,ROT,COMP !显示所有节点总旋转位移矢量!(12)列表显示结构的弯矩、剪力、轴力PRETAB,IMOMENT,JMOMENT,ISHEAR,JSHEAR,ZHOULI-I,ZHOULI-J !(13)完成分析退出ANSYSFINISH /EXIT计算结果如下图所示。（1）衬砌结构弯矩图（2）衬砌结构轴力图4