地下工程课程设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上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2015 年 12 月目录1、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，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

2、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

3、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、计算工况2.1参数围岩性质：围岩级别V级，平均重度 = 18 kN/m3，平均粘聚力c = 50 kPa，内摩擦角 = 20，泊松比=0.35，变形模量E = 25 Mpa，地表至隧道内净空顶部H=50m。宽度影响系

4、数：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故隧道为深埋，采用普氏理论计算围岩压力。2.2围岩压力洞顶竖向压力：q=hq=18 kN/m311.52 m=207.36 kN/m2 侧向压力：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50 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、衬砌结构内力利用ANSYS软件，采用弹性地基梁模型计算衬砌结构的内力，计算流程如图3.1所示。图3.1 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

6、!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,1,0.50,0.50*0.50*0.50/12,0.50, !衬砌面积,惯性矩,厚度 !(2)建立几何模型!创建隧道衬砌支护关键点!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

7、,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!(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4

8、lsel,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,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

12、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,-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!进入求解器allsel 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

15、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,12ETABLE,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,

16、 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

17、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计算结果如图3.2所示（1）衬砌结构弯矩图（2）衬砌结构轴力图图3.24、衬砌结构配筋由于整个衬砌结构的顶部有较大的负弯矩，而两侧有较大的正弯矩，并且两者的绝对值差不多大，为了方便施工，衬砌结构采用对称配筋。观察图3.2可以发现，截面11、27、15处是衬砌结构的危险截面，其中截面27和截面15的等效，因此，只验算截面11和截面15。C25混凝土，HRB335钢筋，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)对受压钢筋取矩As=N(ei-h2+as)fy(h0-as)=8.24105(357-5002+40)300(460-40)=961 mm2(2)不考虑受压钢筋，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轴心抗压验算：=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.