地下工程课程设计

《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 32.1基本设计资料 32.2设计要求 42.3参考资料 42、计算工况 52.1参数 52.2围岩压力 52.3拟定二次衬砌截面尺寸 53、衬砌结构内力 64、衬砌结构配筋 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8.8m，内净空宽度为11m，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=20~60m。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=29.5GPa，泊松比μc=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Ⅴ级，平均γ=18~20kN/m3，平均黏聚力c=30~60kPa，内摩擦角φ=20~30°，泊松比为0.33~0.37，变形模量E为15~30MPa。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(JTGD70-2004)；（2）《公路隧道设计细则》JTGTD70—2010。2、计算工况2.1参数围岩性质：围岩级别V级，平均重度γ=18kN/m3，平均粘聚力c=50kPa，内摩擦角ϕ=20°，泊松比μ=0.35，变形模量E=25Mpa，地表至隧道内净空顶部H=50m。宽度影响系数：w坍落拱高度：hHH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侧向压力：ee2.3拟定二次衬砌截面尺寸 参考《公路隧道设计细则》JTGTD70—2010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50cm。 二次衬砌采用C25钢筋混凝土，弹性模量Ec=29.5Gpa，泊松比μc=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,TunnelSupportStructuralAnalysis!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,1,0.50,0.50*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,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4lsel,s,line,,2,5,3LESIZE,all,,,1lsel,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, 101355000, -0.2987 , -0.9544psprng, 3 ,tran, 113760000, -0.2255 , -0.9742psprng, 4 ,tran, 113760000, -0.1511 , -0.9885psprng, 5 ,tran, 113760000, -0.0757 , -0.9971psprng, 6 ,tran, 113760000, 0.0000 , -1.0000psprng, 7 ,tran, 113760000, 0.0757 , -0.9971psprng, 8 ,tran, 113760000, 0.1511 , -0.9885psprng, 9 ,tran, 113760000, 0.2255 , -0.9742psprng, 2 ,tran, 98075000, 0.2987 , -0.9544psprng, 10 ,tran, 107200000, 0.9309 , -0.3652psprng, 12 ,tran, 107200000, 0.9840 , -0.1782psprng, 13 ,tran, 107200000, 0.9999 , 0.0155psprng, 14 ,tran, 107200000, 0.9780 , 0.2087psprng, 15 ,tran, 107200000, 0.9192 , 0.3938psprng, 16 ,tran, 107200000, 0.8256 , 0.5643psprng, 17 ,tran, 107200000, 0.7009 , 0.7133psprng, 18 ,tran, 107200000, 0.5497 , 0.8354psprng, 19 ,tran, 107200000, 0.3777 , 0.9260psprng, 20 ,tran, 107200000, 0.1914 , 0.9815psprng, 11 ,tran, 107200000, 0.0000 , 1.0000psprng, 22 ,tran, 107200000, -0.1954 , 0.9807psprng, 23 ,tran, 107200000, -0.3815 , 0.9244psprng, 24 ,tran, 107200000, -0.5531 , 0.8332psprng, 25 ,tran, 107200000, -0.7038 , 0.7104psprng, 26 ,tran, 107200000, -0.8279 , 0.5608psprng, 27 ,tran, 107200000, -0.9208 , 0.3900psprng, 28 ,tran, 107200000, -0.9788 , 0.2046psprng, 29 ,tran, 107200000, -1.0000 , 0.0113psprng, 30 ,tran, 107200000, -0.9832 , -0.1823psprng, 21 ,tran, 98075000, -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$f,15,fy,-8.625E+04f,14,fx,-1.465E+05$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,1.291E+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allselsolve!进行求解!进入后处理器/POST1PLDISP,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,12ETABLE,ISHEAR,SMISC,2!制结构剪力表ETABLE,JSHEAR,SMISC,8ETABLE,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,BENDINGMOMENTdistributionPLLS,IMOMENT,JMOMENT,-0.8,1!绘制结构弯矩分布图/TITLE,SHEARforcedistributionPLLS,ISHEAR,JSHEAR,1,1