隧洞参数计算表.docx
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隧洞参数计算表.docx
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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
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
3/8
洞内水深
nQ(21m2)2/3
(m)5/3i1/2
当为水力最佳断面时m=0,β=2计算得h=0.98m计算特性流量
计算比值
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:
ω=bh=0.98x2=1.96(m2)
R=ω/x=bh/(b+2h)=0.49(m)
C1R1/610.491/659.19
n0.015
QCRi1.9659.190.490.0012.572.6m3/s
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+衬砌自重一.山岩压力
(一)基本数据:
根据资料围岩属于Ⅳ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:
B2Htg(452)2.422.6tg15
h21.26(m)
2f21.5计算均布的垂直山岩压力强度q为:
q=0.7h=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=0.7htg2(45。
-/2)=1.46kN/m2
2。
2e2=(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:
2
Q=0.358B=0.358*23*2.4=19.76kN/m2均布的侧向水平山岩压力强度为:
2
e=0.062H=0.062*23*2.6=3.71kN/m2
隧洞衬砌计算(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=2.0m;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
3=24kN/m3
二)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=0.8055077,则
c=0.8055077*1.1=0.886(m)
3形常数计算
r2
1Ah1
3
rr
11A11EJ,22A22EJ,h1Ah1EJ,h2Ah2EJEJEJEJEJ
根据m=2查表得:
A11=2.5707963.A22=1.0214853,Ah1=0.5,Ah2=0.4305794抗弯刚度:
EJ=E*bd3/12=220*220*105*1*0.43/12=1.17*10-5(kN.m2)计算得δ11=2.42*10-5(kN.m)-1
-5
δ22=1.16*10-5(m/kN)
δh1=0.52*10-5(kN-1)
δh2=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
34
1pA1qEJ;2pA2qEJ;hp
根据m=2查表得
A1q0.8926991,A2q0.2569565,A3q0.25
则:
201.135
1p0.8926991520.31105
1p1.17105
201.145
2p0.256956556.43105(m)
1.17105
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:
344
1pA1EhJr;2pA2EhJr;hpAhEhJr
其中:
h为弹性抗力图中最大抗力值,其值为hkh,根据m=2查表得
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:
1pA1hr3;2pA2hr4;hp
1pA1EJ;2pA2EJ;hp
其中:
为摩擦系数,采用=0.3,根据m=2查表得
A10.1022590;A20.0795999;Ah0.0603215
则:
5)载常数总和:
555555
1p20.3110510.921050.384105h0.0349105h31.231050.4189105h
2p6.341053.631050.691105h0.0226105h10.061050.72090.0226105h(m)
555555hp6.26103.43100.42210h0.022610h9.6910h0.44610h(m)
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:
最大抗力点h的变位值按下式计算得:
hhpX1h1X2h2
9.691050.446105h0.52105(12.90.1731h)0.49105(8.670.6215h)1.26631050.51453105h
弹性抗礼图中最大h值为:
hkh5105(1.26631050.51453105h)6.33152.57265h
2
解得:
h1.77(kN/m2)
则:
X113.21(kN.m);X29.77(kN.m)
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:
MMpX1X2(yc)
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:
22
qr2201.1224.222
gr29.61.1211.62
22
hr21.771.122.14
hr20.31.771.120.64圆拱段各截面:
yrrcos
ycrrcosc1.1rcos0.8860.214rcos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
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
=0
0
0
0
1
=15
-0.81
-0.39
-1.20
2
=30
-3.02
5
-1.485
-4.51
3
=45
-6.05
-3.05
-9.10
4
=60
-9.07
5
-4.73
-0.013
-0.0025
-13.82
5
=75
-11.2
9
-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
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)
X(2y-C)
合计M
0
=0
1
-0.886
-8.66
4.55
1
=15
0.96592
-0.849
-8.29
3.72
2
=30
0.86603
-0.739
-7.22
1.48
3
=45
0.70711
-0.564
-5.51
-1.4
4
=60
0.50000
-0.336
-3.28
-3.89
5
=75
0.25882
-0.071
-0.69
-4.95
6
y=r
0
0.214
0.214
2.09
-3.74
7
y=1.25r
0.489
4.78
-1.86
8
y=1.5rh
0.764
7.46
0.82
9
y=1.75r
1.039
10.15
2.95
10
y=2r
1.314
12.84
5.02
7.各截面轴向力计算
各轴向力按下式计算:
NNpX2cos
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:
qr201.122
gr9.61.110.56
hr1.771.11.947
hr0.31.771.10.584
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
=0
0
0
0
1
=15
1.47
0.72
2.19
2
=30
5.5
2.76
8.26
3
=45
11
5.86
0
0
16.86
4
=60
16.5
9.58
0.011
-0.039
26.25
5
=75
20.52
13.35
0.087
-0.143
33.81
6
y=r
22
16.59
0.269
-0.275
38.58
7
y=1.25r
22
19.23
0.269
-0.418
41.08
8
y=1.5r
22
21.87
0.269
-0.543
43.60
9
y=1.75r
22
24.51
0.269
-0.631
46.15
10
y=2r
22
27.15
0.269
-0.665
48.75
各截
面轴向力N计算表
截面
编号
位置
cos
X2cos
(kN)
合计N
(kN)
0
=0
1
9.77
9.77
1
=15
0.96592
9.44
11.63
2
=30
0.86603
8.46
16.72
3
=45
0.70711
6.91
23.43
4
=60
0.50000
4.89
30.94
5
=75
0.25882
2.53
36.34
6
y=r
0
0
38.58
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s/2Mds
0
0EJ
s1为直段每相邻两截面间长度,其值为:
s1s1yh1.10.275(m)
444
则:
s/2
0MEdJs0.4161050
2)按下式校核直墙顶点h的变位值
s1
My1ds
0EJ
上式积分也可按辛普逊公式近似计算:
其中y1(6),y1(7),y1(8),y1(9),y1(10)为各截面至最大拉力点的垂直距离,其值分别为:
y1(6)0,y1(7)0.25yh0.275(m),y1(8)0.5yh0.55(m),y1(9)0.75yh0.825(m),y1(10)yh1.1
其余符号意义同前。
则:
s1
hMy1ds0.3657105(m)
0EJ
愿计算的变位值为:
h1.775h50.35410k5105
误差为:
0.36570.354
0.3654
0.032
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e
6e/d
N/F
外缘应力σ外
内缘应力σ内
0
4.55
9.77
0.466
6.99
24.4
195.0
-146.2
1
3.72
11.63
0.282
4.23
29.1
152.2
-94.0
2
1.48
16.72
0.089
1.34
41.8
97.6
-14.0
3
-1.4
23.43
-0.060
-0.90
58.6
5.86
111.3
4
-3.89
30.94
-0.126
-1.89
77.4
-68.9
223.7
5
-4.95
36.34
-0.136
-2.04
90.9
-94.5
276.3
6
-3.74
38.58
-0.097
-1.46
96.5
-43.9
236.9
7
-1.86
41.08
-0.045
-0.68
102.7
33.4
172.0
8
0.82
43.60
0.019
0.29
109.0
140.1
77.9
9
2.95
46.15
0.064
0.96
115.4
226.2
4.6
10
5.02
48.75
0.103
1.56
121.9
310.2
-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:
N
M
9.77
4.552
内
2633.65(kN/m2)
内F
W
0.2
0.22
6
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
3
=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=0.8055077,则c=0.8055077*1.15=0.926(m)
3形常数计算
r1.15
11A112.57079632.956/EJ
1111EJEJ
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:
33
qr3201.153
1pA1q0.892699110.23/EJ
1p1qEJEJ
qr4201.154
2pA2q0.25695658.99/EJ
2p2qEJEJ
2)衬砌自重作用
衬砌自重:
gd240.512(kN/m2),混凝土容重采用24kN/m2
gr3121.153
1pA1g1.018.25/EJ
1p1gEJEJ44
gr4121.154
2pA2g.30179326.46/EJ
2p2gEJEJ
(3)矩形水平山岩压力作用:
er351.153
1pA1e1.344763910.23/EJ
1p1eEJEJ
er451.154
2pA2e0.92794446.46/EJ
2p2eEJEJ
(4)载常数总和:
1p
27.1518.2510.23)55.63/EJEJ
1
2pE1J(8.996.468.06)23.51/EJ
5.
多余未知力X1及X2计算:
6.各截面弯矩值计算
各截面弯矩值按下式计算:
MMpX1X2(yc)
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:
22
qr2201.15226.45
gr2121.15215.87
er251.1526.61圆拱段各截面:
yrrcos
ycrrcosc1.15rcos0.9260.224rcos
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
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
=0
0
0
0
0
1
=15
-0.89
-0.53
-0.0038
-1.42
2
=30
-3.31
-2.03
-0.058
-5.40
3
=45
6.61
-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
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)
X(2y-C)
合计M
0
=0
1
-0.926
-14.01
4.81
1
=15
0.96592
-0.887
-13.42
3.98
2
=30
0.86603
-0.772
-11.68
1.74
3
=45
0.70711
-0.589
-8.91
-1.15
4
=60
0.50000
-0.351
-5.31
-3.68
5
=75
0.25882
-0.074
-1.12
-4.76
6
y=r
0
0.224
0.224
3.39
-3.38
7
y=1.25r
0.512
7.75
-0.88
8
y=1.5rh
0.799
12.09
1.18
9
y=1.75r
1.087
16.45
2.86
10
y=2r
1.374
20.79
7.10
7.各截面轴向力计算
各截面轴向力按下式计算:
NNpX2cos
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:
qr201.1523gr121.1513.8er51.155.75
各截面Np及N值计算如下表
各截面Np计算表
截面
位置
山岩垂直压
衬砌自重
矩形侧向山岩
合计NP
编号
力作(kN)
作用(kN)
压力作用(kN)
(kN)
0
=0
0
0
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