隧道工程课程设计计算书.docx
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隧道工程课程设计计算书
一设计依据2
二设计原始资料2
三隧道平纵面设计及结构计算2
3.1平面位置的确定2
3.2纵断面设计2
33横断面设计2
34二次衬砌结构计算3
3.4.1基本参数3
3.4.2荷载确定3
3.4.3计算位移3
3.4.4解力法方程12
3.4.5计算主动荷载和被动荷载分别产生的衬砌内力12
3.4.6最大抗力值的推求13
3.4.7计算衬砌总内力14
3.4.8衬砌截面强度检算15
3.4.9内力图16
李家坪隧道设计计算书
一设计依据
(1)中华人民共和国行业标准《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004),北京:
人民交通出版社,2004年.
(2)《公路隧道施工技术规范》(JTGF60-2009)北京:
人民交通出版社,2009年.
(3)中华人民共和国行业标准《公路工程技术标准》(JTGB01—2003)
(4)中华人民共和国行业标准《公路隧道勘测规程》(JTJ063—85)进行设计和计算。
二设计原始资料
(1)公路等级:
高速公路;
(2)设计车速:
80km/h;
(3)隧道平纵曲线半径和纵坡。
平纵曲线设计满足规范要求,洞口内外各有不小于3s行车速度行程长度范围内的平纵、线形保持一致。
(4)隧道结构设计标准
1设计使用期:
100年;
2设计安全等级:
一级;
3结构防水等级:
二级;
4区域地震基本烈度为毗度区,按区度抗震烈度进行设防。
(6)1:
10000的李家坪隧道区域地形图
三隧道平纵面设计及结构计算
3.1平面位置的确定
(见李家坪地形平面图)。
3.2.纵断面设计
做出推荐线路的纵断面图,见纵断面设计图T-1、T-2。
33横断面设计
(1)根据课程设计原始资料的要求,做出隧道的建筑界限及内轮廓线设计图见T-3。
(2)做出各级围岩衬砌结构图,见V级围岩衬砌结构设计图T-4。
3.4.二次衬砌结构计算
选取V级围岩复合式衬砌的二次衬砌作为典型衬砌,做结构计算。
3.4.1基本参数
(1)围岩级别:
V级
(2)围岩容重:
s18.5KN/m3
(3)围岩弹性抗力系数:
K1.5105kN/m3
(4)衬砌材料为C25混凝土,弹性模量Eh2.85107kPa,容重
h23kN/m3。
3.4.2荷载确定
(1)围岩垂直均布压力
按矿山法施工的隧道围岩荷载为:
qs=0.45X2s1=0.45X2s1[1+i(B-5)]
4
=0.45X2X18.5X[1+0.1X(12.64-5)]
2
=234.96kN/m
考虑到初期支护承担大部分围岩压力,而对二次衬砌一般作为安全储备,
故对围岩压力进行折减,对本隧道按30渐减,取为165kN/m2.
(2)围岩水平均布压力
e=0.4q=0.4X165=66kN/m
3.4.3计算位移
1.单位位移:
(所有尺寸见下图3-1)
q
TS二
辛=一
茨.竽一
e艮*
r-?
i!
jr.B曲
>
<
>
<
>
0
1
Q」
0
Q,
Ei
E;
Ei
图1二次衬砌结构计第图(尺寸单位:
cm)
半拱轴线长度s=11.36m
将半拱轴线长度等分为8段,贝Us=s/8=1.42m
s/Eh=0.4982X107mkPa1
计算衬砌的几何要素,拱部各截面与直轴之间的夹角和截面中心垂直坐标详
见下表3.1.
单位位移计算表表3.1
截面
(°)
sin
cos
△x
△y
d(m)
1/I
y/I(m3)
y2/I
2
(1y)/I
/4
(m)
2
(m)
2
(m)
0
0.00000
.0000
1.0000
0.0000
0.0000(
).5000
96.0000
0.0000
0.0000
96.0000
1
12.9238C
.2237
0.9747
1.4247
0.1614(
).5000
96.0000
15.4944
2.5008
129.4896
2
25.8477C
.4360
0.9000
2.7772
0.6373(
).5000
96.0000
61.1808
38.9905
257.3521
3
38.7715C
.6262
0.7796
3.9890
1.4036(
).5000
96.0000
134.7456
189.1289
554.6201
4
51.6953C
.7847
0.6198
4.9987
2.4216(
).5000
96.0000
232.4736
562.9581
1123.9053
5
64.6192C
.9035
0.4286
5.7552
3.6396(
).5000
96.0000
349.4016
1271.6821
2066.4853
6
77.5430C
.9765
0.2157
6.2200
4.9959(
).5000
96.0000
479.6064
2396.0656
3451.2784
7
90.33531
.0000-0.
0059
6.3698
6.4219(
).5000
96.0000
616.5024
3959.1168
5288.1216
8
90.00001
.0000
0.0000
6.2454
7.8518(
).5000
96.0000
753.7728
5918.4733
7522.0189
864.0000:
643.177614:
338.91602048
9.2712
注:
1.1—截面惯性矩,l=bd3/12,b取单位长度。
2.不考虑轴力影响。
单位位移值用新普生法近似计算,计算如下:
计算精度校核为:
1=0.4982X107X864.0000=4.3044X105I
ss
s
E
(1y)2
I
=0.4982X10
7X20489.2712=1.0207X10
闭合差=0
2.载位移一主动荷载在基本结构中引起的位移
(1)每一楔块上的作用力
竖向力:
Qi=qbi
侧向力:
i=ehi
自重力:
=di1i—
di
算式中:
bi——衬砌外缘相邻两截面之间的水平投影长度,图中量得;
hi衬砌外缘相邻两截面之间的垂直投影长度,图中量得;
di――为接缝i的衬砌截面厚度。
作用在各楔块上的力均列入下表3.2:
载位移计算表表3.2
截面
集中力
力臂
Qaq
Gag
Q
G
E
aq
ag
ae
0
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
1
251.7020
16.5232
11.4036
0.6844
0.7078
0.3275
172.2648
11.6951
2
238.9520
16.5232
33.6328
0.5838
0.6628
0.4723
139.5002
10.9516
3
214.0980
16.5232
54.1552
0.4731
0.5843
0.5931
101.2898
9.6545
4
178.3810
16.5232
71.9372
0.3403
0.4761
0.6839
60.7031
7.8667
5
133.7220
16.5232
86.0744
0.1672
0.3438
0.7401
22.3583
5.6807
6
82.1270
16.5232
95.8528
-0.0026
0.1942
0.7587
-0.2135
3.2088
7
26.4690
16.5232
100.7284
-0.1722
0.0374
0.7392
-4.5580
0.6180
8
0.0000
16.5232
97.1312
0.0000
-0.0912
0.7142
0.0000
-1.5069
(2)外荷载在基本结构中产生的内力
内力按下算式计算
弯矩:
皿匚0=皿幕-
Xi
i
(Q
1
G)
yiEQaqGagEa
i1
轴力:
NiP=sini
(Q
G)
cosi
E
ii
MiP,NiP的计算结果见下表3.3.表3.4:
Eae
(Q+G)
i1
E
i1
△X
△y
△x(Q+G)
i1
△yE
i1
M0p
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
3.7347
0.0000
0.0000
1.4247
0.1614
0.0000
0.0000
-187.6946
15.8848
268.2252
11.4036
1.3525
0.4759
362.7746
5.4270
-722.2327
32.1194
523.7004
45.0364
1.2118
0.7663
634.6201
34.5114
-1534.4280
49.1979
754.3216
99.1916
1.0097
1.0180
761.6385
100.9770
-2514.8112
63.7037
949.2258
171.1288
0.7565
1.2180
718.0893
208.4349
-3533.0780
72.7235
1099.4710
257.2032
0.4648
1.3563
511.0341
348.8447
-4468.6756
74.4584
1198.1212
353.0560
0.1498
1.4260
179.4786
503.4579
-5222.1305
69.3711
1241.1134
453.7844
-0.1244
1.4299
-154.3945
648.8663
-5784.4665
载位移计算表M°i,p表3.3
载位移计算表N°ip表3.4
截面
sin
cos
(Q+G)
i1
E
i1
sin(Q+G)
i1
cosE
i1
N0p
0
0.0000
1.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
1
0.2237
0.9747
268.2252
11.4036
59.9899
11.1147
48.8752
2
0.4360
0.9000
523.7004
45.0364
228.3232
40.5308
187.7924
3
0.6262
0.7796
754.3216
99.1916
472.3683
77.3347
395.0336
4
0.7847
0.6198
949.2258
171.1288
744.8817
106.0731
638.8087
5
0.9035
0.4286
1099.4710
257.2032
993.3489
110.2456
883.1033
6
0.9765
0.2157
1198.1212
353.0560
1169.9152
76.1566
1093.7586
7
1.0000
-0.0059
1241.1134
453.7844
1241.0921
-2.6556
1243.7477
8
1.0000
0.0000
1257.6366
550.9156
1257.6366
0.0000
1257.6366
(3)主动荷载位移
计算结果见表3.5:
主动荷载位移计算表表3.5
截面
M0p
1/I
y/1
M0p/I
M0p•y/I
M0p•(1+y)/I
0
0.0000
96.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
1
-187.6946
96.0000
15.4944
-18018.6863
-2908.2160
-20926.9022
2
-722.2327
96.0000
61.1808
-69334.3422
-44186.7763
-113521.1184
3
-1534.4280
96.0000
134.7456
-147305.0868
-206757.4199
-354062.5067
4
-2514.8112
96.0000
232.4736
-241421.8711
-584627.2030
-826049.0740
5
-3533.0780
96.0000
349.4016
-339175.4891
-1234463.1100
-1573638.5990
6
-4468.6756
96.0000
479.6064
-428992.8602
-2143205.4300
-2572198.2902
7
-5222.1305
96.0000
616.5024
-501324.5258
-3219455.9725
-3720780.4983
8
-5784.4665
96.0000
753.7728
-555308.7812
-4360173.4886
-4915482.2698
-2300881.6426
-11795777.616
-14096659.259
则:
sM1.MPsM0
1P=ds〜
1P0EhlEI
=-0.4982
X107X2300881.6426
=-0.1146
yM0
I
sMI.M0s
ds心
EhlE
=-0.4982
X107X11795777.616
=-0.5877
计算精度校核:
0.5614
2p=-0.1146-0.5877=-0.7023
y)Mp=-0.4982X107X14096659.259=-0.7023
I
闭合差:
=0
3.载位移——单位弹性抗力图及相应的摩擦力引起的位移
(1)各接缝处的弹性抗力强度
抗力上零点假设在接缝3处,3=38.7715=
最大抗力值假定在接缝6处,6=77.5430=
最大抗力值以上各截面抗力强度按下式计算:
22
COSbCOSi
i=[——]h
cosbcosh
2
cos38.7715cos「
[22]h
cos38.7715cos77.5430
2
0.6079cosi
[-]h
最大抗力值以下各截面抗力强度按下式计算:
'2
i=[1崔]h
'2
yh
式中:
y;—所考察截面外缘点到h点的垂直距离;
yh—墙脚外缘点到h点的垂直距离
由图中量得:
y7=1.4813m,y8=2.9097m
7=[1
1.48132
2]h
2.9097
=0.7408h
8=0
按比例将所求得的抗力绘在分块图上。
(2)各楔块上抗力集中力R;按下式近似计算
Ri=[4-]S外
2
式中:
Si外一楔块i外缘长度。
(3)抗力集中力与摩擦力之合力Ri按下式计算:
R=R;12
其中,为围岩与衬砌间的摩擦系数,取0.2,则Ri=1.0198Ri',其作用放
向与抗力集中力的夹角=arctan=11.3099.由于摩擦阻力的方向与衬砌位移
方向相反,其方向朝上。
将Ri的方向线延长,使之交于垂直轴,量取夹角k(自竖直轴反时针方向
量),将Ri分解为水平和竖向两个分力:
Rh=Risink
Rv=Ricosk
将以上结果列入表3.6中。
截面
(h)
(11+i)/2
(h)
Si外
R
(h)
k
sink
cosk
Rh
(h)
Rv
(h)
4
0.3985
0.1993
1.4932C
.303458
7904
0.8553
0.5182
0.2595(
).1572
5
0.7556
0.5771
1.49320
.878770
2235
0.9410
0.3384
0.8269(
).2973
6
1.0000
0.8778
1.49321
.336782
6996
0.9919
0.1271
1.3258(
).1699
7
0.7408
0.8704
1.49321
.325494
9465
0.9963
-0.0862
1.3205-
0.1143
8
0.0000
0.3704
1.43500
.542010
4.568
0.9678
-0.2515
0.5246-
0.1363
(4)计算单位抗力图及其相应的摩擦力在基本结构中产生的内力
弯矩:
M0=-Rs
轴力:
N0=siniRV-cosiRH
式中:
ki—力Ri至接缝中心点K的力臂。
计算结果见表3.7表3.8:
M0计算表表3.7
截面
R4=0.3034h
R5=0.8787h
Re=1.3367h
Rz=1.3254h
Rs=0.5420h
M0
(h)
5
R4「4i
(h)
r5i
R5「5i
(h)
r6i
R「6i
(h)
r7i
R7「7i
(h)
r&
Rs^i
(h)
4
0.5115
0.1552
-0.1552
5
1.9452
0.5902
0.6762
0.5942
-1.1844
6
3.3461
1.0152
2.1098
1.8539
0.7258
0.9702
-3.8393
7
4.6433
1.4088
3.5024
3.0776
2.1592
2.8862
0.8007
1.0612
-8.4338
8
5.8018
1.7603
4.8058
4.2229
3.5616
4.7608
2.236
2.9636
1.023
0.5545
-14.2620
截面
()
sin
cos
Rv
(h)
sinRV
(h)
Rh
(h)
cosRh
(h)
N0
(h)
4
51.6953
0.7847
0.6198
0.1572
0.1234
0.2595
0.1608
-0.0375
5
64.6192
0.9035
0.4286
0.4545
0.4107
1.0864
0.4657
-0.0550
6
77.5430
0.9765
0.2157
0.6244
0.6097
2.4122
0.5203
0.0894
7
90.3353
1.0000
-0.0059
0.5101
0.5101
3.7327
-0.0218
0.5319
8
90.0000
1.0000
0.0000
0.3738
0.3738
4.2573
0.0000
0.3738
0
Ni计算表表3.8
(5)单位抗力及相应摩擦力产生的载位移,计算见表3.9:
截面
M0(h)
1/I
y/I
M0/I
M0y/I
M0(1+y)/|
4
-0.1552
96.0000
232.4736
-14.8982
-36.0774
-50.9755
5
-1.1844
96.0000
349.4016
-113.6977
-413.8140
-527.5117
6
-3.8393
96.0000
479.6064
-368.5694
-1841.3360
-2209.9054
7
-8.4338
96.0000
616.5024
-809.6435
-5199.4496
-6009.0931
8
-14.2620
96.0000
753.7728
-1369.1495
-10750.2878
-12119.4373
-2675.9582
-18240.9648
-20916.9231
单位抗力及相应摩擦力产生的载位移计算表
表3.9
1
=-0.4982
X10
7X2675.9582
X10
=-1.3332
s3ds
20Ehl
校核为:
1一+2
(1.3332+9.0876)
104=-1.0421X103
(1y)M
I
=-0.4982
X107X20916.9231=-1.0421
X10
闭合差:
=0
4.墙底(弹性地基上的刚性梁)
5.
a20
2p
f:
-)h29.64240.072566h
单位弯矩作用下的转角:
主动荷载作用下的转角:
0)P=M8)P~=-5784.4665X64X105=-3.7021
单位抗力及相应摩擦力作用下的转角:
:
-=MS~=-14.2620X64X105=-°.0091
3.4.4解力法方程
衬砌计算矢高f=y8=7.8518(m)
计算力法方程的系数:
以上将单位抗力图及相应摩擦力产生的位移乘以h倍,即被动荷载的载位
移。
求解方程:
X1
a22a10a12a20
2
a12aana22
462.67242.659h
式中:
X1p462.6724,X厂
2.659
678.8164
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