隧道工程課程設(shè)計過程(096劉國)

1、一：隧道斷面擬定- 2-二：荷載確定- 4 -三、襯砌幾何要素- 5 -四、計算位移- 7 -五、解力法方程- 16 -六、計算主動荷載和被動荷載（）分別產(chǎn)生的襯砌內(nèi)力- 17 -七、最大抗力值的求解- 18 -八、計算襯砌總內(nèi)力- 19 -九、襯砌截面強(qiáng)度檢算- 20 -十、內(nèi)力圖- 21 -十、配筋計算- 22 -十一、截面軸力驗(yàn)算- 23 -一：隧道斷面擬定已知條件：車速：80km/h；圍巖等級：IV類；隧道埋深H=160m;根據(jù)公路等級設(shè)定建筑限界隧道內(nèi)輪廓采用標(biāo)準(zhǔn)斷面，如下圖所示：橫向人行通道設(shè)計內(nèi)輪廓圖如下：二：荷載確定1、 淺埋和深埋隧道的確定 所以該隧道為深埋隧道2、根據(jù)圍巖壓

2、力計算公式： （4.1）計算圍巖豎向均布壓力： （4.2）式中：s圍巖類別，此處s=3；圍巖容重，此處=21.5KN/m3；跨度影響系數(shù)毛洞跨度=10.86+20.5+2=11.995m，=0.1，此處=1+0.1（11.99-5）=1.699。所以有： KPa.此處超挖回填層忽略不計。3、圍巖水平均布壓力：三、襯砌幾何要素1襯砌幾何尺寸內(nèi)輪廓線半徑 =5.43m， 。內(nèi)徑、所畫曲線的終點(diǎn)截面與豎直軸的夾角，；拱頂截面厚度：墻底截面厚度：因?yàn)榇颂幰驗(yàn)閿嗝娉叽绮蛔?，所以外輪廓斷面尺寸可以直接計算出來。外輪廓線半徑：拱軸線半徑：拱軸線各段圓弧中心角：2半拱軸線長度及分段軸長分段軸線長度：半軸線長度

3、為：將半拱軸線等分為8段，每段長度：3各分塊接縫（截面）中心幾何要素（1）與豎直軸夾角另一方面，角度閉合差 ：（注：因墻底面水平，計算襯砌內(nèi)力時用）（2）接縫中心點(diǎn)坐標(biāo)計當(dāng)然，也可以在附圖2上直接量出、。以后計算中只取四位小數(shù)。四、計算位移1、單位位移用辛普生法近似計算。按計算列表進(jìn)行。單位位移的計算見表4.1。（說明本設(shè)計計算一律保留四位小數(shù)，表格采用保留三位有效數(shù)字）表4.1 單位位移計算表截面asin(a)cos(a)xydI1/Iy/Iy2/I(1+y)2/I系數(shù)1/30 0.000 0.000 1.000 0.000 0.000 0.5 0.01 96 0.000 0.000 96.

4、000 1 1 13.880 0.240 0.971 1.363 0.166 0.5 0.01 96 15.917 2.639 130.473 4 2 27.759 0.466 0.885 2.646 0.654 0.5 0.01 96 62.755 41.023 262.533 2 3 41.639 0.664 0.747 3.774 1.435 0.5 0.01 96 137.770 197.713 569.252 4 4 55.519 0.824 0.566 4.682 2.464 0.5 0.01 96 236.573 582.986 1152.132 2 5 69.399 0.936

5、 0.352 5.317 3.681 0.5 0.01 96 353.414 1301.060 2103.889 4 6 83.278 0.993 0.117 5.641 5.015 0.5 0.01 96 481.459 2414.614 3473.533 2 7 94.970 0.996 5.650 6.389 0.5 0.01 96 613.315 3918.287 5240.917 4 8 90.000 1.000 0.000 5.416 7.743 0.5 0.01 96 743.328 5755.589 7338.245 1 768 2262.189 11170.544 16462

6、.921 單位位移值計算如下計算精度校核為：閉合差 ：2、載位移主動荷載在基本結(jié)構(gòu)中引起的位移（1）每一楔塊上的作用力豎向力：式中：襯砌外緣相鄰兩截面之間的水平投影長度，又附圖2量得：水平壓力：式中：襯砌外緣相鄰兩截面之間的豎直投影長度，由附圖2量得：自重力：式中：接縫的襯砌截面厚度注：計算時，應(yīng)該第8個楔塊的面積乘以。作用在各楔塊上的力均列入表4.2，各集中力均通過相應(yīng)圖形的形心表4.2 各分塊內(nèi)力與力臂截 面集 中 力 力 臂Q(KN) G(KN) E(KN)0 0.000 0.000 0.000 0.000 1 15.816 5.691 0.651 0.680 0.346 2 176.1

7、35 16.744 0.553 0.627 0.471 3 15.816 26.817 0.423 0.541 0.595 4 124.678 15.816 35.329 0.268 0.422 0.679 5 15.816 41.772 0.097 0.279 0.723 6 44.501 15.816 45.773 0.120 0.725 7 15.816 46.835 0.691 8 15.816 43.567 0.0000 0.671 （2）外荷載在基本結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力楔塊上各集中力對下一接縫的力臂由圖4.1中量得，分別記為、。內(nèi)力圖按下式計算。彎矩：軸力：式中：、相鄰兩接縫中心點(diǎn)的坐

8、標(biāo)增值，按下式計算： （4.9）的計算見下表。表4.3 載位移計算表截面-Qaq-Gag-Eae(i-1)(Q+G)E(i-1)xy-x(Q+G)-yEMp00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 1 0.000 0.000 1.360 0.166 0.000 0.000 2 202.879 5.691 1.283 0.488 3 394.830 22.435 1.129 0.781 4 565.570 49.252 0.908 1.029 5 706.064 84.580 0.635 1.217 6 3.52

9、0 809.013 127.686 0.324 1.334 7 1.397 0.486 869.330 172.126 0.008 1.374 8 0.000 2.298 890.511 218.961 1.354 208.112 的計算見下表4-4。表4.4 載位移計算表截面sinacosa(Q+G)Esina(Q+G)cosaENP00 0.000 1.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 1 0.240 0.971 202.879 5.691 48.667 5.525 43.143 2 0.466 0.885 394.830 22.435 183.896 1

10、9.853 164.043 3 0.664 0.747 565.570 49.252 375.785 36.808 338.977 4 0.824 0.566 706.064 84.580 582.017 47.884 534.133 5 0.936 0.352 809.013 126.352 757.277 44.459 712.818 6 0.993 0.117 869.330 172.126 863.354 20.147 843.207 7 0.996 890.511 218.961 887.163 906.133 8 1.000 0.000 906.327 262.528 906.32

11、7 0.000 906.327 基本結(jié)構(gòu)中，主動荷載產(chǎn)生彎矩的校核為：另一方面，從表4.3中得到 閉合差 （3）主動荷載位移計算過程見表4.5。表4.5 主動荷載位移計算表截面MP01/Iy/I(1+y)MP0/IMp0y/IMP0(1+y)/I系數(shù)1/30 0.000 96.000 0.000 1.000 0.000 0.000 0.000 1 1 96.000 15.917 1.166 -15058.821)4 2 96.000 62.755 1.654 -81422.801)2 3 96.000 137.770 2.435 -249200.286)4 4 96.000 236.573 3

12、.464 -563500.954)2 5 96.000 353.414 4.681 -1028509.291)4 6 96.000 481.459 6.015 -1589573.955)2 7 96.000 613.315 7.389 -2146979.509)4 8 96.000 743.328 8.743 -2637321.966)1 -6955103.006)計算精度校核：閉合差 3、載位移單位彈性抗力及相應(yīng)的摩擦力引起的位移（1）各接縫處的抗力強(qiáng)度抗力上零點(diǎn)假定在接縫3與4的中線處，最大抗力值假定在接縫5與6的中線處，最大抗力值以上各截面抗力強(qiáng)度按下式計算：查表4-1，算得：最大抗力值

13、以下各截面抗力強(qiáng)度按下式計算： (4.14)式中：所考察截面外緣點(diǎn)到點(diǎn)的垂直距離；墻腳外緣點(diǎn)到點(diǎn)的垂直距離。由圖4-1中量得：則按比例將所求得的抗力繪于圖4-1上。（2）各楔塊上抗力集中力按下式近似計算： (4.15)式中：楔塊外緣長度，可通過量取夾角，用弧長公式求得，的方向垂直于襯砌外緣，并通過楔塊上抗力圓形的形心。（3）抗力集中力與摩擦力的合力Ri 按下式計算： (4.16) 式中：圍巖與襯砌間的摩擦系數(shù)，此處取。則： (4.17)其作用方向與抗力集中力的夾角。由于摩擦阻力的方向與襯砌位移的方向相反，其方向向上。畫圖時，也可取切向：徑向=1：5的比例求出合力Ri的方向。Ri的作用點(diǎn)即為Ri

14、與襯砌外緣的交點(diǎn)。將Ri的方向線延長，使之交于豎直軸，量取夾角，將Ri分解為水平與豎直兩個分力： (4.18)以上計算列入表4.6。表4.6 彈性抗力及摩擦力計算表截面（n（n)0.5(i-1+i)(n)S外R(n)k?7sinkcoskRH(n)RV(n)3 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 4 0.326 0.163 0.718 0.119 64.557 0.903 0.430 0.108 0.051 5 0.824 0.575 1.437 0.843 74.796 0.965 0.262 0.813 0.221 6

15、 0.961 0.946 1.437 1.386 87.817 0.999 0.038 1.385 0.053 7 0.636 0.799 1.427 1.162 101.041 0.981 1.141 8 0.000 0.318 1.418 0.460 109.427 0.943 0.434 （4）計算單位抗力及其相應(yīng)的摩擦力在基本結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力彎矩： (4.19)軸力： (4.20)式中：力至接縫中心點(diǎn)的力臂，由圖4.1量得。計算見下表4.7。計算表截面R4hR5hR6hR7hR8hM0h)r4iR4r4ih)r5iR5r5ih)r6iR6r6ih)r7iR7r7ih)r8iR8r8ih

16、)4 0.233 0.028 5 1.646 0.196 0.633 0.533 6 2.988 0.356 2.004 1.689 0.713 0.989 7 4.229 0.504 3.332 2.808 2.087 2.893 0.777 0.902 8 5.347 0.638 4.578 3.857 3.431 4.756 2.151 2.499 0.969 0.446 計算見下表4.8。表4.8 計算表截面a sina cosaRV(h)sinaRV(h)RH(h)cosaRH(h)N0(h)4 55.519 0.824 0.566 0.051 0.042 0.108 0.061 5

17、 69.399 0.936 0.352 0.272 0.255 0.921 0.324 6 83.278 0.993 0.117 0.325 0.323 2.306 0.270 0.053 7 94.970 0.996 0.103 0.102 3.447 0.401 8 90.000 1.000 0.000 3.881 0.000 （5）單位抗力及相應(yīng)摩擦力產(chǎn)生的載位移計算見表4.9。表4.9 單位抗力及摩擦力產(chǎn)生的載位移計算表截面M0(h)1/Iy/I(1+y)M0/IM0y/IM(1+y)/I系數(shù)1/34 96 236.573 3.464 2 5 96 353.414 4.681 4 6

18、96 481.459 6.015 2 7 96 613.315 7.389 4 8 96 743.328 8.743 1 校核為：閉合差 4、墻底（彈性地基上的剛性梁）位移單位彎矩作用下的轉(zhuǎn)角： (4.23)主動荷載作用下的轉(zhuǎn)角： (4.24)單位抗力及相應(yīng)摩擦力作用下的轉(zhuǎn)角： (4.25)五、解力法方程襯砌矢高計算力法方程的系數(shù)為：以上將單位抗力及相應(yīng)摩擦力產(chǎn)生的位移乘以，即為被動荷載的載位移。求解方程為：式中：式中：六、計算主動荷載和被動荷載（）分別產(chǎn)生的襯砌內(nèi)力計算公式： (4.28) (4.29)計算過程列表4.10與表4.11。表4.10 主、被動荷載作用下襯砌彎矩計算表截面MPOX

19、1PX2P*yMPM0(h)X1(h)X2*y(h)M(h)0 0.000 309.458 0.000 309.458 0.000 0.000 1 309.458 57.450 232.353 0.000 0.315 2 309.458 226.507 27.656 0.000 1.241 3 309.458 497.262 0.000 2.725 1.560 4 309.458 853.879 4.679 3.806 5 309.458 1275.604 6.990 5.187 6 309.458 1737.765 9.522 4.774 7 309.458 2213.682 12.130

20、2.684 8 309.458 2682.946 25.953 14.701 表4.11 主、被動荷載作用下襯砌軸力計算表截面NP0X2PcosaNPN0(h)X2cosaN(h)0 0.000 346.500 346.500 0.000 2.098 2.098 1 43.143 336.382 379.525 0.000 2.037 2.037 2 164.043 306.621 470.665 0.000 1.857 1.800 3 338.977 258.955 597.932 0.000 1.568 1.456 4 534.133 196.166 730.299 1.188 0.987

21、 5 712.818 121.921 834.740 0.738 0.513 6 843.207 40.557 883.765 0.053 0.246 0.322 7 906.133 876.113 0.401 0.494 8 906.327 0.000 906.327 0.000 七、最大抗力值的求解首先求出最大抗力方向內(nèi)的位移?？紤]到接縫5的徑向位移與水平方向有一定的偏移，因此修正后有： (4.30)把計算過程列入表4.12，位移值為 (4.31) (4.32)表4.12 最大抗力位移修正計算表截面MP/IM/I (h)(y5-yi)MP(y5-yi)/IM(y5-yi)/I系數(shù)1/30

22、29707.920 3.681 109366.737 1 1 22305.928 3.516 78418.720 4 2 2654.976 3.028 8038.471 2 3 149.770 2.246 336.427 4 4 365.328 1.217 444.641 2 5 497.962 0.000 0.000 0.000 4 184073.9644 最大抗力值為： (4.33)八、計算襯砌總內(nèi)力按下式計算襯砌總內(nèi)力： (4.34)截面MPMMNPNNeM/IMy/I系數(shù)1/30 309.458 39.446 346.500 270.282 616.781 0.064 3786.843 0.000 1 1 232.353 18.596 379.525 219.989 634.458 0.029