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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流朱加乐严涛设计123 - 副本.精品文档.课程设计 课程名称：地下结构设计原理与方法 课题名称：曲墙拱结构设计 教 师：严涛 班 级：土木城轨一班 学 号：20127212 姓 名：朱加乐 2015年6月1.结构断面图1.1岩体特性岩体为级围岩，隧道埋深90m；计算摩擦角。岩体重度，围岩的弹性反力系数，基地围岩弹性反力系数。1.2衬砌材料采用C30混凝土；弹性模量，混凝土衬砌轴心抗压强度标准值。混凝土轴心抗拉强度标准值。1.3结构尺寸断面加宽u3024332181355275235621改正后258336828702902506362.计算作
2、用在衬砌结构的主动荷载作用在结构上的荷载形式为匀布竖向荷载q和匀布水平侧向荷载e，其测压系数为0.15，即。匀布竖向荷载：匀布水平侧向荷载：3.计算半拱轴线长度3.1求水平线以下边墙的轴线半径（单位：cm）及其与水平线的夹角假定水平线以下的轴线为一圆弧，则其半径由下图求得。由图上量得：即3.2计算半拱轴线长度s及分块轴线长度（单位：cm）式中为各圆弧轴线的半径半拱轴线长度分块长度4.计算各分段截面中心的几何要素4.1求各截面与竖直轴的夹角校核角度：4.2各截面的中心坐标（单位：cm）坐标校核5.绘制分块图因为结构对称，荷载对称，故取半跨并根据以上数据计算。如下图 半跨结构计算图示6. 计算基本
3、结构的单位位移 曲墙拱结构几何要素及计算过程表1截面0 0.000000 0.000000 1.000000 0.000000 0.000000 0.3000001 24.721975 0.418215 0.908348 1.141728 0.250210 0.3000002 48.456519 0.748453 0.663188 2.077069 0.952209 0.3000003 67.684721 0.925108 0.379703 2.697131 1.947243 0.3000004 82.207138 0.990765 0.135592 2.379547 3.136458 0.3
4、000005 90.213187 0.999993 -0.003721 2.457342 4.310866 0.3001006 94.389265 0.997067 -0.076532 2.911102 5.487628 0.3876007 98.664670 0.988587 -0.150651 2.777235 6.657661 0.6424008 102.940075 0.974605 -0.223932 2.556515 7.814459 1.065800 曲墙拱结构几何要素及计算过程表2截面Ii1/IiYi/IiYi/Ii(1+Yi)/Ii积分系数00.002250 444.4444
5、44 0.000000 0.000000 444.444444 110.002250 444.444444 111.204612 27.824548 694.678217 420.002250 444.444444 423.204137 402.978919 1693.831637 230.002250 444.444444 865.441308 1685.224478 3860.551538 440.002250 444.444444 1393.981470 4372.164765 7604.572150 250.002252 444.000296 1914.025969 8251.1102
6、83 12523.162517 460.004853 206.077198 1130.874902 6205.820222 8673.647223 270.022092 45.265221 301.360506 2006.356136 2654.342370 480.100889 9.911836 77.455635 605.273884 770.096989 18156.906080 18741.706233 70449.263475 116089.582022 校核：说明变位计算结果正确，在误差允许范围内。7.计算主动荷载在基本结构中产生的位移7.1衬砌每一块上的作用力竖向力：式中相邻两截
7、面之间的衬砌外缘的水平投影（由分块图量取）侧向水平力：式中相邻两截面之间的衬砌外缘的竖直投影（由分块图量取）自重力：以上各集中力均通过相应荷载图形的形心。 计算过程表1截面集中力（kN）力臂（m）0 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1 102.2851 8.1278 3.1522 0.5395 0.2682 0.5726 -55.1828 -4.6540 -0.8454 2 82.6230 8.1278 8.8729 0.3802 0.4689 0.4688 -31.4133 -3.8103 -4.1
8、605 3 63.4047 8.1278 12.5934 0.1845 0.5757 0.3200 -11.6982 -2.6009 -7.2500 4 32.5433 8.1278 14.6611 -0.0048 0.6092 0.1440 0.1562 -1.1704 -8.9316 5 13.5044 8.1291 18.6074 -0.1104 0.5973 0.0415 1.4909 -0.3374 -11.1142 6 0.0000 9.3158 11.3695 0.0000 0.5806 -0.0266 0.0000 0.2478 -6.6011 7 0.0000 13.9527
9、 15.0168 0.0000 0.5581 -0.0482 0.0000 0.6725 -8.3809 8 0.0000 23.1398 14.3107 0.0000 0.5554 -0.1116 0.0000 2.5824 -7.9482 计算过程表2截面00.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 10.000000 0.000000 1.141728 0.250210 0.000000 0.000000 -60.682197 2110.412876 3.152205 0.935341 0.701999 -
10、103.273638 -2.212844 -205.552757 3201.163640 12.025130 0.620062 0.995034 -124.733934 -11.965409 -363.801179 4272.696168 24.618515 -0.317584 1.189215 86.603956 -29.276716 -316.419705 5313.367216 39.279664 0.077795 1.174408 -24.378363 -46.130356 -396.889084 6335.000771 57.887044 0.453760 1.176761 -152
11、.009992 -68.119220 -623.371624 7344.316568 69.256538 -0.133866 1.170034 46.092408 -81.032479 -666.020060 8358.269267 84.273354 -0.220721 1.156798 79.077421 -97.487237 -689.795633 7.2主动荷载在基本结构上产生的内力分块上各集中力对下一分点的截面形心的力臂由分块图上量取，如下图，并记为。 单元主动荷载图示弯矩：轴力：式中相邻两截面中心点的坐标增量： 计算过程表截面00.000000 1.000000 0.000000
12、0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 10.418215 0.908348 110.412876 -3.152205 46.176374 -2.863299 43.313075 20.748453 0.663188 201.163640 -12.025130 150.561460 -7.974925 142.586535 30.925108 0.379703 272.696168 -24.618515 252.273542 -9.347721 242.925821 40.990765 0.135592 313.367216 -39.279664 310.473
13、189 -5.326013 305.147175 50.999993 -0.003721 335.000771 -57.887044 334.998452 0.215387 335.213838 60.997067 -0.076532 344.316568 -69.256538 343.306725 5.300356 348.607081 70.988587 -0.150651 358.269267 -84.273354 354.180330 12.695887 366.876216 80.974605 -0.223932 381.409074 -98.584048 371.723117 22
14、.076108 393.799225 校核：计算误差： 在误差范围内。7.3主动荷载位移 计算过程表截面00.0000 444.4444 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1 -60.6822 444.4444 0.2502 1.2502 -26969.8655 -6748.1402 -33718.0058 2 -205.5528 444.4444 0.9522 1.9522 -91356.7811 -86990.7773 -178347.5584 3-363.8012 444.4444 1.9472 2.9472 -161689.4127 -314848.
15、5677 -476537.9804 4 -316.4197 444.4444 3.1365 4.1365 -140630.9798 -441083.2050 -581714.1849 5 -396.8891 444.0003 4.3109 5.3109 -176218.8707 -759656.0128 -935874.8835 6-623.3716 206.0772 5.4876 6.4876 -128462.6777 -704955.3243 -833418.0020 7 -666.0201 45.2652 6.6577 7.6577 -30147.5455 -200712.1426 -2
16、30859.6881 8-689.7956 9.9118 7.8145 8.8145 -6837.1410 -53428.5586 -60265.6996 -2307840.7958 -7647346.6250 -9955187.4207 经校核，故计算正确。7.4墙底（弹性地基上的刚性梁）位移计算单位弯矩作用下墙底截面产生的转角主动荷载作用下墙底截面产生的转角8.解主动荷载作用下的力法方程式中其中 解得： 9.求主动荷载作用下各截面的内力，并校核计算精度截面00.000 240.608 0.000 240.608 106936.787 0.000 0.000 47.619 47.619 1-
17、60.682 240.608 11.915 191.840 85262.374 21333.531 43.313 43.255 86.568 2-205.553 240.608 45.343 80.398 35732.563 34024.879 142.587 31.580 174.167 3-363.801 240.608 92.726 -30.468 -13541.176 -26367.960 242.926 18.081 261.007 4-316.420 240.608 149.355 73.543 32685.810 102517.682 305.147 6.457 311.604
18、5-396.889 240.608 205.279 48.998 21755.053 93783.128 335.214 -0.177 335.037 6-623.372 240.608 261.315 -121.449 -25027.771 -137343.083 348.607 -3.644 344.963 7-666.020 240.608 317.031 -108.381 -4905.896 -32661.790 366.876 -7.174 359.702 8-689.796 240.608 372.117 -77.071 -763.916 -5969.594 393.799 -10
19、.663 383.136 547235.495 216776.995 计算过程见下表 计算过程表 10.求单位弹性反力图及相应摩擦力作用下基本结构中产生的变位和。10.1各截面的弹性反力强度最大弹性反力零点假定在截面2，即，最大弹性反力值假定在截面4，即。拱圈任意截面的外缘弹性反力强度 单元单位弹性反力荷载图示边墙任意截面的外缘弹性反力强度10.2各分块上的弹性反力集中力方向垂直衬砌外缘，并通过分块上弹性反力图形的形心。计算过程见下表截面30.701520.350761.227800.4306667.684720.925110.379700.398410.1635241.000000.8507
20、61.218301.0364882.207140.990760.135591.026910.1405450.985630.992821.198701.1900990.213190.99999-0.003721.19008-0.0044360.924630.955131.191401.1379594.389260.99707-0.076531.13461-0.0870970.815930.870281.205201.0488798.664670.98859-0.150651.03689-0.1580180.000000.407971.213100.49491102.940070.97460-0.
21、223930.48234-0.11083 各点弹性反力的计算过程表10.3弹性反力集中力与摩擦力集中力的合力本设计不考虑摩擦力。10.4计算作用下基本结构的内力计算见下表 计算过程表截面R3=0.3065810R4=0.8157431R5=0.9643848R6=1.3238993R7=0.5805793R8=0.203567830.4071000.1753-0.175341.6130000.69470.6018000.6238-1.318452.7935001.20311.7980001.86360.5992000.7131-3.779863.9691001.70932.9861003.09
22、501.7904002.13070.6782000.7718-7.706975.1656002.22464.1899004.34282.9955003.56491.8834002.14320.7794000.8175-13.093086.2714002.70095.3000005.49344.1064004.88702.9942003.40721.8902001.98260.7406000.3665-18.8375 计算过程表截面367.6847 0.9251 0.3797 0.1635 0.1513 0.3984 0.1513 0482.2071 0.9908 0.1356 0.3041 0
23、.3013 1.4253 0.1933 0.107992706590.2132 1.0000 -0.0037 0.2996 0.2996 2.6154 -0.0097 0.309364223694.3893 0.9971 -0.0765 0.2125 0.2119 3.7500 -0.2870 0.498918556798.6647 0.9886 -0.1507 0.0545 0.0539 4.7869 -0.7212 0.7750632538102.9401 0.9746 -0.2239 -0.0563 -0.0549 5.2692 -1.1800 1.12508789210.5计算作用下产
24、生的荷载位移和。计算结果见下表 计算过程表截面积分系数3-0.1753 444.4444 1.9472 2.9472 -77.9214 -151.7319 -229.6534 44-1.3184 444.4444 3.1365 4.1365 -585.9623 -1837.8463 -2423.8085 25-3.7798 444.0003 4.3109 5.3109 -1678.2122 -7234.5486 -8912.7608 46-7.7069 206.0772 5.4876 6.4876 -1588.2114 -8715.5127 -10303.7241 27-13.0930 45.
25、2652 6.6577 7.6577 -592.6574 -3945.7118 -4538.3692 48-18.8375 9.9118 7.8145 8.8145 -186.7145 -1459.0727 -1645.7872 1-13930.2258 -67893.7601 -81823.9858 校核 经校核，故计算正确。11.解单位弹性反力及其摩擦力作用下的力法方程式中均同前。解得代入原方程检验，计算正确。单位弹性反力图及摩擦力作用下截面的内力，并校核计算精度。计算过程见下表 计算过程表截面积分系数00.0000 4.0972 0.0000 4.0972 1820.9689 0.000
26、0 10.0000 -0.0626 -0.0626 10.0000 4.0972 -0.0157 4.0815 1814.0096 453.8840 40.0000 -0.0568 -0.0568 20.0000 4.0972 -0.0596 4.0376 1794.4844 1708.7247 20.0000 -0.0415 -0.0415 3-0.1753 4.0972 -0.1219 3.8000 1688.8873 3288.6738 40.0000 -0.0238 -0.0238 4-1.3184 4.0972 -0.1963 2.5825 1147.7699 3599.9323 2
27、0.1080 -0.0085 0.0995 5-3.7798 4.0972 -0.2698 0.0476 21.1553 91.1976 40.3094 0.0002 0.3096 6-7.7069 4.0972 -0.3434 -3.9531 -814.6473 -4470.4811 20.4989 0.0048 0.5037 7-13.0930 4.0972 -0.4166 -9.4125 -426.0570 -2836.5434 40.7751 0.0094 0.7845 8-18.8375 4.0972 -0.4890 -15.2294 -150.9512 -1179.6017 11.
28、1251 0.0140 1.1391 18317.211984485.59853812.最大弹性反力值得计算先求位移和计算过程见下表 的计算过程表截面积分系数4444.4444 0.0000 73.5431 2.5825 0.0000 0.0000 25444.0003 1.19480 48.9978 0.0476 25992.9374 25.2763 46206.0772 2.37520 -121.4485 -3.9531 -59445.9609 -1934.9503 2745.2652 3.56930 -108.3811 -9.4125 -17510.6130 -1520.7254 489
29、.9118 4.66980 -77.0711 -15.2294 -3567.3371 -704.9117 1-88529.9614 -10556.6086 13.计算赘余力和14.计算衬砌截面总的内力并校核计算精度14.1衬砌各截面内力计算结果见下表 计算结果截面e积分系数0240.608 -20.800 219.807 47.619 0.318 47.937 4.585 97692.136 0.000 0.000 11191.840 -20.721 171.119 86.568 0.289 86.856 1.970 76053.053 19029.263 0.000 4280.398 -20
30、.498 59.900 174.167 0.211 174.378 0.344 26622.368 25350.067 0.000 23-30.468 -19.292 -49.759 261.007 0.121 261.128 -0.191 -22115.279 -43063.820 0.000 4473.543 -13.111 60.432 311.604 -0.505 311.099 0.194 26858.840 84241.632 0.000 2548.998 -0.242 48.756 335.037 -1.572 333.465 0.146 21647.652 93320.138
31、25864.615 46-121.449 20.069 -101.379 344.963 -2.557 342.405 -0.296 -20891.989 -114647.452 -49622.652 27-108.381 47.785 -60.596 359.702 -3.983 355.720 -0.170 -2742.899 -18261.295 -9790.231 48-77.071 77.316 0.245 383.136 -5.783 377.353 0.001 2.429 18.979 11.342 1 454243.114 194004.617 -34936.425 14.2校
32、核计算精度墙底截面最终转角：相对误差：在误差范围以内，计算正确。15.绘制内力图计算结果按一定比例绘制如图 弯矩 轴力 结构内力图16.衬砌截面强度检算 由计算可知，故按承载能力极限状态检算： 式中轴力标准值，取； 混凝土衬砌构件抗压检算时作用效应分项系数，； 混凝土衬砌构件抗压检算时抗力分项系数， 构件纵向弯曲系数，这里为隧道衬砌，故取； 混凝土轴心抗压强度标准值，按规范取； 截面宽度，； 8点截面厚度，； 轴向力偏心影响系数，取。可见等式左边小于等式右边，故轴力最大处的边墙底通过检算。 按正常使用极限状态计算：式中 混凝土衬砌构件抗裂验算时的荷载效应分项系数，取； 拱顶轴力，取； 混凝土轴心抗拉强度标准值，； 混凝土衬砌抗裂验时的抗力分项系数，；可见等式左边小于等式右边，故拱顶截面通过检算。