单线铁路隧道曲墙拱结构设计 隧道课程设计

1、单线铁路隧道曲墙拱结构设计指导教师：周佳媚学生：洪治涛学号：20050129班级：05级土木05班一设计基本资料1） 岩体特性岩体为级围岩，隧道埋深为；计算摩擦角，岩体重度，围岩弹性反力系数，基底围岩弹性反力系数。2） 衬砌材料采用混凝土；重度，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。3） 结构尺寸断面加宽u=20cm，其他尺寸如图所示。一、 计算作用于衬砌结构上的主动荷载作用在结构上的荷载形式为匀布竖向荷载和匀布水平侧向荷载，其侧压系数为，即。匀布竖向荷载： 匀布水平侧向荷载： 二结构分块以及截面的几何要素假定水平线以下的轴线为一弧,由图上量得：测量出曲墙拱结构截面

2、几何要素，列于表1中。三、 计算主动荷载作用下结构内力1）计算基本结构单位位移计算过程见表1。校核：，计算正确。表1 曲墙拱结构几何要素及计算表（一）截面00.000000 0.000000 1.000000 0.000000 0.000000 0.300000 122.390000 0.380909 0.924613 1.020000 0.200000 0.300000 244.780000 0.704386 0.709817 1.870000 0.770000 0.300000 361.560000 0.879316 0.476238 2.490000 1.590000 0.300000

3、478.280000 0.979152 0.203129 2.830000 2.550000 0.300000 585.410000 0.996793 0.080025 2.970000 3.540000 0.300000 691.140000 0.999802 -0.019895 3.000000 4.540000 0.300000 794.660000 0.996694 -0.081243 3.000000 5.540000 0.334570 898.190000 0.989801 -0.142456 3.000000 6.490000 0.477760 曲墙拱结构几何要素及计算表（二）截

4、面00.002250 444.444444 0.000000 0.000000 444.444444 110.002250 444.444444 88.888889 17.777778 640.000000 420.002250 444.444444 342.222222 263.511111 1392.400000 230.002250 444.444444 706.666667 1123.600000 2981.377778 440.002250 444.444444 1133.333333 2890.000000 5601.111111 250.002250 444.444444 157

5、3.333333 5569.600000 9160.711111 460.002250 444.444444 2017.777778 9160.711111 13640.711111 270.003121 320.420473 1775.129420 9834.216985 13704.896298 480.009088 110.040331 714.161748 4634.909744 6173.273571 19836.166667 24276.901649 95444.133241 153834.103206 s/3E=1.054194E-081.036922E-042.559255E-

6、041.006166E-031.621709E-032）计算主动荷载作用下基本结构产生的位移和每一块衬砌上的作用力及力臂竖向力： 水平侧向力： 自重力： 注：为分块面积。分块面积和分块重心位置均可在AutoCAD中精确量出。计算过程见表2。表2 主动荷载作用力及力臂计算表截面集中力力臂00.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 198.747045 6.764760 2.904320 0.451570 0.239820 0.481980 2181.036248 6.764760 11.181632 0.329601 0.3978

7、30 0.415160 3241.058962 6.764760 23.089344 0.168370 0.479890 0.292240 4273.974643 6.764760 37.030080 0.022250 0.509570 0.320750 5287.528159 6.764760 51.406464 -0.080221 0.507020 0.221710 6290.432484 6.764760 65.928064 -0.139550 0.495910 0.013850 70.000000 7.154523 80.449664 0.000000 0.483870 -0.0279

8、20 80.000000 9.158696 94.186774 0.000000 0.476540 -0.073590 主动荷载在基本结构上产生的内力弯矩：轴力：计算过程分别见表3和表4。表3 计算表截面00.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 10.000000 0.000000 0.960540 0.191060 -48.548196 2105.511805 2.904320 0.807060 0.544700 -202.211111 3293.312813 14.085952 0.585610 0.782590 -438.645929 4

9、541.136535 37.175296 0.335300 0.917240 -681.322828 5821.875938 74.205376 0.136160 0.970470 -869.741670 61116.168857 125.611840 0.023180 0.982860 -1011.331543 71413.366101 191.539904 -0.050490 0.987420 -1167.828445 81420.520624 271.989568 -0.108980 0.969820 -1321.010807 表4 计算表截面00.000000 1.000000 0.0

10、00000 0.000000 0.000000 10.380909 0.924613 105.511805 -2.904320 37.505026 20.704386 0.709817 293.312813 -14.085952 196.607137 30.879316 0.476238 541.136535 -37.175296 458.125885 40.979152 0.203129 821.875938 -74.205376 789.668168 50.996793 0.080025 1116.168857 -125.611840 1102.537066 60.999802 -0.01

11、9895 1413.366101 -191.539904 1416.897119 70.996694 -0.081243 1420.520624 -271.989568 1437.922045 80.989801 -0.142456 1429.679320 -366.176342 1467.262261 校核：-115.5695相对误差计算正确。 主动荷载在基本结构上产生的位移计算过程见表5表5 主动荷载在基本结构上产生的位移计算表截面00.000000 0.000000 0.000000 0.000000 11-48.548196 -21576.975982 -4315.395196 -25

12、892.371178 42-202.211111 -89871.604874 -69201.135753 -159072.740628 23-438.645929 -194953.746069 -309976.456250 -504930.202320 44-681.322828 -302810.145632 -772165.871361 -1074976.016993 25-869.741670 -386551.853547 -1368393.561557 -1754945.415104 46-1011.331543 -449480.685623 -2040642.312729 -24901

13、22.998352 27-1167.828445 -374196.142540 -2073046.629671 -2447242.772210 48-1321.010807 -145364.466398 -943415.386925 -1088779.853323 1-5738804.211210 校核：，计算正确。3） 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4） 求解主动荷载作用下的力法方程式中：5） 计算主动荷载作用下各截面内力弯矩：轴力：计算过程见表6。表6 主动荷载作用下各截面内力计算表截面00.000000 0.000000

14、 89.598749 0.000000 192.712874 192.712874 1-48.548196 38.542575 79.593128 37.505026 178.184738 215.689764 2-202.211111 148.388913 35.776551 196.607137 136.790808 333.397945 3-438.645929 306.413470 -42.633710 458.125885 91.777233 549.903118 4-681.322828 491.417829 -100.306249 789.668168 39.145592 828

15、.813760 5-869.741670 682.203575 -97.939347 1102.537066 15.421839 1117.958905 6-1011.331543 874.916449 -46.816345 1416.897119 -3.834108 1413.063011 7-1167.828445 1067.629323 -10.600373 1437.922045 -15.656515 1422.265530 8-1321.010807 1250.706554 19.294496 1467.262261 -27.453140 1439.809120 四、 计算单位弹性反

16、力作用下结构内力1） 计算单位弹性反力作用下基本结构位移 计算各截面弹性反力集中力弹性反力零点假定在截面2，即；最大弹性反力值假定位于截面4，即。则任意截面的外缘弹性反力强度为：各分块上弹性反力集中力。该集中力通过弹性反力分布图形的形心。以上计算过程见表7。表7 各截面弹性反力计算表截面30.598897 0.299449 1.046903 0.313494 0.275660 0.149298 41.000000 0.799449 1.049763 0.839232 0.821735 0.170472 50.938338 0.969169 1.026651 0.994998 0.991807

17、0.079625 60.750653 0.844495 1.011422 0.854141 0.853972 -0.016994 70.437090 0.593871 1.014151 0.602275 0.600284 -0.048930 80.000000 0.218545 0.979753 0.214120 0.211936 -0.030503 计算集中力作用下基本结构的内力弯矩：轴力：计算过程分别见表8和表9。表8 计算表截面3456780.4990581.4533172.3189531.4944773.8686334.5761440.156450.4556060.7269770.97

18、75671.2127921.4345920.4984751.4738432.4152503.3275964.2124720.4183361.2368952.0269542.7926243.5352400.5000161.4944771.4944773.4457470.4975151.4870022.4646883.4285120.5039991.5046742.5005630.4304861.2852042.1358340.5680781.5639670.3421400.9419390.6047770.129495-0.156451-0.873942-2.461387-4.922010-8.0

19、97448-11.605612表9 计算表截面30.149298 0.131280 0.275660 0.131280 0.000000 40.319770 0.313103 1.097395 0.222913 0.090191 50.399395 0.398114 2.089203 0.167188 0.230925 60.382401 0.382326 2.943175 -0.058556 0.440881 70.333471 0.332368 3.543459 -0.287880 0.620249 80.302968 0.299878 3.755395 -0.534979 0.83485

20、7 计算集中力在基本结构上产生的位移计算过程见表10表10 在基本结构上产生的位移计算表截面3-0.156451 -69.53395568-110.5589895-180.09294524.000000 4-0.873942 -388.4187001-990.4676853-1378.8863852.000000 5-2.461387 -1093.949901-3872.582648-4966.5325484.000000 6-4.922010 -2187.559922-9931.522045-12119.081972.000000 7-8.097448 -2594.588087-14374.

21、018-16968.606094.000000 8-11.605612 -1277.085412-8288.284326-9565.3697381.000000 -21461.33043-103560.9023-125022.2328校核：，计算正确。2） 求解弹性反力作用下的力法方程（rad）式中：3） 计算单位弹性反力作用下各截面内力弯矩：轴力：计算过程见表11。表11 单位弹性反力作用下各截面内力计算表截面00.000000 0.000000 -2.321293 0.000000 2.053566 2.053566 10.000000 0.410713 -1.910580 0.00000

22、0 1.898753 1.898753 20.000000 1.581246 -0.740047 0.000000 1.457655 1.457655 3-0.156451 3.265170 0.787426 0.000000 0.977987 0.977987 4-0.873942 5.236593 2.041358 0.090191 0.417139 0.507330 5-2.461387 7.269624 2.486944 0.230925 0.164337 0.395262 6-4.922010 9.323190 2.079887 0.440881 -0.040857 0.400025

23、 7-8.097448 11.376756 0.958015 0.620249 -0.166837 0.453411 8-11.605612 13.327643 -0.599262 0.834857 -0.292543 0.542314 六、计算最大弹性反力计算位移和，计算过程见表12。表12 和计算表截面40.000000 -100.306249 2.041358 0.000000 0.000000 250.990272 -97.939347 2.486944 -43105.152363 1094.555790 461.991354 -46.816345 2.079887 -41434.62

24、9036 1840.796103 272.992029 -10.600373 0.958015 -10162.655189 918.455913 483.987918 19.294496 -0.599262 8467.038608 -262.975122 1-287473.449674 11470.663894 （rad）(rad)(m)(m)七、计算赘余力八、计算衬砌截面总内力并校核计算精度1）计算衬砌截面总内力弯矩：轴力：计算过程见表13表13 衬砌截面总内力计算表截面089.598749 -79.466055 10.132694 192.712874 70.300819 263.013693 0.038525 179.593128 -65.405891 14.187237 215.689764 65.001018 280.690782 0.050544 235.776551 -25.334424 10.442127 333.397945 49.900692 383.298637 0.027243 3-42.633710 26.956363 -15.677347 549.903118 33.479936 583