地下工程课程设计计算书-范例,隧道设计

'周晓杰07231176——地下工程课程设计第一章设计概况地铁是地下铁道的简称。它是一种独立的轨道交通系统，不受地面道路情况的影响，能够按照设计的能力正常运行，从而快速、安全、舒适地运送乘客。地铁效率高，无污染，能够实现大运量的要求，具有良好的社会效益。而地铁车站是地下铁道的重要组成部分，它要解决客流的集散、换乘，同时也要解决整条线路行驶中的就技术设备、信息控制、运行管理，以保证交通的顺畅、快捷、准时、安全。车站设计本着“以人为本”的观念，坚持适用性、安全性、识别性、舒适性、经济性的原则。本设计主要是针对城市地铁区间隧道的结构设计，主要内容为：对区间隧道进行结构检算，求出内力，并进行配筋计算。1.1工程地质概况线路垂直于永定河冲、洪积扇的轴部，第四纪地层沉积韵律明显，地层由上到下依次为：杂填土、粉土、细砂、圆砾土、粉质粘土、卵石土。其主要物理力学指标如表1，本地区地震烈度为7度。表1各层土的物理力学指标土的类型厚度（m）重度γ（kN/m3）弹性抗力系数(Mpa/m）变形模量E（GPa）泊松比μ内摩擦角ф（º）粘聚力C(Mpa)杂填土3.516500.80.4200.005粉土3.218900.90.35210.01细砂5.2191001.20.32220.01圆砾土6.519.51201.50.32250.01粉质粘土6.220.01501.80.32230.02卵石土8.520.02002.00.30270.03基岩223002.50.35350.04 周晓杰07231176——地下工程课程设计1.2其他条件地下水位在地面以下11m处；隧道顶板埋深5.5m。1.3设计依据《建筑结构荷载规范》（GBJ50009-2001）《铁路隧道设计规范》（TB10003-2001）《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》（TB10108-2002）《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086-2001）《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）《地下工程防水设计规范》（GB50108-2001）《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）《地铁设计规范》（GB50157-2003）第二章结构设计2.1根据给定的隧道埋深判断结构深、浅埋可以采用铁路隧道推荐的方法，即有上式中s为围岩的级别；B为洞室的跨度；i为B每增加1m时的围岩压力增减率。由于隧道拱顶埋深5.5m，位于粉土层、细砂层和圆砾土层中，根据《地铁设计规范》可知，围岩为Ⅴ级围岩。所以，，，。则有：因为埋深，可知该隧道为极浅埋。 周晓杰07231176——地下工程课程设计2.2结构断面形式采用暗挖法施工，隧道断面型式为5心圆马蹄形结构。 周晓杰07231176——地下工程课程设计2.3结构内力计算2.3.1土压力的计算断面的土层状况，如下图所示：5.5m杂填土：.5m粉土：3.5m细砂：5.2m地下水位：11m圆砾土：6.5m 周晓杰07231176——地下工程课程设计1.垂直土压力结构顶板处所受的垂直土压力为：结构底板埋深处的垂直土压力值为：其中，水的压应力有效压应力截面穿过土层分界处的垂直土压力为:2.侧向土压力杂填土的侧向土压力系数为：粉土的侧向土压力系数为：细沙的侧向土压力系数为：因此，顶板埋深处的侧向土压力为： 周晓杰07231176——地下工程课程设计底板埋深处的侧向土压力为：土层分界处的上下面侧向土压力分别为:2.3.2地面荷载（附加荷载）（1）地面车辆荷载折算等效均布荷载取：。（2）不同的土层引起的结构侧向压力为：杂填土：粉土：细沙：2.3.3其他荷载（1）列车荷载列车按六节编组，轴重14t，折算等效静载：；（2）结构自重：在使用Midas软件进行分析时，软件将会通过定义材料的几何特性和材料特性自动考虑结构自重。 周晓杰07231176——地下工程课程设计2.3.4荷载组合按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载效应组合,并取各自的最不利组合进行设计。(1)按承载能力极限状态组合荷载结构由恒载起控制作用，所以按组合荷载公式：,来计算荷载设计值。土压力为恒载，地面荷载（附加荷载）、列车荷载为活载。顶部竖向力设计值为：顶部侧向力设计值为：底部侧向力设计值为：土层交界处的侧向力设计值：列车荷载的设计值分别为：(2)按正常使用极限状态进行荷载组合按组合荷载公式“F=恒载+活载”来计算荷载设计值顶部竖向力设计值为：顶部侧向力设计值为： 周晓杰07231176——地下工程课程设计底部侧向力设计值为：土层交界处的侧向力设计值：列车荷载的设计值分别为：结构受力图如下： 周晓杰07231176——地下工程课程设计2.2.5用midas软件建立计算模型（1）地下结构是建筑在底层中的封闭式结构，就其结构本身是超静定问题，考虑结构与围岩的相互作用，由结构的变位才能确定被动荷载的范围和大小。而结构的变位又在主动荷载和被动荷载的共同作用下发生的，所以求解过程式是一个非线性的问题。首先建立结构有限元的模型如下图所示：通道断面结构模型图（注：弹簧支撑均作用于节点上，未全部标出）本设计采用荷载结构模型，将应用有限元方法的基本思想和弹性地基梁的理论结构midas程序的特点，完成此次设计。输入边界条件、单元集合特性、材料特性，然后利用有限元计算软件（midas）进行结构的计算。在midas处理后可以得到结构承载能力极限状态下和正常使用极限状态下的弯矩图和轴力图。 周晓杰07231176——地下工程课程设计（2）对承载能力极限状态组合荷载建立模型得到弯矩图、轴力图。如下：结构断面的弯矩图(最大弯矩：137)结构断面的轴力图(最大轴力：387KN)（3）对正常使用极限状态组合荷载建立模型得到弯矩图、轴力图。如下： 周晓杰07231176——地下工程课程设计结构断面的弯矩图(最大弯矩：114)结构断面的轴力图(最大轴力：325KN) 周晓杰07231176——地下工程课程设计3.3通道的配筋计算和裂缝宽度的验算（隧道结构取最不利截面配筋）3.3.1配筋计算经过计算，可知中墙顶部为最不利位置，沿隧道纵向取1m的计算单元，弯矩最大为76.4kN.m，轴力为96.6kN，以此截面为控制截面进行配筋，为简便计算，可以对称配筋。弯矩设计值，轴力设计值截面长度：L=1.0m高度：计算长度：偏心距：附加偏心矩：（20mm和1/30偏心方向截面尺寸中较大值）初始偏心矩：偏心距增大系数：，所以取，所以构件长细比对截面曲率影响的系则偏心矩增大系数： 周晓杰07231176——地下工程课程设计按小偏心受压构件进行计算取则受压区钢筋面积：采用20Φ20，=6280，非超筋，满足要求。3.3.2裂缝宽度验算，所以得验算裂缝宽度。，则使用阶段的轴向压力偏心矩增大系数轴向压力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离：纵向受拉钢筋合力点至截面受压合力点的距离：按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率 周晓杰07231176——地下工程课程设计按荷载效应的标准组合计算的轴向力：钢筋混凝土构件受拉区纵向钢筋的应力：裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数：最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离：C=50mm受拉区纵向钢筋的等效直径:所以最大裂缝宽度：满足裂缝宽度的要求。 周晓杰07231176——地下工程课程设计参考资料：[1]《地铁设计规范》GB50157—2003[2]《铁路隧道设计规范》TB10003—2005[3]贺少辉《地下工程》2008年版北京交通大学出版社、清华大学出版社[4]关宝树《地下工程》2007年版高等教育出版社[5]李志业、曾艳华《地下结构设计原理与方法》2005年版西南交通大学出版社[6]曾亚武《地下结构设计原理》2006年版武汉大学出版社[7]程文襄、王铁成《混凝土结构》2008年版中国建筑工业出版社'