西南交大盾構(gòu)隧道抗震計(jì)算第五次作業(yè)

1、地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算與設(shè)計(jì)第五次作業(yè)專業(yè)班級：14級隧道1班姓 名： 戴龍欽 學(xué) 號： 2014200095 指導(dǎo)老師： 耿 萍 2014年12月 成都目 錄1計(jì)算概況12地基振動的水平位移振幅及波長計(jì)算32.1地基振動水平位移振幅計(jì)算32.2地基振動波長計(jì)算33盾構(gòu)隧道縱向抗震計(jì)算33.1管片等效剛度計(jì)算33.2管片縱向軸力計(jì)算63.3管片縱向彎矩計(jì)算73.4盾構(gòu)隧道縱向抗震計(jì)算結(jié)果84盾構(gòu)隧道橫向抗震計(jì)算94.1常時(shí)荷載作用時(shí)橫斷面內(nèi)力計(jì)算94.1.1常時(shí)荷載作用時(shí)橫斷面內(nèi)力計(jì)算方法94.1.2設(shè)計(jì)荷載計(jì)算114.1.3斷面內(nèi)力（彎矩、軸力、剪力）計(jì)算124.2地震荷載作用時(shí)橫斷面內(nèi)力計(jì)算13

2、4.3橫斷面總內(nèi)力計(jì)算144.4橫斷面內(nèi)力包絡(luò)圖16參考文獻(xiàn)17I1 計(jì)算概況地基由層厚36 m的均質(zhì)表層土與基巖組成。計(jì)算模型示意圖見圖1-1。地基條件見表1-1，表中 內(nèi)數(shù)值表示地震時(shí)的量值。本文取g=10 m/s2，則1 tf=10 kN。盾構(gòu)隧道外徑D=9.6 m，中心埋深17 m，上覆土層厚度12.2 m（1.27D）。盾構(gòu)隧道襯砌采用鋼筋混凝土平板形襯砌，襯砌各項(xiàng)參數(shù)見表1-2?？拐鹩?jì)算對象簡圖見圖1-1。利用所給參數(shù)對盾構(gòu)隧道縱向及橫向進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)計(jì)算。表1-1 地基條件條件表層基巖層層厚36土質(zhì)沖積粘性土洪積砂巖單位體積重量（kN/m3）1719N 值350以上剪切彈性波速度地

3、震時(shí)（m/s）144 115400 400剪切彈性模量（kN/m2）36080 23090310200 310200泊松比0.480.40表1-2 盾構(gòu)隧道襯砌條件盾構(gòu)隧道中心埋深（m）17.0覆土厚度（m）12.2管片盾構(gòu)管片類型RC平板形外徑 D（m）9.60管片中心半徑 R（m）4.55厚度（m）0.50幅寬（m）0.90單位體積重量（kN/m3）26.0彈性模量（kN/m2）35106管片接頭接頭方式組合式金屬構(gòu)件截面接頭數(shù)量33拉伸剛度 （kN/m）4105圖1-1 計(jì)算模型示意圖（單位：m）2 地基振動的水平位移振幅及波長計(jì)算2.1 地基振動水平位移振幅計(jì)算由課本1公式（5.1）可

4、得 由課本1公式（5.2）可得在地表處z=0隧道中心埋深處z=17 m式中：不同深度處的地基水平位移振幅：表層地基的基本固有周期：表層地層層厚：表層地層地震時(shí)的剪切彈性波速度：速度反應(yīng)譜，按課本1圖5-2中B類地區(qū)取2.2 地基振動波長計(jì)算表層地層振動波長基巖層振動波長則地基振動波長 3 盾構(gòu)隧道縱向抗震計(jì)算3.1 管片等效剛度計(jì)算管片等效軸向剛度可由課本1式（6.3），式（6.5）計(jì)算得到。等效彎曲剛度可由課本1式（6.8）解出中性軸位置后代入課本1式（6.10）計(jì)算得到。管片截面面積：管片慣性矩：斷面全體接頭拉伸剛度等效壓縮剛度：等效拉伸剛度：剛性比將，代入課本1式（6.8） （6.8）解

5、之得，中性軸角度中性軸位置 等效彎曲剛度 剛性比 將以上各等效剛度計(jì)算結(jié)果匯總，見表3-1。表3-1 管片等效剛度計(jì)算結(jié)果表襯砌參數(shù)彈性系數(shù)ES(kN/m2)3.5107外徑D（m）9.60管片中心半徑R（m）4.55幅寬l（m）0.50厚度lS（m）0.90截面面積AS（m2）14.287截面慣性矩IS（m4）148.33接頭單個(gè)接頭拉伸剛度Kj（kN/m）4105截面接頭數(shù)量n33截面全體接頭拉伸剛度KJ（kN/m）1.32107等效軸向剛度壓縮剛度(EA)（kN）5.00108拉伸剛度(EA)（kN）1.16107剛性比(EA)/(EA)0.0232等效彎曲剛度中性軸角度（rad）0.9

6、92中性軸位置x（m）3.81等效彎曲剛度(EI)eq（kNm2）3.15108剛性比(EI)eq/ESIS0.0613.2 管片縱向軸力計(jì)算在計(jì)算管片縱向軸力時(shí)，當(dāng)=45時(shí)軸力最大。此時(shí)在隧道中心埋深處，取。根據(jù)共同溝設(shè)計(jì)指南與規(guī)定，取其中，為表層地層地震時(shí)的剪切彈性模量。各系數(shù)計(jì)算如下：將所需數(shù)據(jù)代入課本1式（6.17）（6.17）解之得，壓縮、拉伸臨界位置。軸力拉伸系數(shù)軸力壓縮系數(shù)則最大軸向拉力 最大軸向壓力 最大軸向拉應(yīng)力最大軸向壓應(yīng)力單個(gè)接頭所受拉力接頭處張開量3.3 管片縱向彎矩計(jì)算在計(jì)算管片縱向彎矩時(shí)，當(dāng)=0時(shí)彎矩最大。此時(shí)在隧道中心埋深處，取 根據(jù)共同溝設(shè)計(jì)指南與規(guī)定，取其中，

7、為表層地層地震時(shí)的剪切彈性模量。各系數(shù)計(jì)算如下：則縱向最大彎矩 管片承受的由彎矩引起的最大拉應(yīng)力管片承受的由彎矩引起的最大壓應(yīng)力接頭承受的由彎矩引起的最大拉力接頭處張開量3.4 盾構(gòu)隧道縱向抗震計(jì)算結(jié)果表3-2 盾構(gòu)隧道縱向抗震計(jì)算結(jié)果匯總表軸力計(jì)算結(jié)果地基振動水平振幅U（cm）3.17波長L（m）316.2地基系數(shù)地層彈簧系數(shù)ka（kN/m2）23090襯砌剛度等效壓縮剛度EA（kN）5.00108等效拉伸剛度EA（kN）1.16107（m-1）0.0446（m-1）0.0680.83450.1049壓縮、拉伸臨界處位置（m）32.3軸力系數(shù)壓縮1.577拉伸0.118軸力最大壓力（kN）5

8、2070最大拉力（kN）3896.3應(yīng)力值壓應(yīng)力（kPa）3644.5拉應(yīng)力（kPa）272.7接頭拉力（kN）118.1張開量（mm）0.30彎矩計(jì)算結(jié)果地基振動水平振幅U（cm）4.49波長L（m）223.4彎矩計(jì)算結(jié)果地基系數(shù)地層彈簧系數(shù)kt（kN/m2）23090襯砌剛度等效彎曲剛度EI（kNm2）3.15108（m-1）0.09250.9916彎矩最大值（kNm）11067.4應(yīng)力值壓應(yīng)力（kPa）1218.1拉應(yīng)力（kPa）245.96接頭拉力（kN）103.34張開量（mm）0.264 盾構(gòu)隧道橫向抗震計(jì)算4.1 常時(shí)荷載作用時(shí)橫斷面內(nèi)力計(jì)算4.1.1 常時(shí)荷載作用時(shí)橫斷面內(nèi)力計(jì)

9、算方法采用彎矩剛度有效率，彎矩增加率的修正慣用計(jì)算法2。圖4-1 修正計(jì)算法及修正慣用計(jì)算法所使用的荷載體系圖4-1為修正計(jì)算法及修正慣用計(jì)算法所使用的荷載體系。垂直方向的地層抗力為等分布荷載，水平方向的地層抗力假定為管片環(huán)頂部左右45 135內(nèi)線性分布（三角形分布）。決定著水平方向地層抗力大小的水平直徑端部的水平方向上的位移依據(jù)是否考慮管片自重的地層抗力而不同，依據(jù)表4-1中的式（1）及式（2）來計(jì)算。另外，表4-1表示了慣用計(jì)算法和修正管涌計(jì)算法的管片斷面內(nèi)力的計(jì)算公式，表中時(shí)，則變成慣用計(jì)算法的計(jì)算公式。表4-1 依據(jù)慣用計(jì)算法與修正慣用計(jì)算法的管片斷面內(nèi)力計(jì)算公式荷載彎矩軸力剪力豎直荷

10、載水平荷載水平三角形荷載水平地基反力當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)自重當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)管片環(huán)向水平直徑點(diǎn)的水平方向位移不考慮管片自重引起的地層反力時(shí)（1）考慮管片自重引起的地層反力時(shí)（2）：單位寬度的抗彎剛度4.1.2 設(shè)計(jì)荷載計(jì)算根據(jù)地層條件，采用全覆土壓力、水土合算計(jì)算荷載。側(cè)壓力系數(shù)，地基反力系數(shù)，地面超載取。1） 垂直荷載2） 頂部水平荷載3） 底部水平荷載4） 自重引起的底部反力荷載單環(huán)管片的重量反力此外，底部水壓因 ，對浮力是安全的。5） 變形量與地層抗力用表4-1式（1）計(jì)算考慮地層抗力后的變形量。 地層抗力4.1.3 斷面內(nèi)力（彎矩、軸力、剪力）計(jì)算依據(jù)修正慣用法，疊加各個(gè)荷

11、載由表4-1計(jì)算所得斷面內(nèi)力M、N、Q，將其計(jì)算結(jié)果作為常時(shí)荷載作用時(shí)單環(huán)管片橫斷面內(nèi)力。計(jì)算結(jié)果如表4-2所示。其中，為管片頂點(diǎn)開始的角度。表4-2 常時(shí)荷載作用時(shí)單環(huán)管片橫斷面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果角度彎矩M軸力N剪力Q角度彎矩M軸力N剪力Q（）（kNm）（kN）（kN）（）（kNm）（kN）（kN）0322.34727.770.0095-267.581081.29-43.865316.81730.7227.78100-252.981077.10-68.8710300.43739.4854.48105-229.981069.89-90.8415273.84753.7079.08110-199.611

12、060.21-109.1820238.06772.84100.65115-163.111048.57-123.4725194.46796.20118.39120-121.861035.51-133.4930144.68822.92131.67125-77.331021.53-139.203590.60852.03140.04130-30.981007.10-140.684034.21882.52143.2913515.75992.62-138.1645-22.43913.38141.3814061.48976.71-132.0450-77.35941.70134.60145104.96961.

13、75-122.7255-128.69968.50123.45150145.08948.12-110.5560-174.83993.20108.54155180.82936.13-95.9365-214.441015.3490.61160211.32926.03-79.2670-246.461034.6170.45165235.84918.00-60.9775-270.171050.8748.88170253.82912.17-41.4780-285.181064.1126.70175264.84908.62-21.1685-291.381074.434.66180268.66907.40-0.

14、4590-288.981082.02-16.604.2 地震荷載作用時(shí)橫斷面內(nèi)力計(jì)算采用反應(yīng)位移法計(jì)算地層在地震荷載作用下的橫斷面內(nèi)力，計(jì)算公式如下：（3）式中 表層地層厚度； 地面到隧道中心處的距離； 表層地層剪切彈性模量； 表層地層泊松比； 將公式（3）計(jì)算得到的結(jié)果乘以1.3，得到最終地震荷載作用時(shí)單環(huán)管片橫斷面內(nèi)力結(jié)果，見表4-3。表4-3 地震荷載作用時(shí)單環(huán)管片橫斷面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果角度（）彎矩M（kNm）軸力N（kN）剪力Q（kN）式（3）式（3）1.3式（3）式（3）1.3式（3）式（3）1.300000-131.45-170.89551.967.48-49.55-64.41-129

15、.46-168.310102.23132.9-97.59-126.87-123.53-160.5915149.46194.3-142.67-185.48-113.86-148.0220192.15249.79-183.43-238.45-100.73-130.9525229.01297.71-218.61-284.19-84.54-109.930258.91336.58-247.16-321.3-65.79-85.5235280.96365.25-268.2-348.66-45.04-58.5540294.48382.82-281.11-365.44-22.92-29.7945299.0638

16、8.77-285.48-371.12-0.1-0.1450294.56382.93-281.19-365.5422.7129.5355281.12365.46-268.36-348.8644.8458.2960259.15336.89-247.38-321.665.6185.2965229.31298.11-218.9-284.5784.38109.6970192.51250.27-183.77-238.91100.59130.7775149.87194.83-143.07-185.99113.75147.8880102.68133.49-98.02-127.43123.46160.58552

17、.3768.09-50-64.99129.42168.25900.480.62-0.45-0.59131.45170.8995-51.44-66.8749.163.83129.49168.34100-101.79-132.3297.16126.31123.61160.69105-149.05-193.76142.28184.96113.96148.15110-191.78-249.32183.08238100.86131.12115-228.7-297.31218.32283.8184.7110.11120-258.67-336.27246.93321.0165.9785.76125-280.

18、79-365.03268.05348.4645.2358.8130-294.39-382.71281.03365.3423.1230.06135-299.06-388.77285.48371.120.310.41140-294.64-383.03281.26365.64-22.51-29.26145-281.28-365.67268.51349.07-44.64-58.04150-259.39-337.2247.61321.89-65.42-85.05155-229.62-298.5219.19284.95-84.22-109.49160-192.88-250.74184.12239.36-1

19、00.46-130.6165-150.28-195.37143.46186.5-113.65-147.74170-103.13-134.0798.45127.98-123.39-160.41175-52.84-68.750.4465.58-129.39-168.2180-0.95-1.240.911.18-131.45-170.894.3 橫斷面總內(nèi)力計(jì)算在常時(shí)荷載與地震荷載共同作用時(shí)，需考慮常時(shí)荷載+地震時(shí)荷載作用和常時(shí)荷載地震荷載時(shí)作用兩種情況，所得橫斷面總內(nèi)力分別為常時(shí)荷載作用時(shí)橫斷面內(nèi)力+地震時(shí)荷載作用時(shí)橫斷面內(nèi)力、常時(shí)荷載作用時(shí)橫斷面內(nèi)力地震時(shí)荷載作用時(shí)橫斷面內(nèi)力。橫斷面總內(nèi)力計(jì)算結(jié)

20、果見表4-4。表4-4 橫斷面總內(nèi)力計(jì)算結(jié)果表角度（）常時(shí)荷載+地震時(shí)荷載常時(shí)荷載地震時(shí)荷載彎矩M軸力N剪力Q彎矩M軸力N剪力Q（kNm）（kN）（kN）（kNm）（kN）（kN）0322.34 786.82 -170.89 322.34 727.77 170.89 5384.28 728.81 -140.52 249.33 795.14 196.07 10433.34 678.01 -106.11 167.53 866.35 215.08 15468.14 635.86 -68.93 79.54 939.17 227.10 20487.86 603.50 -30.29 -11.73 1011

21、.30 231.60 25492.17 581.77 8.49 -103.25 1080.39 228.29 30481.27 571.12 46.14 -191.90 1144.22 217.19 35455.85 571.67 81.50 -274.64 1200.69 198.59 40417.03 583.21 113.50 -348.61 1247.96 173.08 45366.34 595.97 141.25 -411.21 1284.50 141.52 50305.58 627.09 164.12 -460.28 1307.24 105.07 55236.77 666.82 1

22、81.74 -494.15 1317.37 65.15 60162.06 714.06 193.83 -511.73 1314.80 23.26 6583.66 767.57 200.31 -512.55 1299.91 -19.08 703.81 826.00 201.22 -496.73 1273.52 -60.32 75-75.34 888.01 196.76 -465.00 1236.86 -99.00 80-151.69 952.19 187.20 -418.66 1191.54 -133.80 85-223.30 1017.14 172.91 -359.47 1139.42 -16

23、3.59 90-288.36 1081.50 154.28 -289.60 1082.62 -187.49 95-334.45 1145.47 124.48 -200.72 1017.46 -212.20 100-385.30 1204.41 91.82 -120.66 950.78 -229.55 105-423.74 1256.78 57.31 -36.22 884.93 -238.99 110-448.92 1301.25 21.94 49.71 822.21 -240.30 115-460.42 1336.70 -13.36 134.20 764.76 -233.58 120-458.14 1362.26 -47.74 214.41 714.50 -219.25 125-442.36 1377.33 -80.39 287.71 673.07 -198.00 130-413.69 1381.60 -110.62 351.74 641.76 -170.74 135