В Закладки

Главная
Официальная
Новости
Курсовые работы
Дипломные проекты
Лекции и конспекты
Рефераты
Софт
Ссылки
Справочник Студента
Гостевая

Почта


Поиск по сайту:

          


















ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ОБДЕЛКИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ ТУННЕЛЕЙ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра подземных сооружений, оснований и фундаментов

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовой работе

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ОБДЕЛКИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ ТУННЕЛЕЙ



Студент: Гир$%^гидов А.А.

Группа: 5011/1

Руководитель: Синяков Л.Н.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2000

СОДЕРЖАНИЕ

1. Исходные данные……………………………………………………...3

2. Определение внутренних размеров туннеля ………………………..4

3. Выбор формы сечения туннеля………………………………………5

4. Составление эскиза конструкции обделки и выбор материалов для ее возведения…………………………………………………………..6

5. Определение нормативных и расчетных нагрузок, их сочетаний и коэффициентов упругого отпора породы……………………………7

6. Статический расчет монолитной обделки туннеля ……………….10

6.1. Краткое описание метода метрогипротранса………………...…10

6.2. Основная система и канонические уравнения…………………..11

7. Выбор арматуры……………………………………………………...14

Литература……………………………………………………………17

1. Исходные данные

Режим работы – безнапорный.

Класс капитальности – II.

Максимальный расход воды в туннеле – м3/с.

Средняя скорость протекания воды в туннеле – м/с.

Отметка верха лотка туннеля – м/с.

Структурно-геологическая характеристика горных пород приведена в

таблице:

Физико-механические характеристики горных пород:

На рисунке 1. представлена высотная схема расположения туннеля.

2. Определение внутренних размеров туннеля.

Будем считать, что колебания воды в туннеле не превышают , где

- высота туннеля. Тогда отношение

где - ширина туннеля по дну.

Принимаем

где - радиус сечения туннеля, который определяется по формуле:

где м3/с - максимальный расход воды в туннеле;

м/с - средняя скорость протекания воды в туннеле;

Согласно таблице 2 [1, стр.17], получаем следующие соотношения

основных размеров:

3. Выбор формы сечения туннеля

Выбор формы поперечного сечения туннеля осуществляется с учетом условий статической работы обделки, гидравлических условий про- пуска воды, а также способов и условий производства работ при со- оружении туннеля.

В нашем случае туннель работает в безнапорном режиме, поэтому определяющей нагрузкой при выборе формы сечения является горное давление, величина и направление которого может оцениваться ко- эффициентом крепости породы , окружающей туннель.

Согласно таблице 1. [1, стр.14] поперечное сечение туннеля принима- ется корытообразную форму (II форма).

На рисунке 2. показана форма поперечного сечения туннеля.

4. Составление эскиза конструкции обделки и выбор материалов для ее возведения.

Принимаем корытообразную монолитную железобетонную обделку (рис.4.1). Согласно таблице 3 [1, стр.23], толщина обделки назначает- ся по следующим зависимостям:

На рисунке 3. представлена схема обделки.

Обделка выполняется из железобетона, для этого используется бетон марки М 200 и арматура класса А II.

5. Определение нормативных и расчетных нагрузок, их сочетаний и коэффициентов упругого отпора породы

Одной из основных нагрузок, действующих на обделку туннеля, яв- ляется горное давление. Это давление возникает из-за того, что при устройстве туннеля в горных породах образуется свод обрушения – область грунта, теряющего равновесие и, вследствие этого, оказы- вающего давление на обделку. Распределение нагрузок на обделку туннеля и форма свода обрушения приведена на рис.4.

Величина горного давления определяется расчетом, основанном на использовании значений характеристик пород, окружающих туннель. При этом в соответствии с указаниями СН распределение вертикаль- ного и горизонтального горных давлений принимаются равномерны- ми по пролету и высоте выработки :

Вертикальное горное давление определяется по формуле:

где - коэффициент, равный при м; - удельный вес грун- та т/м3;

Высота свода обрушения , определяется по формуле:

где - пролет свода обрушения:

где - расчетный угол внутреннего трения породы;

Таким образом, получается, что

Горизонтальное нормативное горное давление определяется по фор- муле:

Возможность возникновения давления на обделку снизу (дутье) про- веряется по условию:

где тс/м2 - сцепление породы по подошве выработки;

Следовательно,

следовательно, дутья нет. Так как давление на обделку снизу отсутствует, принимается разомк- нутая конструкция обделки.

Определение расчетного коэффициента отпора :

1) по боковой поверхности

где кгс/см3 - коэффициент удельного отпора, м;

2) по подошве стены

где - коэффициент поперечной деформации породы,

Для статического расчета обделки, который будет выполнен далее, выделим на срединной линии обделки 12 точек и определим их по- ложение в системе координат, положение которой показано на ри- сунке 3. Для каждой точки определим координаты х и у, а также тол- щину обделки. Полученные результаты представим в виде таблицы и туда же запишем значения коэффициентов отпора К .

6. Статический расчет монолитной обделки туннеля

6.1Краткое описание метода метрогипротранса

Обделка туннеля, имеющая произвольную форму и окруженная упругой средой является бесконечное число раз статически неопре- делимой системой, точное определение усилий и реакций в которой невозможно в настоящее время. Для определения внутренних усилий в обделке используют численные методы дающие приближенное ре- шение. Одним из наиболее точных методов является метод метроги- протранса, основанный на преобразовании заданной системы в рас- четную принятием следующих допущений:

- криволинейное очертание обделки заменяется вписанным много- угольником (рис.5);

- непрерывное изменение жесткости обделки заменяется ступенча- тым и постоянным в пределах каждой стороны многоугольника;

- распределенные нагрузки заменяют усилиями сосредоточенными в вершинах многоугольника;

- сплошную упругую среду заменяют отдельными упругими опора- ми расположенными перпендикулярно к поверхности обделки и помещенными в вершинах многоугольника.

Полученная расчетная схема обделки представлена на рис. 5. Угол характеризует зону безотпорного участка, которая устанавливается расчетом. Если при расчете реакций опор, поместить опоры в сектор, охватываемый углом , то их реакции получаются отрицательны- ми. Это соответствует ?отрыванию? обделки от породы и имеет фи- зический смысл только в случае анкеровки обделки в окружающую породу. Т.к. в нашем проекте этот вариант не рассматривается, то опоры, попавшие в этот сектор исключаются из рассмотрения, а ре- акции в них принимаются равными нулю (см. распечатку).

6.2. Основная система и канонические уравнения

Основная система представляет собой шарнирную цепь (шарниры в местах упругих опор и замке). Полученная основная система пред- ставлена на рис.6. Расчет ведется методом сил, т.к. он дает минимальное число неиз- вестных. За лишние неизвестные принимаются парные моменты в шарнирах, которые определяются решением системы канонических уравнений, каждое из которых исключает взаимный поворот стерж- ней сходящихся в шарнире.

Канонические уравнения записываются в следующем виде:

где - число узлов на полупериметре срединной линии обделки; и -угловые перемещения в точке ? ?по направлению неизвестного момента от действия парных единичных моментов, приложенных в точке ? ? и от внешних нагрузок ; - угол поворота пяты стены обделки от действия единичного момента в пяте, равный

где тс/м3– коэффициент упругого отпора пяты, - момент инерции сечения пяты. Угловые перемещения определяются по формулам строительной ме- ханики:

где - изгибающие моменты и нормальные силы в основ- ной системе от действия единичных моментов, приложенных в точ- ках ?i? и ?j?; – номер стержня конструкции или опоры; - уси- лия в опоре в основной системе от действия парных единичных мо- ментов, приложенных в точках ?i? и ?j?; - момент инерции, площадь сечения и длина стержня ; - характеристика жесткости опоры, определяемая по формуле:

где - ширина опоры.

В формуле (6.2.) 1-е слагаемое учитывает влияние изгиба стержней; 2-е слагаемое – продольное сжатие стержней, 3-е слагаемое – влияние осадки упругих опор.

где - осадка упругой опоры под действием единичной силы; коэф- фициент отпора породы на опоре ; - напряжение породы под опорой от действия единичной силы.

Основная система представлена на рисунке 6.

Для определения грузовых перемещений , усилия заменя- ем усилиями в основной системе от действия нагрузок. Рассмотрим метод построения эпюр Мр и Nр на примере узлов 1 и 2 (рис.7).

Дано: Р1, Р2, Е1, Е2 – внешняя нагрузка; V1p, H1p – реакции в шарнире от внешней нагрузки; х1, у1, х2, у2 координаты узлов.

Требуется найти реакцию опоры от действия внешней нагрузки R1p.

Для этого запишем уравнения моментов и приравняем их к нулю. Решая уравнения определим R1p и R2p. Проверкой может служить ус- ловие равенства нулю суммы проекции всех сил на ось ОХ. Аналогично определяется Rip.

Ту часть обделки, где наблюдается зона безотпорного участка, будем рассчитывать как трехшарнирную арку (рис. 8). По заданным значе- ниям нагрузок Р и Е, и координатам вершин углов можно найти реак- ции в шарнире V1р, Н1р и построить эпюру моментов на участке об- делки ?0 - 1?.

Эпюра моментов Мр в арке, изображенной на рис.6 будет ненулевой. На участке обделки ?1 - n? значения моментов от действия основной нагрузки в основной системе равны нулю.

Для определения значений ?ij коэффициентов требуется построить эпюры от действия единичных моментов в узлах 0 - n в основной сис- теме. Метод расчета остается тем же, что использовался при построе- нии эпюры Мр, а именно:

1. рассматривается трехшарнирная арка, изображенная на рис.

6, нагрузки Е и Р приравниваются к нулю, т.к. в методе сил основные нагрузки при построении эпюр моментов во вспо- могательных состояниях не рассматриваются; в узле ?0? при- кладывается единичный момент М0 = 1 (см. рис.8 ), строится эпюра моментов в арке, а также определяются значения реак- ций в шарнире V10 и H10;

2. полагая внешние нагрузки равными нулю, используя метод изложенный выше, построим эпюры М0, N0 и R0 (расчетная схема показана на рис.8);

3. прикладывая к основной системе в качестве внешней нагруз- ки момент М1 = 1, строим эпюры М1, R1, N1. Аналогично строятся эпюры для остальных вспомогательных состоя- ний.

Методом Верещагина вычисляем значения коэффициентов ?ij, ?i и, подставляя их в систему канонических уравнений, находим значения моментов в вершинах углов многоугольника, аппроксимирующего обделку.

Затем строим эпюры М, N и R для зоны безотпорного участка, опре- деляя значения расчетных величин в вершинах углов по следующим формулам:

где m – номер точки, для которой определяем значения М, N, и R; Мmp, Nmp, и Rmp – усилия в точке m основной системы в грузовом состоянии; Мmк, Nmк и Rmк – усилия в точке m основной системы в к-том вспомога- тельном состоянии; Мк – момент в точке к расчетной схемы.

Полученные в результате расчетов эпюры М, N и R для строительно- го и эксплуатационного периодов представлены на рисунках 9, 10. Данные расчета приведены в распечатке.

7. Выбор арматуры

В данном пункте определяется необходимая площадь сечения арма- туры в обделке. Для этого предварительно намечается три сечения, в которых значения момента экстремальны (рис. 8), и рассматриваются последовательно - в строительный и эксплуатационный периоды. Расчет ведем по первой группе предельных состояний по методу, из- ложенному в [3, стр. 137]

Сечение I-I (строительный период).

тс*м – изигбающий момент;

тс – нормальная сила;

м – толщина обделки;

м – эксцентриситет;

hоб/6= 0.29/6=0.048м;

е0
hо= hоб - а = 0.29 – 0.05=0.24 м – полезная толщина обделки;

Rпр=900 тс/м2 – призменная прочность бетона;

Rа=2100 тс/м2 – расчетная прочность арматуры;

Сечение I-I (эксплуатационный период).

Аналогично:

тс*м – изигбающий момент;

тс – нормальная сила;

м – толщина обделки;

м – эксцентриситет;

В следствие того, что исходные величины равны аналогичным вели- чинам строительного случая, то расчет не приволдится.

Определим площадь сечения арматуры из условия минимального ар- мирования. Минимальная степень армирования

Сечение II-II (строительный период).

тс*м – изигбающий момент;

тс – нормальная сила;

м – толщина обделки;

м – эксцентриситет;

hоб/6= 0.31/6=0.052м;

е0
hо= hоб - а = 0.31 – 0.05=0.26 м – полезная толщина обделки;

Rпр=900 тс/м2 – призменная прочность бетона;

Rа=2100 тс/м2 – расчетная прочность арматуры;

Следовательно,

Сечение II-II (эксплуатационный период).

Аналогично:

тс*м – изигбающий момент;

тс – нормальная сила;

м – толщина обделки;

м – эксцентриситет;

В следствие того, что исходные величины равны аналогичным вели- чинам строительного случая, то расчет не приволдится.

Определим площадь сечения арматуры из условия минимального ар- мирования. Минимальная степень армирования

Учитывая тот факт, что значение момента M в сечении III-III значи- тельно меньше, чем в сечении II-II, делается вывод, что в сечении III-

Окончательно принимаем арматуру:

Схема армирования показана на рис. 11.

Литература

1. Васильев И.М. Расчет монолитных обделок гидротехнических туннелей. – Л.: ЛПИ, 1980.

2. Автоматизированный расчет усилий в обделках гидротехниче- ских туннелей. Методические указания. – Л.: ЛПИ, 1983.

3. Руководство по проектированию гидротехнических туннелей. Гидропроект им. С.Я. Жука. – М. Стройиздат, 1982.