Реферат: Проектирование и расчет обделки гидротехнических туннелей
Название: Проектирование и расчет обделки гидротехнических туннелей Раздел: Рефераты по географии Тип: реферат | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Пояснительная записка к курсовой работе Студент Гиргидов А.А., Группа : 5011/1 Санкт-Петербургский Государственный технический университет Кафедра подземных сооружений, оснований и фундаментов 2000 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:
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; м. Согласно таблице 2 [1, стр.17], получаем следующие соотношения основных размеров: м; . Выбор формы сечения туннеля Выбор формы поперечного сечения туннеля осуществляется с учетом условий статической работы обделки, гидравлических условий пропуска воды, а также способов и условий производства работ при сооружении 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 коэффициентом крепости породы , окружающей туннель. Согласно таблице 1. [1, стр.14] поперечное сечение туннеля принимается корытообразную форму (II форма). 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 назначается по следующим зависимостям: м; ; м; м. Обделка выполняется из железобетона, для этого используется бетон марки М 200 и арматура класса А II. Определение нормативных и расчетных нагрузок, их сочетаний и коэффициентов упругого отпора породы Одной из основных нагрузок, действующих на обделку туннеля, является 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, оказывающего 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 вертикального и горизонтального горных давлений принимаются равномерными по пролету и высоте выработки : м; м. Вертикальное горное давление определяется по формуле: , где - коэффициент, равный при м; - удельный вес грунта т/м3 ; Высота свода обрушения , определяется по формуле: , где - пролет свода обрушения: м, где - расчетный угол внутреннего трения породы; . Таким образом, получается, что тс/м. Горизонтальное нормативное горное давление определяется по формуле: тс/м. Возможность возникновения давления на обделку снизу (дутье) проверяется по условию: , где тс/м2 - сцепление породы по подошве выработки; тс/м; . Следовательно, тс/м, следовательно, дутья нет. Так как давление на обделку снизу отсутствует, принимается разомкнутая конструкция обделки. Определение расчетного коэффициента отпора : по боковой поверхности , где кгс/см3 - коэффициент удельного отпора, м; тс/м3 ; по подошве стены , где - коэффициент поперечной деформации породы, тс/м3 . Для статического расчета обделки, который будет выполнен далее, выделим на срединной линии обделки 12 точек и определим их положение в системе координат, положение которой показано на рисунке 3. Для каждой точки определим координаты х и у, а также толщину обделки. Полученные результаты представим в виде таблицы и туда же запишем значения коэффициентов отпора К . Таблица 5.1.
Статический расчет монолитной обделки туннеля 6.1Краткое описание метода метрогипротранса Обделка туннеля, имеющая произвольную форму и окруженная упругой средой является бесконечное число раз статически неопределимой системой, точное определение усилий и реакций в которой невозможно в настоящее время. Для определения внутренних усилий в обделке используют численные методы дающие приближенное решение. Одним из наиболее точных методов является метод метрогипротранса, основанный на преобразовании заданной системы в расчетную принятием следующих допущений: криволинейное очертание обделки заменяется вписанным многоугольником (рис.5); непрерывное изменение жесткости обделки заменяется ступенчатым и постоянным в пределах каждой стороны многоугольника; распределенные нагрузки заменяют усилиями сосредоточенными в вершинах многоугольника; сплошную упругую среду заменяют отдельными упругими опорами расположенными перпендикулярно к поверхности обделки и помещенными в вершинах многоугольника. Угол характеризует зону безотпорного участка, которая устанавливается расчетом. Если при расчете реакций опор, поместить опоры в сектор, охватываемый углом , то их реакции получаются отрицательными. Это соответствует ²отрыванию² обделки от породы и имеет физический 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 реакции в них принимаются равными нулю (см. распечатку). Основная система и канонические уравнения Основная система представляет собой шарнирную цепь (шарниры в местах упругих опор и замке). Расчет ведется методом сил, т.к. он дает минимальное число неизвестных. За лишние неизвестные принимаются парные моменты в шарнирах, которые определяются решением системы канонических уравнений, каждое из которых исключает взаимный поворот стержней сходящихся в шарнире. Канонические уравнения записываются в следующем виде: (6.1) где - число узлов на полупериметре срединной линии обделки; и -угловые перемещения в точке ²²по направлению неизвестного момента от действия парных единичных моментов, приложенных в точке ²² 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 механики: ; (6.2) где - изгибающие моменты и нормальные силы в основной системе от действия единичных моментов, приложенных в точках ²i² и ²j²; – номер стержня конструкции или опоры; - усилия в опоре в основной системе от действия парных единичных моментов, приложенных в точках ²i² и ²j²; - 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; коэффициент отпора породы на опоре ; - напряжение породы под опорой от действия единичной силы. Основная система представлена на рисунке 6. Для определения грузовых перемещений , усилия заменяем 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; V1 p , H1 p – реакции в шарнире от внешней нагрузки; х1 , у1 , х2 , у2 координаты узлов. Требуется найти реакцию опоры от действия внешней нагрузки R1 p . Для этого запишем уравнения моментов и приравняем их к нулю. Решая уравнения определим R1 p и R2 p . Проверкой может служить условие 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. По заданным значениям нагрузок Р и Е, и координатам вершин углов можно найти реакции в шарнире V1р , Н1р и построить эпюру моментов на участке обделки ²0 - 1². Эпюра моментов Мр в арке, изображенной на рис.6 будет ненулевой. На участке обделки ²1 - n² значения моментов от действия основной нагрузки в основной системе равны нулю. Для определения значений dij коэффициентов требуется построить эпюры от действия единичных моментов в узлах 0 - n в основной системе. Метод расчета остается тем же, что использовался при построении эпюры Мр , а именно: рассматривается трехшарнирная арка, нагрузки Е и Р приравниваются к нулю, т.к. в методе сил основные нагрузки при построении эпюр моментов во вспомогательных состояниях не рассматриваются; в узле ²0² прикладывается единичный момент М0 = 1 (см. рис.8 ), строится эпюра моментов в арке, а также определяются значения реакций в шарнире V10 и H10 ; полагая внешние нагрузки равными нулю, используя метод изложенный выше, построим эпюры М0 , N0 и R0 (расчетная схема показана на рис.8); прикладывая к основной системе в качестве внешней нагрузки момент М1 = 1, строим эпюры М1 , R1 , N1 . Аналогично строятся эпюры для остальных вспомогательных состояний. Методом Верещагина вычисляем значения коэффициентов dij , Di 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, определяя 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; Мm к , Nm к и Rm к – усилия в точке m основной системы в к-том вспомогательном состоянии; Мк – момент в точке к расчетной схемы. Выбор арматуры В данном пункте определяется необходимая площадь сечения арматуры в обделке. Для этого предварительно намечается три сечения, в которых значения момента экстремальны, и рассматриваются последовательно - в строительный и эксплуатационный периоды. Расчет ведем по первой группе предельных состояний по методу, изложенному 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 <h0б /6; 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; kн =1,2; F¢а = 0. тс*м. , Следовательно, ; м; см2 . 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 величинам строительного случая, то расчет не приволдится. Определим площадь сечения арматуры из условия минимального армирования. Минимальная степень армирования ; . Т.о., см2 , см2 , 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 <h0б /6; 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; kн =1,2; F¢а = 0. тс*м. , Следовательно, ; м; см2 . 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 величинам строительного случая, то расчет не приволдится. Определим площадь сечения арматуры из условия минимального армирования. Минимальная степень армирования ; . Т.о., см2 , см2 , Учитывая тот факт, что значение момента M в сечении III-III значительно меньше, чем в сечении II-II, делается вывод, что в сечении III-III определяющим является Cечение III-III: . Окончательно принимаем арматуру: см2 ¾ 5 Æ 30 мм; см2 ¾ 10 Æ 26 мм; см2 ¾ 5 Æ 12 мм. Список литературы Васильев И.М. Расчет монолитных обделок гидротехнических туннелей. – Л.: ЛПИ, 1980. Автоматизированный расчет усилий в обделках гидротехнических туннелей. Методические указания. – Л.: ЛПИ, 1983. Руководство по проектированию гидротехнических туннелей. Гидропроект им. С.Я. Жука. – М. Стройиздат, 1982. |