地下輸煤隧道計(jì)算方法探討

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1、地下輸煤隧道計(jì)算方法探討姜東,李紅星,劉明秋（西北電力設(shè)計(jì)院，西安市，710075）[摘要]地下結(jié)構(gòu)在火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜且工程量巨大，長期以來成為工程師們設(shè)計(jì)優(yōu)化關(guān)注的重點(diǎn)。采用合理的計(jì)算方法，準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)實(shí)際受力，成為優(yōu)化設(shè)計(jì)和降低工程造價的關(guān)鍵。文章以從從地下輸煤隧道這一簡單結(jié)構(gòu)入手，采用彈性地基理論和有限元分析方法，針對不同的邊界約束，不同的單元類型和不同的地基剛度分析結(jié)構(gòu)受力的變化，探索較為符合實(shí)際的計(jì)算方法，為設(shè)計(jì)提供參考。[關(guān)鍵詞]輸煤隧道；彈性地基；有限元；邊界約束；單元類型；地基剛度中圖分類號：TU93,TU311,4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章

2、編號：1000-7229（2009）00-0000-00收稿日期：2008-10-28作者簡介：姜東（1981—），男，碩士，研究方向混凝土結(jié)構(gòu)。1、0引言地下輸煤隧道是一種地下特種結(jié)構(gòu)。地下結(jié)構(gòu)，在火力發(fā)電廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中屬于重要的構(gòu)筑物，具有工程量大和、設(shè)計(jì)難度大等特點(diǎn)。在目前當(dāng)前的，設(shè)計(jì)過程中，（缺定語）結(jié)構(gòu)截面大，配筋率高和抗裂性不易滿足，成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要難題。因此，探索適用的設(shè)計(jì)理論和合理的設(shè)計(jì)方法，對結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性都有著十分重要的意義。根據(jù)結(jié)構(gòu)的類型和地基條件，基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法通常有簡化計(jì)算方法、彈性地基計(jì)算方法和考慮上部結(jié)構(gòu)剛度的方法等等。目前輸煤隧道的計(jì)算普遍采用

3、簡化計(jì)算方法（見本文的模型5），即沿隧道取1m長作為計(jì)算單元，單元類型簡化為桿件單元，側(cè)壁底端采用固定鉸支座，然后將土體作為外加荷載，這種方法可簡稱為倒梁法。其計(jì)算簡便，但對于均勻天然地基條件下偏于保守，其缺陷主要有兩個方面：單元類型（把隧道簡化為剛性桿件單元）和邊界約束（側(cè)壁底端鉸接）。彈性地基計(jì)算方法也有多種，如Winke地基上梁的求解、有限壓縮層地基上梁的求解、有限元法和有限差分法等等，不同的方法適用于不同剛度的地基、基礎(chǔ)以及荷載分布條件。本文運(yùn)用以上理論，采用有限元法建立隧道結(jié)構(gòu)模型，將地基簡化為一系列不相關(guān)聯(lián)的、獨(dú)立的彈簧組成的體系，每一個彈簧的豎向位移僅與作用于上面的壓

4、力有關(guān)，用彈簧等效了作用力面積下的土柱，考慮了上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的相互作用，結(jié)果更為符合實(shí)際。本文結(jié)合韓城電廠實(shí)際的工程情況，采用有限元軟件ANSYS和STAAD，分析了單元類型（實(shí)體單元、梁單元、桿件單元三種）、約束條件（側(cè)壁底端鉸接、把土體簡化為彈性支座、考慮周圍土體三種）和彈簧剛度對結(jié)構(gòu)受力的影響，得出了結(jié)構(gòu)受力的差異和變化幅度，可以解除結(jié)構(gòu)工程師們對于結(jié)構(gòu)模型選取和彈簧剛度取值上的擔(dān)憂。72、1計(jì)算模型2.11.1幾何模型和材料參數(shù)圖1計(jì)算模型隧道總長24m；，內(nèi)部凈空寬度7m，高度2.7m；，側(cè)壁厚1.2m，頂板和底板厚1.1m，頂板以上覆土厚度11.851m，如圖1。覆

5、土：密度19kN/m3，內(nèi)摩擦角20°。隧道混凝土：設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級C30，彈性模量Ec=30GPa，泊松比為0.167。圖1幾何模型21.2荷載取值頂板上回填土的自重加和汽車的荷載共計(jì)236.8kN/m3，頂板自重27.5kN/m3，側(cè)壁傳到底板的自重27.8kN/m3，荷載簡圖見圖１。21.3計(jì)算模型根據(jù)不同的模型，采用了3種約束方式，約束1為模型不考慮地基影響時，在側(cè)壁底端施加鉸接約束，一端約束三個方向，另一端約束豎向，見圖２。約束2為模型將地基簡化為彈性桿時，在桿件外側(cè)施加固定約束，見圖３。約束3為模型考慮周圍土體時，在土體四周施加固定約束，見圖４。7圖２　約束1圖３　約束2圖

6、４約束3計(jì)算模型分為三3組，：第一1組是為了比較不同計(jì)算長度的影響，；第二2組是為了比較不同的單元類型的影響；第三3組是為了比較不同的邊界約束的影響。各類模型的選擇及其描述詳見表1。模型1–~5為不考慮地基影響的各種模型之間的比較，以便于合理選取彈性地基計(jì)算的模型。模型6和模型7考慮了地基的影響，模型6將會考慮土體特性，即彈簧剛度變化的影響；，模型7是采用另外一種約束方式來進(jìn)行驗(yàn)證模型6的計(jì)算結(jié)果。表1中模型5為簡化計(jì)算方法使用的模型，采用STAAD計(jì)算軟件，其余模型采用ANSYS計(jì)算軟件進(jìn)行分析，軟件輸出模型的圖形見圖5-圖~11。表1計(jì)算模型（怎么沒有第2組）組模型號模型描述加

7、載情況邊界約束第一組模型１1米m長實(shí)體單元四個邊都加荷載約束1模型２10米m長實(shí)體單元四個邊都加荷載約束1模型３24米m長實(shí)體單元四個邊都加荷載約束1第一組模型4梁單元四個邊都加荷載約束1模型5桿件單元四個邊都加荷載約束1第三三組模型61米m實(shí)體單元，將底部的土體簡化為彈性桿，僅在頂板和側(cè)壁加荷載約束2模型724米m實(shí)體單元，將考慮底板下周圍25m范圍內(nèi)的土體考慮進(jìn)來僅在頂板和側(cè)壁加荷載約束3圖5模型１圖6模型２7圖7模型３圖8模型４圖9模型５圖10模型６圖11模型７