中國礦業大學力學與建築工程學院
2014~2015學年度第二學期
《地下建築結構》課程設計
力學與建築工程學院教學管理辦公室
中國礦業大學力學與建築工程學院
《地下建築結構》課程設計任務書
《地下建築結構》課程設計是教學計畫要求中的乙個重要教學環節,是在通過學習地下建築結構相關知識、相關理論的基礎上，結合地下工程專業方向的具體特點而進行的一次教學實踐活動。
通過課程設計，結合相關的設計要求，掌握地下建築結構設計中的部分設計內容，使學生所學到的基礎理論和專業技術知識系統、鞏固、延伸和拓展，培養學生自身獨立思考和解決工程實際問題的能力，學會使用各種相關的工具書及查詢資料。
完成地下建築結構設計書乙份，內容包括設計計算書、內力圖和設計截面圖。
一、設計題目
某整體式直牆拱形襯砌的計算。
二、設計資料
某隧道埋深85m，圍岩為ⅲ級圍岩，rqd=85%，rc=57.4mpa，容重γ0=25 kn/m3，彈性抗力係數kpa。採用整體式直牆拱混凝土襯砌，混凝土標號為c30。
頂拱是變厚度的單心圓拱，拱的淨矢高f0＝3.7m，淨跨l0＝11.3m。
牆淨高按3.5公尺算。初步擬定拱頂厚度mm，拱腳厚度mm，邊牆的厚度為mm，牆底厚度增加mm。
試進行襯砌內力計算與截面校核。若截面校核不通過，請重新設計襯砌厚度並進行計算與校核。
變數x和y根據個人學號確定，具體方法為：設學號後三位為abc，則，。例如：abc=123，則，。
三、課程設計要求
本課程設計目的在於培養學生獨立閱讀資料、掌握技術資訊、分析問題和解決問題的能力。
每個同學必須認真設計、獨立完成，主要內容包括：
1、結合設計資料，編寫設計計算書；
2、根據計算結果繪製直牆拱的內力圖和設計截面圖。
襯砌結構示意圖
整體式直牆拱形襯砌的計算
某隧道埋深85m，圍岩為ⅲ級圍岩，rqd=85%，rc=57.4mpa，容重γ0=25 kn/m3，彈性抗力係數kpa。採用整體式直牆拱混凝土襯砌，混凝土標號為c30。
頂拱是變厚度的單心圓拱，拱的淨矢高f0＝3.7m，淨跨l0＝11.3m。
牆淨高按3.5公尺算。初步擬定拱頂厚度do=0.
254m，拱腳厚度dn=0.307m，邊牆的厚度為dc=0.507m，牆底厚度增加mm。
試進行襯砌內力計算與截面校核。若截面校核不通過，請重新設計襯砌厚度並進行計算與校核。
(一)結構幾何尺寸計算
（1）拱圈內圓幾何尺寸
內圓淨跨：l0＝11.3m，內圓矢高f0＝3.7m
內圓半徑計算：，從而有：
(2)拱圈軸線圓的幾何尺寸
拱腳截面與拱頂截面厚度之差：
軸線圓與內圓的圓心距：
軸線圓半徑：
計算跨度：
計算矢高：
（3）拱圈外圓幾何尺寸
外圓跨度：
外圓矢高：
外圓半徑：
外圓與軸線圓的圓心距：
（4）校核公式
外圓與軸線的圓心距：
（5）側牆的幾何尺寸
拱腳中心到側牆中心線的垂直距離：
側牆的計算長度（從拱腳中心算起）：
結構總高：
（二）計算拱頂單位變位
採用分塊總和法計算變位，將半拱軸線長分10等分，計算過程列於表1，故拱頂單位變位：
校核計算：
判別： 說明單位變位計算結果正確。
表1 變截面圓拱拱頂單位變位計算（見附圖）
（三）計算拱頂載變位
1計算荷載
（1）岩石堅固係數，隧道半跨度：
（考慮到有一定的間隙）
隧道埋深h=85m>(2-2.5)h1，屬於深埋
因此圍岩豎直壓力：
（採用均布荷載模式）
（2）自重計算
因此：在實際設計中，外載還應包括超挖回填引起的拱頂荷載，一般取30cm回填高度，可忽略不計。
2計算載變位
先分別計算在均布荷載和三角形荷載作用下的載變位，然後疊加，計算過程列於表2。
表2 變截面圓拱拱頂載變位計算(見附圖)
在均布荷載q作用下的載變位：
在三角荷載作用下的載變位：
拱頂總載變位：
校核計算：
，可見計算正確。
, 滿足要求！
（四）在荷載作用下多餘未知力的計算
1判別側牆型別
側牆特徵長度：
<2.75，故側牆屬於短梁
2計算牆頂單位變位。根據查表得：
3由外載引起的牆頂彎矩與水平力
4計算多餘未知力
（五）彈性抗力作用下多餘未知力的計算
1計算時引起的牆頂截面內力及變位
通過積分可得到：
因此牆頂內力（要考慮偏心距）：
牆頂變位：
2計算時的拱頂載變位
採用分塊總和法計算，將彈性抗力所分布拱軸線長對應圓心角四等分
3計算時的多餘未知力
4計算彈性抗力
根據及從而可求得
5.在彈性抗力作用下多餘未知力計算
（六）計算彈性抗力及外載共同作用下的多餘未知力
（七）計算拱圈內力
1.拱圈任一截面的內力
各截面的內力計算見表3
（八）計算邊牆內力
因對稱，故僅計算左邊牆。邊牆屬於短梁，按短梁相應公式計算。牆頂的力矩mo及水平力qo
上式中最後兩項是由於拱腳軸線與邊牆軸線偏心距0.0266m所引起的彎矩。
牆頂的豎向力為：
牆頂的角變與水平位移為
將邊牆分為五等段,每段的自重為:
將座標原點取在牆頂,求11到16各截面的彎矩，軸力和彈性抗力。將以上各相應的數值代入下列計算式中
函式可根據相應公式算出，計算結果見表四。
結構設計步驟計算
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