地下输煤隧道计算方法探讨

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1、地下输煤隧道计算方法探讨姜东,李红星,刘明秋（西北电力设计院，西安市，710075）[摘要]地下结构在火力发电厂土建结构中占据重要地位，其结构设计复杂且工程量巨大，长期以来成为工程师们设计优化关注的重点。采用合理的计算方法，准确模拟结构实际受力，成为优化设计和降低工程造价的关键。文章以从从地下输煤隧道这一简单结构入手，采用弹性地基理论和有限元分析方法，针对不同的边界约束，不同的单元类型和不同的地基刚度分析结构受力的变化，探索较为符合实际的计算方法，为设计提供参考。[关键词]输煤隧道；弹性地基；有限元；边界约束；单元类型；地基刚度中图分类号：TU93,TU311,4文献标志码：B文章

2、编号：1000-7229（2009）00-0000-00收稿日期：2008-10-28作者简介：姜东（1981—），男，硕士，研究方向混凝土结构。1、0引言地下输煤隧道是一种地下特种结构。地下结构，在火力发电厂结构设计中属于重要的构筑物，具有工程量大和、设计难度大等特点。在目前当前的，设计过程中，（缺定语）结构截面大，配筋率高和抗裂性不易满足，成为结构优化的主要难题。因此，探索适用的设计理论和合理的设计方法，对结构的安全性和经济性都有着十分重要的意义。根据结构的类型和地基条件，基础的设计方法通常有简化计算方法、弹性地基计算方法和考虑上部结构刚度的方法等等。目前输煤隧道的计算普遍采用

3、简化计算方法（见本文的模型5），即沿隧道取1m长作为计算单元，单元类型简化为杆件单元，侧壁底端采用固定铰支座，然后将土体作为外加荷载，这种方法可简称为倒梁法。其计算简便，但对于均匀天然地基条件下偏于保守，其缺陷主要有两个方面：单元类型（把隧道简化为刚性杆件单元）和边界约束（侧壁底端铰接）。弹性地基计算方法也有多种，如Winke地基上梁的求解、有限压缩层地基上梁的求解、有限元法和有限差分法等等，不同的方法适用于不同刚度的地基、基础以及荷载分布条件。本文运用以上理论，采用有限元法建立隧道结构模型，将地基简化为一系列不相关联的、独立的弹簧组成的体系，每一个弹簧的竖向位移仅与作用于上面的压

4、力有关，用弹簧等效了作用力面积下的土柱，考虑了上部结构与地基基础的相互作用，结果更为符合实际。本文结合韩城电厂实际的工程情况，采用有限元软件ANSYS和STAAD，分析了单元类型（实体单元、梁单元、杆件单元三种）、约束条件（侧壁底端铰接、把土体简化为弹性支座、考虑周围土体三种）和弹簧刚度对结构受力的影响，得出了结构受力的差异和变化幅度，可以解除结构工程师们对于结构模型选取和弹簧刚度取值上的担忧。72、1计算模型2.11.1几何模型和材料参数图1计算模型隧道总长24m；，内部净空宽度7m，高度2.7m；，侧壁厚1.2m，顶板和底板厚1.1m，顶板以上覆土厚度11.851m，如图1。覆

5、土：密度19kN/m3，内摩擦角20°。隧道混凝土：设计强度等级C30，弹性模量Ec=30GPa，泊松比为0.167。图1几何模型21.2荷载取值顶板上回填土的自重加和汽车的荷载共计236.8kN/m3，顶板自重27.5kN/m3，侧壁传到底板的自重27.8kN/m3，荷载简图见图１。21.3计算模型根据不同的模型，采用了3种约束方式，约束1为模型不考虑地基影响时，在侧壁底端施加铰接约束，一端约束三个方向，另一端约束竖向，见图２。约束2为模型将地基简化为弹性杆时，在杆件外侧施加固定约束，见图３。约束3为模型考虑周围土体时，在土体四周施加固定约束，见图４。7图２　约束1图３　约束2图

6、４约束3计算模型分为三3组，：第一1组是为了比较不同计算长度的影响，；第二2组是为了比较不同的单元类型的影响；第三3组是为了比较不同的边界约束的影响。各类模型的选择及其描述详见表1。模型1–~5为不考虑地基影响的各种模型之间的比较，以便于合理选取弹性地基计算的模型。模型6和模型7考虑了地基的影响，模型6将会考虑土体特性，即弹簧刚度变化的影响；，模型7是采用另外一种约束方式来进行验证模型6的计算结果。表1中模型5为简化计算方法使用的模型，采用STAAD计算软件，其余模型采用ANSYS计算软件进行分析，软件输出模型的图形见图5-图~11。表1计算模型（怎么没有第2组）组模型号模型描述加

7、载情况边界约束第一组模型１1米m长实体单元四个边都加荷载约束1模型２10米m长实体单元四个边都加荷载约束1模型３24米m长实体单元四个边都加荷载约束1第一组模型4梁单元四个边都加荷载约束1模型5杆件单元四个边都加荷载约束1第三三组模型61米m实体单元，将底部的土体简化为弹性杆，仅在顶板和侧壁加荷载约束2模型724米m实体单元，将考虑底板下周围25m范围内的土体考虑进来仅在顶板和侧壁加荷载约束3图5模型１图6模型２7图7模型３图8模型４图9模型５图10模型６图11模型７