ВКР Поплавский ПЗ (1052688), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Произведя расчёт и получив результаты, вычерчиваются эпюры усилий в элементах обделок:
– для обоих типов тоннельных обделок на 1 участке ПК 2071+58 – по теории сводообразования [6], т.к. наибольшие усилия в элементах возникают именно на этом участке.
Полные результаты расчётов по усилиям в элементах обделок приведены в табличной форме в приложении А, Б, В и Г.
4.2.4.1 Расчётные усилия в обделке Тип 1
В обделке Тип 1 максимальные усилия возникают на первом расчётном участке. Эпюры этих усилий приведены на рис. 4.5.
Рис. 4.5 – Эпюры максимальных внутренних усилий в обделке Тип 1 рассчитанных при помощи ПК ЛИРА-САПР 2013
Эпюры расчётных усилий в обделке Тип 1 на втором расчётном участке приведены на чертеже №6.
4.2.4.2 Расчётные усилия в обделке Тип 2
В обделке Тип 2 максимальные усилия возникают на первом расчётном участке по теории сводообразования [6]. Эпюры этих усилий приведены на рис. 4.6.
Рис. 4.6 – Эпюры максимальных внутренних усилий в обделки Тип 2 в ПК ЛИРА-САПР 2013
Эпюры расчётных усилий в обделке Тип 2 на втором расчётном участке приведены на чертеже №7.
4.3 Расчёт тоннельной обделки в ПК Midas GTS NX 2016
4.3.1 Описание Midas GTS NX 2016
Расчет и анализ напряженно-деформированного состояния конструкции численным методом был произведен в программном комплексе корейского производства Midas GTS NX (V 2.1) 2016.
Программный комплекс позволяет решать широкий круг задач при проектировании подземных сооружений в нелинейной постановке, в том числе те, которые в аналитической постановке классическими методами имеют очень сложное решение, либо вообще не решаются.
Расчетные схемы можно моделировать как в 2-х, так и в 3-х мерной постановке с учетом влияния грунтовых вод и их фильтрации. В программе реализована возможность использования множества нелинейных моделей конечных элементов грунта: Мора-Кулона, Друккера-Прагера, Хоека-Брауна и многих других, позволяющих моделировать как скальные, так и более слабые типы грунтов вплоть до текучей консистенции. Также можно решать задачи, связанные с совместной работой конструкции и окружающего ее грунтового массива с учетом стадийности возведения конструкции и сформировавшихся исторических напряжений грунта. Кроме того можно моделировать различные граничные условия в местах контакта возводимой конструкции с массивом грунта, а также в местах сопряжения самих элементов сооружения.
4.3.2 Исходные данные, необходимые для расчета в ПК Midas GTS NX 2016
Расчётные сечения построены по оси тоннеля на участке 1 (ПК 2071+58) и 2 (ПК 2074+58).
ГВВ и подошвы слоёв грунта приняты согласно продольному профилю чертеж №1.
Материалы, моделирующие грунт, рассмотрены как нелинейно-деформируемые с критериями прочности по упругопластической теории Мора-Кулона.
Исходные данные, необходимые для расчета в ПК Midas GTS NX 2016:
1. Физико-механические характеристики грунтов приняты по таблице 1.1.
2. Коэффициент Пуассона для железобетонных элементов принят равным ν=0,2 (п. 7.32 [11]), для чугунных принят равным ν=0,3 (таблица Г.10 [10]).
3. Материал, описывающий обделку, рассмотрен как линейно-деформируемый (эластичный):
– чугун СЧ 20, модуль упругости Е=98000 МПа, коэффициент Пуассона ν=0,3, удельный вес g=72 кН/м3.
– бетон B45, модуль упругости Е=37000 МПа, коэффициент Пуассона ν=0,2, удельный вес g=25 кН/м3.
4.3.3 Расчётные схемы
По причине того, что сооружение является линейным, оценка его НДС может быть проведена при помощи плоской расчетной схемы (далее РС).
РС представляет собой плоскую модель поперечного сечения тоннеля с окружающим грунтовым массивом. Схема состоит из конечных элементов, определяющих конфигурацию и свойства конструкции, окружающего грунтового массива, а также особенности свойств контактных поверхностей.
Система координат (приведены положительные направления осей): ось X – направлена слева направо, ось Y – направлена снизу вверх. Центр системы координат расположен в правой нижней точке грунтового массива.
Для моделирования грунта и конструкции тоннеля использованы стандартные 3-х узловые конечные элементы (КЭ).
Для обделки типов 1 и 2 для участков 1 и 2 расчётная схема в ПК Midas GTS NX будет иметь вид, приведенные на рис. 4.7, 4.8.
Рис. 4.7 – Расчётная схема в ПК Midas GTS NX для 1 участка ПК 2071+58
Рис. 4.8 – Расчётная схема в ПК Midas GTS NX для 2 участка ПК 2074+58
Для воссоздания «естественного» напряженного состояния в грунтовом массиве в качестве первой стадии расчета принята стадия вычисления исторических напряжений в грунтовом массиве. Отсутствие натурных данных о величинах и ориентации естественных (бытовых) напряжений в массиве обусловило учет лишь гравитационной составляющей этих напряжений. Т.е. в каждой точке расчетной области вертикальная компонента напряжений равна:
(4.11)
где g – удельный вес грунта, кН/м3;
h – глубина заложения, м.
Горизонтальные компоненты напряжений равны между собой:
(4.12)
где 
– коэффициент Пуассона.
Таким образом, учитывая особенности программного комплекса, приняты следующие стадии расчета:
1) Стадия 1. Стадия определения исторических (природных) напряжений;
2) Стадия 2. Очистка перемещений;
3) Стадия 3. Разработка грунта и сооружение обделки.
4.3.4 Результаты расчётов в ПК Midas GTS NX 2016
Произведя расчёт и получив результаты, приводятся эпюры усилий в элементах обделок:
– для обоих типов тоннельных обделок на 1 участке ПК 2071+58 т.к. наибольшие усилия в стрежнях возникают именно на этом участке.
Полные результаты расчётов по усилиям в элементах обделок приведены в табличной форме в приложении Д, Е, Ж и З.
4.3.4.1 Расчётные усилия в обделке Тип 1
В обделке тип 1 максимальные усилия возникают на первом расчётном участке. Эпюры усилий приведены на рис. 4.9, 4.10, 4,11.
Рисунок 4.9 – Эпюра нормальных сил N для 1 типа обделки на 1 участке
Рисунок 4.10 – Эпюра изгибающих моментов M для 1 типа обделки на 1 участке
Рис. 4.11 – Эпюра перерезывающих сил Q для 1 типа отделки на 1 участке
4.3.4.2 Расчётные усилия в обделке Тип 2
В обделке Тип 2 максимальные усилия возникают на первом расчётном участке. Эпюры усилий приведены на рис. 4.12, 4.13, 4,14
Рисунок 4.12 – Эпюра нормальных сил N для 2 типа обделки на 1 участке
Рисунок 4.13 – Эпюра изгибающих моментов M для 2 типа обделки на 1участке
Рис. 4.14 – Эпюра перерезывающих сил Q для 2 типа обделки на 1 участке
4.4 Сравнение вариантов и выбор оптимального варианта тоннельной обделки
Произведем сравнение вариантов обделки тоннеля по экономическим и техническим характеристикам. В результате сравнения выбирается оптимальный вариант для дальнейшей проработки.
4.4.1 Сравнение вариантов
Подсчёт объёмов и стоимостей производится в табличной форме:
– обделка тип 1 – Приложение Б;
– обделка тип 2 – Приложение В.
На основании подсчета стоимости и выполненных расчётов по определению усилий в элементах тоннельной обделки делается вывод о целесообразности использования в процессе сооружения тоннеля одного из типов тоннельных обделок.
Наибольшие усилия в элементах тоннельных обделок вычисленные в ПК ЛИРА-САПР 2013 и ПК Midas GTS NX 2016 приведены в таблицах 4.7, 4.8.
Таблица 4.7 – Наибольшие значения усилий в элементах чугунной обделки (Тип 1) на 1 расчётном участке
| Программный комплекс | Номер элемента | Номер узла | Максимальные значения усилий | ||
| M, кНм | N, кН | Q, кН | |||
| ПК ЛИРА-САПР 2013 | 1 | 1 | 32,4 | – | – |
| 2 | 27,5 | – | – | ||
| 14 | 14 | – | -880,2 | – | |
| 15 | – | -880,2 | – | ||
| 3 | 3 | – | – | 23,2 | |
| 4 | – | – | 23,2 | ||
| ПК Midas GTS NX | 28 | 14 | 37,6 | – | – |
| 15 | 38,8 | – | – | ||
| 23 | 42 | – | -847,2 | – | |
| 43 | – | -847,2 | – | ||
| 34 | 8 | – | – | 18,98 | |
| 9 | – | – | 18,98 | ||
Таблица 4.8 – Наибольшие значения усилий в элементах железобетонной тоннельной обделки (Тип 2) на 1 расчётном участке
| Программный комплекс | Номер элемента | Номер узла | Максимальные значения усилий | ||
| M, кНм | N, кН | Q, кН | |||
| ПК ЛИРА-САПР 2013 | 1 | 1 | 42,5 | – | – |
| 2 | 36,4 | – | – | ||
| 14 | 14 | – | -912,9 | – | |
| 15 | – | -912,9 | – | ||
| 3 | 3 | – | – | 28,4 | |
| 4 | – | – | 28,4 | ||
| ПК Midas GTS NX | 28 | 14 | 44,3 | – | – |
| 15 | 45,6 | – | – | ||
| 23 | 42 | – | -854,6 | – | |
| 43 | – | -854,6 | – | ||
| 34 | 8 | – | – | 23,0 | |
| 9 | – | – | 23,0 | ||
Усилия, полученные при расчёте в двух программных комплексах: ПК ЛИРА-САПР 2013, нагрузки для расчёта которого были найдены аналитическим методом с учетом требований норм [3], основанного на теоретических методах статического расчета тоннельных обделок и исследований взаимодействия обделок и окружающего грунтового массива как элементов единой деформируемой системы с помощью аналитических решений соответствующих плоских задач теории упругости и ПК Midas GTS NX 2016 с помощью численного метода расчёта которого выполняется математическое моделирование напряженно-деформированного состояния грунтового массива и конструкции строящегося подземного сооружения довольно сравнимы:
Для 1 типа тоннельной обделки: максимальный изгибающий равен 32,4 кН/м (ПК ЛИРА-САПР 2013), 38,8 кН/м (ПК Midas GTS NX 2016), максимальная нормальная сила равна -880,2 кН (ПК ЛИРА-САПР 2013), -847,2 кН (ПК Midas GTS NX 2016).
Для 2 типа тоннельной обделки максимальный изгибающий равен 42,5 кН/м (ПК ЛИРА-САПР 2013), 44,3 кН/м (ПК Midas GTS NX 2016), максимальная нормальная сила равна -912,9 кН (ПК ЛИРА-САПР 2013), -854,6 кН (ПК Midas GTS NX 2016).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
