地下输煤隧道计算方法探讨 - 图文

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 陕西省西安市高新区团结南路20号土建室 710075）

JIANGD Dong，LI Hong-xing，LIU Ming-qiu

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。本文以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。

Abstract:

The underground structures take a very important role in the civil engineering structure of power plant. Because the structure is very complex and the engineering quantity is very large, so it is the focus for engineers to optimize. Reasonable and factual calculation method is the key for engineers to optimize and to reduce construction cost. The text according to the simple structure coal-handling tunnel, use elastic foundation theory and finite element method, analyze the influences of element type, boundary restriction and foundation stiffness to the structure, seek the actual calculation method, supplied to the design.

关键词: 输煤隧道 弹性地基 有限元 边界约束 单元类型

Keywords: coal-transported tunnel, elastic foundation, finite element, boundary restriction, element

type

1、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。目前结构截面大，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。

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2、计算模型

2.1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。

覆土：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。 2.2荷载取值

顶板上回填土的自重加汽车的荷载共计236.8 kN/m3，顶板自重27.5 kN/m3，侧壁传到底板的自重27.8 kN/m3，荷载简图见图１。 2.3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。

图２ 约束1 图３ 约束2 图４约束3

计算模型分为三组，第一组是为了比较不同计算长度的影响，第二组是为了比较不同的单元类型的影响；第三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

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图形见图5-图11。

表1 计算模型

组 模型号 模型１ 第 一 组 模型２ 模型３ 模型4 模型5 第 三 组 模型6 模型7 模型描述 1米长实体单元 10米长实体单元 24米长实体单元 梁单元 杆件单元 1米实体单元，将底部的土体简化为弹性杆， 24米实体单元，将底板下周围25m范围内的土体考虑进来 加载情况 四个边都加荷载 四个边都加荷载 四个边都加荷载 四个边都加荷载 四个边都加荷载 仅在顶板和侧壁加荷载 仅在顶板和侧壁加荷载 边界约束 约束1 约束1 约束1 约束1 约束1 约束2 约束3

图5 模型１ 图6 模型２

图7 模型３ 图8 模型４

图9 模型５ 图10 模型６

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图11 模型７

3、计算结果比较

为了比较各个模型下的内力，沿隧道四周取出7个控制截面，将其内力列于表2-表4中。其中弯矩的单位为kN·m，使隧道壁外侧受拉为正，内侧受拉为负。 3.1不同计算长度模型之间的比较

不同长度计算模型的结果详见表2。

表2不同计算长度模型的结果比较

位置 顶板跨中 模型 模型1 模型2 弯矩 弯矩 -1011 -997 端部 607 602 跨中 -1098 -1082 端部 690 680 跨中 1041 1032 上端 1115 1107 下端 1211 1201 顶板 底板 底板 侧壁 侧壁 侧壁 模型3 弯矩 -1007 608 -1094 693 1040 1113 1206 由表2可以看出：计算单元长度由1m到24m之间变化时，计算结果差别在2%以内，因此将隧道简化为1m单元进行计算是可行的。 3.2不同单元类型模型之间的比较

不同单元类型模型的结果详见表3。

表3不同单元类型模型的结果比较

位置 模型 模型4（梁单元） 模型5（杆单元） 简化计算方法 模型1（实体单元） 弯矩 弯矩 弯矩 顶板 跨中 -1050 -1096 -1011 顶板 端部 498 522 607 底板 跨中 -1140 -1198 -1098 底板 端部 551 591 690 侧壁 跨中 884 950 1041 侧壁 上端 964 1028 1115 侧壁 下端 1011 1115 1211

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