隧道襯砌計(jì)算

1、第五章 隧道襯砌結(jié)構(gòu)檢算5.1 結(jié)構(gòu)檢算一般規(guī)定 為了保證隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全，需對(duì)襯砌進(jìn)行檢算。隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)按破損階段法對(duì)構(gòu)件截面強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)抗裂有要求時(shí)，對(duì)混凝土應(yīng)進(jìn)行抗裂驗(yàn)算。5.2 隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算方法本隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算采用荷載結(jié)構(gòu)法。其基本原理為：隧道開挖后地層的作用主要是對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)能安全可靠地承受地層壓力等荷載的作用。計(jì)算時(shí)先按地層分類法或由實(shí)用公式確定地層壓力，然后按照彈性地基上結(jié)構(gòu)物的計(jì)算方法計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)。5.3 隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型本隧道襯砌結(jié)構(gòu)驗(yàn)算采用荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算軟件為ansys10.0。取單位長度（1m）的隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，

2、建模時(shí)進(jìn)行了如下簡化處理或假定： 襯砌結(jié)構(gòu)簡化為二維彈性梁單元（beam3），梁的軸線為二次襯砌厚度中線位置。 圍巖的約束采用彈簧單元（combin14），彈簧單元以鉸接的方式支撐在襯砌梁單元之間的節(jié)點(diǎn)上，該單元不能承受彎矩，只有在受壓時(shí)承受軸力，受拉時(shí)失效。計(jì)算時(shí)通過多次迭代，逐步殺死受拉的combin14單元，只保留受壓的combin14單元。圖5-1 受拉彈簧單元的迭代處理過程 襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載通過等效換算，以豎直和水平集中力的模式直接施加到梁單元節(jié)點(diǎn)上。 襯砌結(jié)構(gòu)自重通過施加加速度來實(shí)現(xiàn)，不再單獨(dú)施加節(jié)點(diǎn)力。 襯砌結(jié)構(gòu)材料采用理想線彈性材料。 襯砌結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐珠L度小于0.5m。隧道結(jié)構(gòu)

3、計(jì)算模型及荷載施加后如圖5-2所示。5.4 結(jié)構(gòu)檢算及配筋本隧道主要驗(yàn)算明洞段、級(jí)圍巖段和級(jí)圍巖段襯砌結(jié)構(gòu)。根據(jù)隧道規(guī)范深、淺埋判定方法可知，級(jí)圍巖段分為超淺埋段、淺埋段和深埋段。級(jí)圍巖段為深埋段。根據(jù)所給的材料基本參數(shù)和修改后的程序，得出各工況下的結(jié)構(gòu)變形圖、軸力圖、建立圖和彎矩圖。從得出的結(jié)果可知，級(jí)圍巖深埋段，所受內(nèi)力均較大，故對(duì)此工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算。5.4.1 材料基本參數(shù) (1)級(jí)圍巖圍巖重度，彈性抗力系數(shù)，計(jì)算摩擦角，泊松比u=0.4。 (2) c25鋼筋混凝土容重，截面尺寸，彈性模量。軸心抗壓強(qiáng)度：；彎曲抗壓強(qiáng)度：；軸心抗拉強(qiáng)度: ;泊松比u=0.2； (3) hpb235鋼筋物理

4、力學(xué)參數(shù) 密度：； 抗拉抗壓強(qiáng)度：； 彈性模量：；5.4.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖和變形圖（級(jí)圍巖深埋段）5.4.3 結(jié)構(gòu)安全系數(shù) 從上面的軸力圖和彎矩圖可知，需要對(duì)截面8、11、21、47、73進(jìn)行檢算，而根據(jù)對(duì)稱性可知只需要對(duì)截面8、11、47進(jìn)行檢算。 （1）配筋前檢算混凝土和砌體矩形截面軸心及偏心受壓構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算： （式5-1）式中：混凝土或砌體的抗壓極限強(qiáng)度（c25取19）；k安全系數(shù)；n軸向力；h截面厚度（m）；截面寬度，取1m；構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)，取1；軸向力偏心系數(shù)系數(shù)； 按抗裂要求，混凝土矩形截面偏心受壓構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算： （式5-2）混凝土的抗拉極限強(qiáng)度（c25

5、取2） 按照式5-1和5-2，可求出安全系數(shù)如下表：截面81147安全系數(shù)1.801.642.20 而隧道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)如表5-1：表5-1 混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù) 荷載組合破壞原因 永久荷載+基本可變荷載永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載混凝土或砌體達(dá)到抗壓極限強(qiáng)度242.0混凝土達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度3.63.0故需要對(duì)截面進(jìn)行配筋。 （2）配筋后檢算根據(jù)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定及工程類比，截面配筋情況為：每延米受拉鋼筋：4根22，每延米受壓鋼筋數(shù)量：4根22，為對(duì)稱配筋，且混凝土保護(hù)層為5cm。 檢算原理如下：隧道襯砌結(jié)構(gòu)屬于偏心受壓矩形構(gòu)件，根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

6、偏心受壓構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算原理，求解結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。其步驟如下：(1) 計(jì)算偏心距 （式5-3） 式中：彎矩； 軸向力。(2) 確定截面受壓區(qū)高度x先假設(shè)襯砌截面受拉鋼筋和受壓鋼筋面積分別為和，按下列公式計(jì)算出受壓區(qū)高度x，即可以確定截面中性軸位置。 （式5-4） 解方程得： （式5-5） 式中：軸向力到受拉鋼筋重心的距離，；軸向力到受壓鋼筋重心的距離，；鋼筋的重心到截面受拉邊緣的距離；鋼筋的重心到截面受壓邊緣的距離；鋼筋的抗拉計(jì)算強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（取235）； 混凝土彎曲抗壓極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（取18.5）；混凝土受壓區(qū)邊緣到受拉鋼筋重心的距離；襯砌計(jì)算截面寬度，取1m。當(dāng)軸向力n位于作用于鋼筋和重心之間時(shí)

7、，式（5-4）和式(5-5)中取正值；當(dāng)n作用于兩重心以外時(shí)，則取負(fù)號(hào)。(3) 確定截面大小偏心類型如果x0.55，矩形截面為大偏心受壓構(gòu)件，否則為小偏心受壓構(gòu)件。(4) 強(qiáng)度檢算1) 大偏心受壓構(gòu)件 如果，按下式進(jìn)行強(qiáng)度檢算： （式5-6） 否則，按下式進(jìn)行強(qiáng)度檢算： （式5-7） 2) 小偏心受壓構(gòu)件 按下式進(jìn)行強(qiáng)度檢算： （式5-8） 如果軸向力n位于鋼筋的重心與鋼筋as的重心之間的情況下，還應(yīng)符合下列式子： （式5-9） 根據(jù)以上步驟求得檢算截面受力的相關(guān)參數(shù)如下表5-2： 表5-2 檢算截面相關(guān)參數(shù) 截面81147偏心距（cm）12.019.18.3受壓區(qū)高度h（mm）33.328.739.5極限承載力n（kn）554046506160安全系數(shù)k2.273.062.255.5 結(jié)論公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)，見表5-3：表5-3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù) 荷載組合