隧道土層壓力荷載計(jì)算地下鐵道

1、5.1 工程概況青島地鐵二號線汽車東站站采用明挖法施工，結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)。車站中心里程頂板覆土厚度3.5米，地下水位距地面3.5米，縱向柱子間距為8.4米，隧道頂板覆土為素填土，其天然重度為，路面荷載為，路面荷載超載系數(shù)取1.1。地層彈性反力系數(shù)為，鋼筋混凝土重度，不考慮人防荷載，車站結(jié)構(gòu)斷面尺寸如圖5-1所示。圖 5-1 車站橫斷面示意圖擬定車站主體結(jié)構(gòu)相關(guān)構(gòu)件的斷面尺寸及工程材料如下表所示：表 5-1 主體結(jié)構(gòu)尺寸及工程材料表類別尺寸（m）混凝土強(qiáng)度等級主體結(jié)構(gòu)頂板0.8C35、P8混凝土中板0.4C35混凝土底板0.8C35、P8混凝土頂縱梁0.9×1.8C35、P8混凝土中縱梁

2、0.9×0.95C35混凝土底縱梁0.9×2.0C35、P8混凝土中柱0.8×1.2C50、P8混凝土側(cè)墻0.85C50、P8混凝土5.2 荷載類型及組合5.2.1 荷載類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所考慮的計(jì)算荷載主要有：偶然荷載，可變荷載和永久荷載，詳見表5-2。表 5-2地下結(jié)構(gòu)荷載分類表荷載類型荷載名稱永久荷載結(jié)構(gòu)自重地層壓力靜水壓力及浮力設(shè)備重量地基下沉影響力結(jié)構(gòu)上部和破壞棱體范圍的設(shè)施及建筑物壓力混凝土收縮及徐變影響側(cè)向地基抗力及地基反力可變荷載基本可變荷載地面車輛荷載及其動(dòng)力作用地面車輛荷載引起的側(cè)向土壓力地鐵車輛荷載及其動(dòng)力作用人群荷載其他可變荷載施工荷載溫度變化影

3、響偶然荷載7度地震荷載6級人防荷載5.2.2 荷載組合荷載的分項(xiàng)系數(shù)及組合系數(shù)按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范取值，取值如表5-3。表 5-3 地鐵車站結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載組合表 狀態(tài)及組合荷載種類承載能力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)基本組合標(biāo)準(zhǔn)組合永久荷載結(jié)構(gòu)自重1.1×1.351覆土荷載1.1×1.351側(cè)向土壓力1.1×1.351側(cè)向水壓力1.1×1.351浮力1.1×1.351設(shè)備荷載1.1×1.351可變荷載人群荷載1.1×1.4×1.0×0.71地面超載1.1×1.4×1.0×0.71地面

4、超載引起的側(cè)向土壓力1.1×1.4×1.0×0.71備注用于配筋計(jì)算用于抗裂計(jì)算5.3 主要計(jì)算參數(shù)因?yàn)檐囌舅幬恢玫貙虞^多，為了使計(jì)算簡便，將物理力學(xué)指標(biāo)相近的地層通過加權(quán)平均合并為一層，經(jīng)合并后，共有三個(gè)地層。各土層具體信息如下表5-4：表 5-4 標(biāo)準(zhǔn)斷面處從地面至車站底板土層信息表序號巖土名稱厚度（m）重度(kN/m3)內(nèi)摩擦角(°)側(cè)壓力系數(shù)1素填土3.518220.4552黏土620.323.30.4333碎石7.524.734.70.28荷載取值如下：1、設(shè)備荷載：一般按8KPa計(jì)算，超過8KPa按設(shè)備實(shí)際重量計(jì)算。2、人群荷載：4kPa。

5、3、路面荷載：20kPa（超載系數(shù)取1.0）。4、水壓力: 按全水頭考慮。5、車輛荷載：由于有利于抗浮，不考慮。5.4 荷載計(jì)算5.4.1 垂直荷載1、頂板垂直荷載頂板垂直荷載由路面活載及垂直土壓力組成，方向豎直向下。路面均布活載： 垂直土壓力： 頂板垂直荷載為：標(biāo)準(zhǔn)組合： 基本組合： 2、中板垂直荷載中板垂直荷載由人群荷載與設(shè)備荷載組成，方向豎直向下?；窘M合的選擇：標(biāo)準(zhǔn)組合： 基本組合： 3、底板荷載：底板垂直荷載即為水浮力，方向豎直向上。標(biāo)準(zhǔn)組合： 基本組合： 表 5-5 主體結(jié)構(gòu)頂板、中板、底板垂直荷載表（單位：）頂板中板底板標(biāo)準(zhǔn)組合8512-135基本組合117.27116.192-

6、200.475說明：表中正值表示荷載方向?yàn)樨Q直向下，負(fù)值表示豎直向上。5.4.2 側(cè)向荷載側(cè)向土壓力的大小與墻體的變形情況有關(guān)，在主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力之間變化，在使用階段取靜止土壓力進(jìn)行計(jì)算。一般土壓力的計(jì)算方法有兩種：水土分算與水土合算。采用水土分算時(shí)是將地下水位以下的土壓力與水壓力疊加；水土合算，采用地下水位以下土的重度，只考慮土壓力的作用。在實(shí)際情況中計(jì)算設(shè)計(jì)荷載時(shí)，砂土采用水土分算，而粘性土則用水土合算的方法。本結(jié)構(gòu)水下部分第一層土粘性土采用水土合算，第二層土為碎石采用水土分算。選取車站有效站臺中心處計(jì)算。各土層側(cè)壓力系數(shù)：素填土： 黏土土: 碎石: 1、 基本組合設(shè)計(jì)值設(shè)土層至地面

7、的距離為h。當(dāng)h=3.5m時(shí)，即在頂板處，當(dāng)h=9.5m時(shí),即在中板處當(dāng)h=17m時(shí)，即在底板處，2、標(biāo)準(zhǔn)組合設(shè)計(jì)值設(shè)土層至地面的距離為h。當(dāng)h=3m時(shí)，當(dāng)h=9.5m時(shí)，當(dāng)h=17m時(shí)，5.4.3縱梁荷載縱梁計(jì)算位置考慮荷載最不利位置，取縱梁兩側(cè)相鄰板半跨荷載之和，即縱梁荷載為兩個(gè)半跨板上部荷載及板自重之和。1、基本組合設(shè)計(jì)值：（1）頂縱梁荷載（2）中縱梁荷載（3）底縱梁荷載2、標(biāo)準(zhǔn)組合設(shè)計(jì)值：（1）頂縱梁荷載（2）中縱梁荷載（3）底縱梁荷載3、中柱縱梁荷載計(jì)算表表5-7中柱縱梁荷載表（單位：）頂縱梁中縱梁底縱梁標(biāo)準(zhǔn)組合708.75148.5-776.25基本組合992.054209.534

8、-1152.731說明：表中正值表示荷載方向?yàn)樨Q直向下，負(fù)值表示豎直向上。5.5 計(jì)算簡圖5.5.1 框架結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖采用荷載基本組合和采用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合的計(jì)算簡圖分別如圖5-2、5-3。圖5-2 采用荷載基本組合時(shí)的計(jì)算簡圖圖5-3 采用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)的計(jì)算模型5.5.2 縱梁計(jì)算模型為消除邊界效應(yīng)，車站結(jié)構(gòu)縱斷面方向取5跨，柱間距為8.4m，計(jì)算結(jié)果采用中間跨。以中柱縱梁為例，其計(jì)算簡圖如圖5-4、5-5所示： 圖 5-4 中柱縱梁在基本組合情況下的計(jì)算模型圖 5-5 中柱縱梁在標(biāo)準(zhǔn)組合情況下的計(jì)算模型5.6 有限元計(jì)算5.6.1 有限元建模5.6.1.1 材料特性1、主要工程材料（1）主體

9、結(jié)構(gòu)梁、板和側(cè)墻：C35鋼筋混凝土（2）柱子：采用C50鋼筋混凝土 2、材料參數(shù)各截面的材料參數(shù)如下表：表 5-8 各截面材料參數(shù)名稱結(jié)構(gòu)尺寸重度彈性模量/泊松比頂板1000×80025003.15×1040.2中板1000×40025003.15×1040.2底板1000×80025003.15×1040.2側(cè)墻1000×85025003.5×1040.2中柱800×120025003.5×1040.2中柱頂縱梁900×180025003.15×1040.2中柱中縱梁900

10、×950025003.15×1040.2中柱底縱梁900×200025003.15×1040.23、地基彈性反力系數(shù)根據(jù)本車站的地質(zhì)情況得地基彈性反力系數(shù)：5.6.1.2 單元類型及網(wǎng)格劃分1、單元類型本車站主體結(jié)構(gòu)中頂板、中板、底板、側(cè)墻和柱子均采用Beam 3（梁）單元，且定義只能受壓。結(jié)構(gòu)和圍巖的相互作用用link10（桿單元）來實(shí)現(xiàn)，考慮到土體受力特性（不能受拉），將桿單元定義只能受壓。2、網(wǎng)格劃分對于主體結(jié)構(gòu)中的板、墻和柱子，單元?jiǎng)澐珠L度取1m。5.6.1.3 約束及荷載1、約束條件由于使用桿單元模擬結(jié)構(gòu)和圍巖的相互作用，因此在主體結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)

11、及底部均建立了對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的桿單元，所以在主體結(jié)構(gòu)三側(cè)均施加約束，并約束桿單元另一端的所有自由度。2、施加荷載將計(jì)算得到的豎向荷載直接施加；水平荷載需計(jì)算側(cè)向每一個(gè)單元兩端處的力，再進(jìn)行施加。5.6.2 計(jì)算結(jié)果5.6.2.1矩形框架計(jì)算結(jié)構(gòu)分別對基本組合和標(biāo)準(zhǔn)組合情況下的車站斷面進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。 1、基本組合計(jì)算結(jié)果（1）基本組合計(jì)算結(jié)果如圖5-65-9所示。圖5-6 荷載基本組合的變形圖（單位：m）圖5-7 荷載基本組合的軸力圖（單位：N）圖5-8 荷載基本組合的剪力圖（單位：N）圖5-9 荷載基本組合的彎矩圖（單位：Nm）（2）結(jié)構(gòu)斷面內(nèi)力表 5-9 采用荷載基本組合時(shí)計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面控

12、制內(nèi)力表構(gòu)件彎矩（）軸力（kN）剪力（kN）尺寸 /頂板上緣881.5406.4637.2頂板下緣491.5406.4637.2中板上緣215.0572.4137.2中板下緣85.6572.4137.2底板上緣552.6729.6870.5底板下緣1092.1729.6870.5負(fù)一層側(cè)墻迎土面881.52826.5406.4負(fù)一層側(cè)墻背土面36.7826.5197.6負(fù)二層側(cè)墻迎土面495.61200.4374.8負(fù)二層側(cè)墻背土面331.51200.4870.5負(fù)一層中柱01000.70負(fù)二層中柱01231.302、標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算結(jié)果（1）荷載標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算圖示如圖5-105-13：圖5-10

13、荷載標(biāo)準(zhǔn)組合的變形圖（單位：m）圖5-11 荷載標(biāo)準(zhǔn)組合的軸力圖（單位：N）圖5-12荷載標(biāo)準(zhǔn)組合的剪力圖（單位：N）圖5-13 荷載標(biāo)準(zhǔn)組合的彎矩圖（單位：N·m）（2）結(jié)構(gòu)斷面內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)組合情況下結(jié)構(gòu)斷面內(nèi)力如下表5-10所所示：表 5-10 采用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)計(jì)算所得結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面控制內(nèi)力表構(gòu)件彎矩（）軸力（kN）剪力（kN）尺寸 /頂板上緣631.8290.4455.9頂板下緣351.7290.4455.9中板上緣156.3437.097.9中板下緣59.4437.097.9底板上緣357.1562.9611.4底板下緣780.2562.9611.4負(fù)一層側(cè)墻迎土面631.858

14、3.4290.4負(fù)一層側(cè)墻背土面51.7583.4143.5負(fù)二層側(cè)墻迎土面780.2840.7293.5負(fù)二層側(cè)墻背土面286.1840.7562.9負(fù)一層中柱0713.40負(fù)二層中柱0875.305.6.2.3 縱梁計(jì)算1、側(cè)柱縱梁計(jì)算結(jié)果（1）側(cè)柱縱梁荷載基本組合的計(jì)算圖示如圖5-145-16。圖5-14 荷載基本組合的變形圖（單位：mm）圖5-15 荷載基本組合的剪力圖（單位：N）圖5-16 荷載基本組合的彎矩圖（單位：N·m）車站頂板配筋及裂縫驗(yàn)算（1） 幾何材料參數(shù)因混凝土等級為C35，所以，查混規(guī)，相關(guān)數(shù)據(jù)為：，,采用HRB400級鋼筋（，）截面尺寸。彎矩設(shè)計(jì)值為，軸力

15、設(shè)計(jì)值為，剪力設(shè)計(jì)值。（2）不考慮二階效應(yīng)，因?yàn)?，則。（3）判斷大小偏心，所以先按大偏心受壓構(gòu)件計(jì)算。（4）計(jì)算配筋為充分利用受壓區(qū)混凝土的抗壓強(qiáng)度，設(shè)。受壓區(qū)鋼筋面積：取。選用620（）受拉區(qū)鋼筋面積：（確認(rèn)為大偏心）故 則受拉區(qū)鋼筋面積：其中選用受拉鋼筋825（），所以非超筋。箍筋（1）幾何參數(shù)及材料參數(shù)因混凝土等級為C35，查混規(guī)得，。因?yàn)镃35<C50，所以。箍筋采用HRB335，。（2）上限值驗(yàn)算非斜壓破壞因?yàn)?，屬于一般梁。有?（3）驗(yàn)算是否需按計(jì)算設(shè)計(jì)配筋一般梁 混凝土本身就能抵抗其剪力，不需要按計(jì)算設(shè)置箍筋，但仍需按構(gòu)造要求配置箍筋，選用8150。裂縫寬度驗(yàn)算裂縫寬度采用標(biāo)準(zhǔn)荷載組合進(jìn)行檢算，彎矩設(shè)計(jì)值為，軸力設(shè)計(jì)值為，剪力設(shè)計(jì)值。根據(jù)混規(guī)（GB50010-2010），當(dāng)時(shí)需驗(yàn)算裂縫寬度。受壓翼緣截面面積與腹板有效截面面積的比值：矩形截面：縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)至截面受壓合力點(diǎn)的距離：按有效受拉混凝土截面面積計(jì)算的縱向