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(kāi)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(zhǎng)度（ 1m）的隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建

2、模時(shí)進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化處理或假定： 襯砌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二維彈性梁?jiǎn)卧╞eam3），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?jiǎn)卧g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(guò)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(guò)程 襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載通過(guò)等效換算， 以豎直和水平集中力的模式直接施加到梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)上。 襯砌結(jié)構(gòu)自重通過(guò)施加加速度來(lái)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(zhǎng)度小于 0.5

3、m。隧道結(jié)構(gòu)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。材料基本參數(shù)(1)級(jí)圍巖圍巖重度18.5kN / m3 ，彈性抗力系數(shù) k300MPa / m ，計(jì)算摩擦角0 45o ，泊松比 u=0.4。(2) C25 鋼筋混凝土容重25kN / m3 ，截面尺寸bh1.0m0.6

4、m ，彈性模量E29.5GPa 。軸心抗壓強(qiáng)度：fcd12.5 MPa；彎曲抗壓強(qiáng)度：fcmd13.5MPa ；軸心抗拉強(qiáng)度:fcd1.33 MPa ;泊松比u=0.2；(3) HPB235 鋼筋物理力學(xué)參數(shù)密度：s7800kg / m3 ； 抗拉抗壓強(qiáng)度：stdscd188MPa ； 彈性模量：Es210GPa ；結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖和變形圖（級(jí)圍巖深埋段）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：KNRabh（式 5

5、-1）式中： Ra 混凝土或砌體的抗壓極限強(qiáng)度（C25 取 19 MPa ）；K安全系數(shù)；N軸向力；h截面厚度（ m）；b 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：KN1.75 R1bh / (6e0 / h1)（式 5-2）R1 混凝土的抗拉極限強(qiáng)度（C25 取 2 MPa ）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)荷載組合永久荷載 +基本可變荷載

6、+其永久荷載 +基本可變荷載破壞原因它可變荷載混凝土或砌體達(dá)到抗壓2 42.0極限強(qiáng)度混凝土達(dá)到抗拉3.63.0極限強(qiáng)度故需要對(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)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 e0e0M / N（式 5-3）式中： M 彎矩；N 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As

7、和 As ，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。Rg ( Ase Ase ) Rw bx(e h0 x / 2)（式 5-4）解方程得：x(eh0 ) 22Rg( AseAse ) /( Rwb)(eh0 )（式5-5）式中：e 軸向力到受拉鋼筋重心的距離，ee0(h / 2a)；e 軸向力到受壓鋼筋重心的距離，eh / 2e0a ' ；a 鋼筋 As 的重心到截面受拉邊緣的距離；a 鋼筋 As 的重心到截面受壓邊緣的距離；Rg 鋼筋的抗拉計(jì)算強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（取235 MPa ）；Rw 混凝土彎曲抗壓極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（取 18.5 MPa ）； h0 混凝土受壓區(qū)邊緣到

8、受拉鋼筋重心的距離； b 襯砌計(jì)算截面寬度，取 1m。當(dāng)軸向力 N 位于作用于鋼筋A(yù)s 和 As 重心之間時(shí)，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 x0.55h0 ，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 x2a ，按下式進(jìn)行強(qiáng)度檢算：KN Rb bx Rg ( As As )（式 5-6）否則 x2a ，按下式進(jìn)行強(qiáng)度檢算：KN e Rg As ( h0 a )（式 5-7）2) 小偏心受壓構(gòu)件按下式進(jìn)行強(qiáng)度檢算：KNe0.5Ra bh02Rg As (h0a )（式 5-8）如果軸向力 N 位于鋼筋 As 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：KNe0.5Rabh02Rg As (h0a)（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 e0 （ 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(jiàn)表5-3：表 5-3鋼筋混凝