日本修正慣用法計算

1、1.1.1結(jié)構(gòu)荷載計算11.11荷載分類在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算之前，首先考慮結(jié)構(gòu)所受的荷載，一般來說作用在隧道 上的荷載包括：永久荷載、可變荷載以及偶然荷載。各種荷載的詳細(xì)分類見于下 表：表5-4隧道結(jié)構(gòu)荷載分類表荷載分類荷載名稱永久荷載結(jié)構(gòu)自重地層壓力靜水壓力混凝土收縮徐變產(chǎn)生的應(yīng)力預(yù)應(yīng)力固定設(shè)備荷載結(jié)構(gòu)上部建筑物壓力地基下沉影響續(xù)表5-4可變荷載地面活載及其動力作用隧道內(nèi)車輛彳荷載及其動力作用施工荷載注漿荷載千斤頂壓力其他荷載溫度變化影響偶然荷載地震荷載人防荷載1.1.1.2截面計算參數(shù)在進行荷載計算時，首先應(yīng)確定斷面各個部分的幾何參數(shù)，根據(jù)以上設(shè)計將 計算荷載所用到的管片截面計算參數(shù)（一次襯

2、砌）歸納入下：混凝土強度等級：C50混凝土彈性模量：E = 35.5GPa= 3.55x1010 Pa管片截面面積：A = 32.547m 2管片單位長度截面慣性矩：/ = -x13 =1x0.73 =2.858x102m31212抗彎剛度有效系數(shù):77 = 0.8抗彎剛度有效系數(shù):77 = 0.8彎矩增大率 ：=0.311.13計算簡圖盾構(gòu)隧道荷載計算的通用簡圖詳見圖5-7所示。值得注意的是圖中所表示的 是水土分算時的計算簡圖，而水土合算時只需將土壓、水壓一并考慮。水土合算 時，在地下水位以上采用土的天然重度，在地下水位以下時采用土的飽和重度。 考慮到本隧道所埋設(shè)的地層基本都在粉質(zhì)黏土層中，

3、故本設(shè)計大多采用水土合算 的方法，又由于土層基本都在水平面之下，所以基本采用土的飽和重度進行計算。 詳細(xì)的計算過程以及計算結(jié)果見下文。上覆荷載水土分離算法圖5-7盾構(gòu)隧道荷載計算通用簡圖1.1.1.4 一般荷載計算本設(shè)計荷載計算時，根據(jù)工程條件，選取3個最為不利的控制斷面進行計算 垂直土壓力、側(cè)向土壓力、水壓力、側(cè)向地層地層、豎向地層反力以及結(jié)構(gòu)自重 等一般荷載。這三個控制斷面分別為：水深最大位置、埋深最大位置、覆蓋層最 大位置。（1）水深最大斷面:5*&如圳母：, =31rmi：mY二 19.8河M1&輸（jv y圖5-8最大水深截面計算簡圖垂直土壓力選取最大水深處隧道截面為計算截面。該截面

4、位置的隧道修筑在粉質(zhì)黏土層 中，該地層土為硬塑狀態(tài)，局部軟塑，粉質(zhì)含量較高，具有水平層理或頁理，部 分段夾薄層粉細(xì)砂或砂團塊，局部夾少量貝殼碎屑，厚度22.7m，在粉質(zhì)黏土層 上有厚度達(dá)6.3m的一層細(xì)砂層?？傮w來說，因為地層為硬質(zhì)黏土，且覆土厚度較大，已滿足1D2D的條件， 可認(rèn)為土層能達(dá)到起拱效果，設(shè)計計算時優(yōu)先考慮采用松弛土壓?？紤]到粉質(zhì)黏 土為硬塑狀態(tài)，細(xì)砂為飽和中密狀態(tài)，這兩層土的滲透系數(shù)都很小，根據(jù)地勘資 料細(xì)砂的滲透系數(shù)在4.5x103cm/s左右，粉質(zhì)黏土在4.63x106cm/ s左右。為 方便計算，可將細(xì)砂和粉質(zhì)黏土都視為不透水層，計算時采用水土合算。上部水 壓在計算時視為

5、上覆荷載作用在土層上，且考慮到水壓較大，在計算時不考慮松 動高度是否超過覆蓋層厚度。各層土之間，通過上部地層計算得的松動土壓向下 部地層傳遞。（這里因細(xì)砂層的空隙比、天然含水量均無統(tǒng)計資料，計算時以天 然重度近似為飽和重度） TOC o 1-5 h z p = C I B1）（1。Kota*H/B1） + p eKQtaH/B1（5-2） HYPERLINK l bookmark24 o Current Document v K tan 30式中：B =R co4*。/2）1。2P Terzagh i 松動土壓；vK 一水平土壓力和垂直土壓力之比;.一土的內(nèi)摩擦角;p 上覆荷載;土的重度;c

6、一土的黏著力。對于細(xì)砂層：p =寸=10 x97.7=977kPa ； H = 6.3m0”/4工“/2B = Rcot( / ；*)= 15.5/2xcot； = 13.42m，根據(jù)式 5-2，松動土壓力為：P = 1(7- * 咋(1一 eK0tanH/B1) + p eKH/Blv K tan 火0=13.42x(20 0/13.42) x(16x6.3/13.424 97 eFan：6.3/13.421 x tan 6= 855.4kPa對于粉質(zhì)黏土層：P0 = 855.4kPa, H= 22.7+0.7 / 2 = 23.05m ；B = R cot(利 4 2 E 2) = 15.

7、5 x cot ： = 26.85m，根據(jù)式 5-2 松動土壓力：P = 1(T 仁(1 eKtanQH/B1) + p eK0taH/B1v K tan0=13.42x(20 44.3/13.42)、(1_林技加/心855. 廠面容.05/213.42lx tan 6 =56l.6kPa側(cè)向土壓力由于隧道所處地層為粉質(zhì)黏土，且覆土厚度較大，能形成穩(wěn)定隔水層，故在 計算水平土壓力時采用水土合算的方法。根據(jù)地勘試驗報告，該土層試驗測得的 靜止側(cè)壓力系數(shù)入=0.48，故隧道的水平壓力pj P22的計算如下：p =Xp = 0.48x561.6 = 269.6kPa，h1vp22=X(p +7 (t

8、/2 + 2R ) = 0.48x(561.6+ 20 x(0.7/2+ 2x7.4) =415.0kPa水壓力因為隧道修建在硬塑粉質(zhì)黏土層中，且該黏土層有一定的厚度，可認(rèn)為形成 不透水層，不透水層中不考慮水壓力和水的浮力作用。自重一次襯砌一次襯砌自重為作用在隧道橫斷面形心線上的豎向荷載，襯砌自重可按WI甲R )進行計算;其中W為單位長度襯砌的重量，對于鋼筋混凝土管片， C單位體積自重2600kg Im3，所以一次襯砌自重：7TWI (2ttR ) = 2600 x 10 x x (15.52 14.12) / (2 x TT x 7.4) = 18200Pq = 18.2 kPac4二次襯砌

9、由于二次襯砌是在管片環(huán)達(dá)到一定的穩(wěn)定性后才進行的，二次襯砌的自重一 般由其自身承擔(dān)，所以在一次設(shè)計時不考慮二次襯砌的重力。當(dāng)二次襯砌作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件時，由一次襯砌和二次襯砌共同承受荷載時，應(yīng)計入二次襯砌的自重。二次襯砌的自重依然按W/(2ttRc )計算。故二次襯砌自重：7TW/(2ttR ) = 2600 x10 xx(14.1213.52)/(2xttx7.25)=7423Pa = 7.42kPa側(cè)向地層抗力側(cè)向地層抗力為隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形向土體擠壓時產(chǎn)生的被動抗力，根據(jù)Winkler局部變形理論，側(cè)向地層抗力按p = ky進行計算。y為水平直徑處在主動 k和彈性反力共同作用下的變位。根據(jù)日本慣

10、用法，假設(shè)側(cè)向地層抗力分布在與水 平直徑上下45。角的范圍內(nèi)，同時地層抗力系數(shù)k也假定為固定不變，經(jīng)公式推 導(dǎo)得：(5-3),_ (2q 27rg)R (5-3)S 24(EI 10.054氣R)式中：y 一隧道水平直徑處的最大變位q 一豎向均布荷載;匕一側(cè)向均布荷載;烏一側(cè)向三角形荷載；g 結(jié)構(gòu)自重集度；一圓環(huán)剛度有效系數(shù)；氣一為豎向地層彈性反力系數(shù)R 結(jié)構(gòu)計算半徑；帶入數(shù)值：q = p = 561.6kPa,e = p =269.6kPa, e = p p =145.4kPa，V1hl2 h 2hl取q = 0.8，根據(jù)地勘資料K = 30MPa /m ；所以結(jié)構(gòu)水平直徑處的最大變位： h

11、=(2 q 2匕+兀g) R 4 _(2 x 561.6 2 x 269.6 145.4 + 3.1416*18.2) x 103 x 7.44=1 26 102my 24( E110.02454 KR 4) 一 24 x (0.8 x 3.55 x 101。x 2.858 x 10-2 + 0.0454 x 30 x 106 x 7.44) .?m故側(cè)向地層抗力：p Ky = 30 x 103 x 1.265 x 10-2 = 379.5kPa豎向地基反力豎向地基反力在常用計算中一般假設(shè)與地基位移無關(guān)，故只需要在垂直方向上滿 足荷載平衡的條件。豎向地基反力：PR=p +g= 561.6 +

12、3.14x18.2 = 618.7 kPa。1.1.2截面內(nèi)力計算分析在進行截面內(nèi)力計算時，一般采用荷載結(jié)構(gòu)模型。在荷載結(jié)構(gòu)模型中，對接 頭的考慮不同又形成不同的結(jié)構(gòu)計算方法。當(dāng)不直接考慮接頭存在對管片環(huán)整體 剛度的降低時，而將管片環(huán)作為一個完全等剛度的均值圓環(huán)進行設(shè)計計算的方法 稱為慣用法，根據(jù)均質(zhì)圓環(huán)的剛度是否降低處理以及管片主截面和接頭所受內(nèi)力 是否考慮錯縫拼裝的內(nèi)力傳遞又可以細(xì)化為修正慣用法；不考慮管片接頭的彎曲 剛度，將接頭作為鉸接處理的方法稱為多鉸環(huán)法；考慮接頭的彎曲剛度，將接頭 處理成具有彎曲剛度的旋轉(zhuǎn)彈簧，同時考慮環(huán)與環(huán)之間抗剪阻力的作用，將環(huán)與 環(huán)之間處理成有剪切彈簧相連的方

13、法稱為梁一彈簧模型法。1.1.2.1日本修正慣用法日本修正慣用法考慮到管片環(huán)存在接頭，故對管片整體剛度有所降低，可以 將接頭部分彎曲剛度的降低評價為環(huán)整體的彎曲剛度的降低，但仍然將其作為抗 彎剛度均勻的圓環(huán)處理。10具體來說，由于接頭的影響，將管片整體抗彎剛度 由EI降低為均勻抗彎剛度推/來計算圓環(huán)截面內(nèi)力（M、N、Q），并且彎矩不是 全部都經(jīng)過管片接頭傳遞，可以認(rèn)為其中一部分通過環(huán)之間接頭的剪切阻力傳遞 給錯縫拼接的相鄰管片（由錯縫接頭連接）。進一步考慮錯縫接頭的連接部分的 彎矩分配，根據(jù)從qE/均勻彎曲剛度環(huán)計算出來的截面內(nèi)力中，對彎矩考慮一個 增減M。其中（1+&M為主截面的設(shè)計彎矩，與

14、軸向力N組合進行設(shè)計，而 （1&M和N，為管片接頭的設(shè)計彎矩和軸力。5710取單位長度管片環(huán)進行計算，各個截面位置的彎矩、軸力、剪力的計算式詳 見表5-8。這里要解釋的是，在豎向荷載計算式中，底部反力忽略了管片自重的 影響，認(rèn)為與上部荷載一致。豎向荷載計算式是通過上部荷載與簡化后的底部荷 載內(nèi)力疊加而得到的。表54 口本修正慣用洼內(nèi)力計算我荷藪啊方翌向荷哉Ar = O,| +p*| 淚血七Q = 一3司甘5) xJ?L nin&cos均布側(cè)壓N = +%鴻.好田Q - (qtl - A)此.sinPE&d三角側(cè)壓A/ =-(6-3eo5 12h: &+4co?陌1+%； -崟|N = y(co

15、s5 + Scos1fi 4c(55d fl)Q = win H + Sid 9 co p H 一七in 心弟. +5 f -孔1)危r側(cè)向地層抗方當(dāng)時M = (0.2346 - 0.3536當(dāng)j三日三=時=(-0.34870.5+0 衛(wèi)芬當(dāng)g眨于時當(dāng)jg狎N = (0.7&71 coz fl -F ecm J & 0.7071 srn fl當(dāng)q三四:時 Q = 0.353 6win &kRe 當(dāng)治弓時 快=(sin. S cos O.7O71ec5:0:iDjtJ自重當(dāng)時Af =弓* 臼:in臼一eos毋邱;當(dāng)If = 一: r + (jt kin 白 -C05 0-775in= H明；當(dāng)*

16、時N = (-r sin 日 + 知in &-H： sin2 fl - ccs)gJCL當(dāng)Q = (flees 4- sin時Q = (jt -sin & c(m號_ *zinm KgR.根據(jù)所求得的圍巖荷載(見表5-7)帶入日本修正慣用法的計算式(表5-8), 將結(jié)果整理如下：(1)最大水深截面表5-9最大水深截面各處彎矩計算結(jié)果表截面作用在襯砌上的荷載產(chǎn)生在對應(yīng)截面上的彎矩M(xi03Nm/m)6o自重豎向荷載均布側(cè)壓三角形側(cè)壓側(cè)向地層抗力截面彎矩0343.607688.30-3690.82-829.39-2472.991038.7110326.027224.64-3468.24-791.

17、59-2361.35929.4820274.705889.58-2827.34-679.48-2029.83627.6430193.953844.15-1845.41-497.63-1488.50206.564090.671335.06-640.90-255.76-753.81-224.7550-25.97-1335.06640.9029.17151.92-539.0460-144.98-3844.151845.41331.751158.82-653.1470-254.11-5889.582827.34618.762124.72-572.8880-340.51-7224.643468.2485

18、2.302856.56-388.0590-391.38-7688.303690.82995.263144.23-249.36100-395.04-7224.643468.241018.182856.56-276.70110-345.51-5889.582827.34906.072124.72-376.97120-246.40-3844.151845.41663.511158.82-422.80130-109.95-1335.06640.90316.48151.92-335.7114045.251335.06-640.90-89.89-753.81-104.29150197.423844.15-

19、1845.41-497.63-1488.50210.03160324.925889.58-2827.34-845.35-2029.83511.98170409.537224.64-3468.24-1078.90-2361.35725.69180439.157688.30-3690.82-1161.14-2472.99802.50表5-10最大水深截面各處軸力計算結(jié)果表截面作用在襯砌上的荷載產(chǎn)生在對應(yīng)截面上的軸力N(X103 N / m)Bo自重豎向何載均布側(cè)壓三角形側(cè)壓側(cè)向地層抗力截面軸力0-22.450.001995.04336.24993.013301.8510-18.02125.3119

20、34.88331.07977.933351.1720-5.01486.141761.66315.04933.133490.963015.821038.961496.28287.01859.983698.044043.241717.091170.74246.29760.693938.065075.612438.75824.30194.07633.014165.7360110.923116.88498.76134.50453.894314.9470146.943669.70233.3875.17249.074374.2680181.294030.5360.1626.4974.284372.7590

21、211.554155.840.000.000.004367.39100229.064030.5360.165.9574.284399.98110226.673669.70233.3850.69249.074429.51120206.413116.88498.76134.49453.894410.44130172.692438.75824.30250.49633.014319.24140131.581717.091170.74385.11760.694165.2115089.961038.961496.28519.96859.984005.1316054.51486.141761.66635.0

22、6933.133870.5017030.78125.311934.88712.45977.933781.3518022.450.001995.04739.72993.013750.22表5-11最大水深截面各處剪力計算結(jié)果表截面作用在襯砌上的荷載產(chǎn)生在對應(yīng)截面上的剪力Q(X10 3N / m)Oo自重豎向何載均布側(cè)壓三角形側(cè)壓側(cè)向地層抗力截面剪力00.000.000000.0010-27.05-710.69341.171958.376248323.30205733-314.8920-51.85-1335.66641.1935114.66539645.89609345-585.7630-72.29-1799.53863.87