隧道襯砌計算

4/4隧道襯砌計算隧道襯砌結(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，需對襯砌進行檢算。隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)按破損階段法對構(gòu)件截面強度進行驗算。結(jié)構(gòu)抗裂有要求時，對混凝土應(yīng)進行抗裂驗算。5.2隧道結(jié)構(gòu)計算方法

本隧道結(jié)構(gòu)計算采用荷載結(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。計算時先按地層分類法或由實用公式確定地層壓力，然后按照彈性地基上結(jié)構(gòu)物的計算方法計算襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，并進行結(jié)構(gòu)截面設(shè)計。

5.3隧道結(jié)構(gòu)計算模型

本隧道襯砌結(jié)構(gòu)驗算采用荷載—結(jié)構(gòu)法進行驗算，計算軟件為ANSYS10.0。

取單位長度（1m）的隧道結(jié)構(gòu)進行分析，建模時進行了如下簡化處理或假定：

①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。

②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)點上，該單元不能承受彎矩，只有在受壓時承受軸力，受拉時失效。計算時通過多次迭代，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

③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)點上。

④襯砌結(jié)構(gòu)自重通過施加加速度來實現(xiàn)，不再單獨施加節(jié)點力。

⑤襯砌結(jié)構(gòu)材料采用理想線彈性材料。

⑥襯砌結(jié)構(gòu)單元劃分長度小于0.5m。

隧道結(jié)構(gòu)計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

本隧道主要驗算明洞段、Ⅴ級圍巖段和Ⅳ級圍巖段襯砌結(jié)構(gòu)。根據(jù)隧道規(guī)范深、淺埋判定方法可知，Ⅴ級圍巖段分為超淺埋段、淺埋段和深埋段。Ⅳ級圍巖段為深埋段。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，Ⅴ級圍巖深埋段，所受內(nèi)力均較大，故對此工況進行結(jié)構(gòu)檢算。5.4.1材料基本參數(shù)(1)Ⅴ級圍巖

圍巖重度318.5/kNmγ=，彈性抗力系數(shù)300/k

MPam

=，計算摩擦角

045?=

，泊松比u=0.4。

(2)C25鋼筋混凝土

容重325/kNmγ=，截面尺寸1.00.6bhmm?=?，彈性模量29.5PaEG=。軸心抗壓強度：12.5cdafMP=；彎曲抗壓強度：13.5cmdafMP=；軸心抗拉強度:

1.33cdafMP=;泊松比

u=0.2；

(3)HPB235鋼筋物理力學(xué)參數(shù)

密度：37800/skgmρ=；抗拉抗壓強度：188stdscdaffMP==；彈性模量：

210sa

EGP=；

5.4.2結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖和變形圖（Ⅴ級圍巖深埋段）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，需要對截面8、11、21、47、73進行檢算，

而根據(jù)對稱性可知只需要對截面8、11、47進行檢算。（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)件的抗壓強度應(yīng)按下式計算：

aKNRbh?α≤

（式5-1）

式中：aR—混凝土或砌體的抗壓極限強度（C25取19aMP）；

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；α

—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)件的抗拉強度應(yīng)按下式計算：

101.75/(6/1)KNRbheh?≤-

（式5-2）

1

R—混凝土的抗拉極限強度（C25取2a

MP）

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)

1.80

1.64

2.20

而隧道設(shè)計規(guī)范規(guī)定，混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的強度安全系數(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

混凝土或砌體達到抗壓

極限強度2．42.0混凝土達到抗拉

極限強度

3.6

3.0

故需要對截面進行配筋。（2）配筋后檢算

根據(jù)隧道設(shè)計規(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Φ22，每延米受壓鋼筋數(shù)量：4根Φ22，為對稱配筋，且混凝土保護層為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)件強度計算原理，求解結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。其步驟如下：(1)計算偏心距0e

N

Me/0=（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sA和sA'，按下列公式計算出受壓區(qū)高度x，即可以確定截面中性軸位置。

)2/()(0xhebxReAeARwssg+-=''（式5-4）解方程得：)()/()(2)(02

0hebReAeARhexws

sg--''+-=

（式5-5）

式中：e—軸向力到受拉鋼筋重心的距離，)2/(0ahee-+=；

e'—軸向力到受壓鋼筋重心的距離，'

/2ehe

a

'=--；

a

—鋼筋s

A

的重心到截面受拉邊緣的距離；

a'

—鋼筋s

A'的重心到截面受壓邊緣的距離；g

R—鋼筋的抗拉計算強度標準值（取235a

MP）；

wR—混凝土彎曲抗壓極限強度標準值（取18.5a

MP）；

h—混凝土受壓區(qū)邊緣到受拉鋼筋重心的距離；

b

—襯砌計算截面寬度，取1m。

當軸向力N位于作用于鋼筋sA和sA'重心之間時，式（5-4）和式(5-5)中取正值；當N作用于兩重心以外時，則取負號。(3)確定截面大小偏心類型

如果x≤0.550h，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)強度檢算

1)大偏心受壓構(gòu)件

如果ax'≥2，按下式進行強度檢算：

)(ssgbAARbxRKN-'+≤（式5-6）

否則ax'<2，按下式進行強度檢算：

)(0ahAReKNsg'-≤'（式5-7）2)小偏心受壓構(gòu)件按下式進行強度檢算：

)(5.0020ahARbhRKNesga'-'+≤（式5-8）如果軸向力N位于鋼筋sA的重心與鋼筋A(yù)s的重心之間的情況下，還應(yīng)符合下列式子：

)(5.002

0ahARbhReKNsga-+≤'（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0e（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)K

2.27

3.06

2.25

5.5結(jié)論

《公路隧道設(shè)計規(guī)范》中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù)，見表5-3：

表5-3鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強度安