隧道衬砌计算.doc

第五章隧道衬砌结构检算5.1结构检算一般规定为了保证隧道衬砌结构的安全，需对衬砌进行检算隧道结构应按破损阶段法对构件 截面强度进行验算结构抗裂有要求时，对混凝土应进行抗裂验算5.2隧道结构计算方法本隧道结构计算采用荷载结构法其基本原理为：隧道开挖后地层的作用主要是对 衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用计算时先按 地层分类法或由实用公式确定地层压力，然后按照弹性地基上结构物的计算方法计算衬 砌结构的内力，并进行结构截面设计5.3隧道结构计算模型本隧道衬砌结构验算采用荷载一结构法进行验算，计算软件为 ANSYS1O.0取单位长度（im的隧道结构进行分析，建模时进行了如下简化处理或假定：① 衬砌结构简化为二维弹性梁单元（beam3，梁的轴线为二次衬砌厚度中线位置② 围岩的约束采用弹簧单元（COMBINE，弹簧单元以铰接的方式支撑在衬砌梁单 元之间的节点上，该单元不能承受弯矩，只有在受压时承受轴力，受拉时失效计算时 通过多次迭代，逐步杀死受拉的 COMBIN1单元，只保留受压的 COMBIN1单元图5-1受拉弹簧单元的迭代处理过程③ 衬砌结构上的荷载通过等效换算，以竖直和水平集中力的模式直接施加到梁单元 节点上。

④ 衬砌结构自重通过施加加速度来实现，不再单独施加节点力⑤ 衬砌结构材料采用理想线弹性材料⑥ 衬砌结构单元划分长度小于0.5m隧道结构计算模型及荷载施加后如图 5-2所示5.4结构检算及配筋本隧道主要验算明洞段、V级围岩段和W级围岩段衬砌结构根据隧道规 范深、浅埋判定方法可知，V级围岩段分为超浅埋段、浅埋段和深埋段W级 围岩段为深埋段根据所给的材料基本参数和修改后的程序，得出各工况下的 结构变形图、轴力图、建立图和弯矩图从得出的结果可知，V级围岩深埋 段，所受内力均较大，故对此工况进行结构检算材料基本参数(1) V级围岩围岩重度 18.5kN/m3，弹性抗力系数k 300MPa/m，计算摩擦角o 45o，泊松比 u=0.42) C25钢筋混凝土容重 25kN / m3，截面尺寸b h 1.0m 0.6m，弹性模量E 29.5GPa轴心抗压强度： 0 12.5MPa ;弯曲抗压强度：fcmd 13.5MPa ;轴心抗拉强度：fed 1.33MPa；泊松比 u=0.2 ;(3) HPB235钢筋物理力学参数密度：s 7800kg / m3 ；抗拉抗压强度：fstd fsed 188MPa ;弹性模量：Es 210GPa ；结构内力图和变形图(V级围岩深埋段)结构安全系数从上面的轴力图和弯矩图可知，需要对截面 & 11、21、47、73进行检算,而根据对称性可知只需要对截面 & 11、47进行检算。

1) 配筋前检算混凝土和砌体矩形截面轴心及偏心受压构件的抗压强度应按下式计算：KNRabh （式 5-1）式中：Ra —混凝土或砌体的抗压极限强度（C25取19MPa）;K—安全系数；N——轴向力；h—截面厚度（m ；b—截面宽度，取im——构件纵向弯曲系数，取1；—轴向力偏心系数系数；按抗裂要求，混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度应按下式计算:KN 1.75 R,bh/（6e0/h 1） （式 5-2）R —混凝土的抗拉极限强度（C25取2MPa）按照式5-1和5-2,可求出安全系数如下表:截面81147安全系数1.801.642.20而隧道设计规范规定，混凝土和砌体结构的强度安全系数如表 5-1：表5-1混凝土和砌体结构的强度安全系数荷载组合破坏原因永久荷载+基本可变荷载永久荷载+基本可变荷载 +其匕可变荷载混凝土或砌体达到抗压极限强度2. 42.0混凝土达到抗拉 极限强度3.63.0故需要对截面进行配筋2）配筋后检算根据隧道设计规范规定及工程类比，截面配筋情况为：每延米受拉钢筋： 4根 22,每延米受压钢筋数量：4根 22,为对称配筋，且混凝土保护层为5cm检算原理如下:隧道衬砌结构属于偏心受压矩形构件，根据钢筋混凝土结构偏心受压构件 强度计算原理，求解结构的安全系数。

其步骤如下：(1) 计算偏心距e0e0 M/N (式 5-3)式中：M —弯矩；N——轴向力2) 确定截面受压区高度x先假设衬砌截面受拉钢筋和受压钢筋面积分别为 As和As ,按下列公式计算出受压区高度x，即可以确定截面中性轴位置Rg(Ase Ase) Rwbx(e h° x/2) (式 5-4)解方程得：x (e ho)2 2Rg(Ase Ase)/(Rwb) (e h°) (式 5-5)式中：e——轴向力到受拉钢筋重心的距离，e eo (h/2 a)；e——轴向力到受压钢筋重心的距离，e h/2 e0 a ；a —钢筋As的重心到截面受拉边缘的距离；a —钢筋As的重心到截面受压边缘的距离；Rg —钢筋的抗拉计算强度标准值(取 235MPa)；Rw —混凝土弯曲抗压极限强度标准值(取 18.5 MPa)；h° —混凝土受压区边缘到受拉钢筋重心的距离；b —衬砌计算截面宽度，取1m当轴向力N位于作用于钢筋As和As重心之间时，式(5-4 )和式(5-5)中取正值；当N作用于两重心以外时，则取负号3) 确定截面大小偏心类型如果x< 0.55 h矩形截面为大偏心受压构件，否则为小偏心受压构件（4）强度检算1） 大偏心受压构件如果x 2a，按下式进行强度检算：KN Rbbx Rg（As As） （式 5-6）否则x 2a ,按下式进行强度检算：KNe RgAs（h。

a ） （式 5-7）2） 小偏心受压构件按下式进行强度检算：KNe 0.5Rabh2 RgAs（h0 a） （式 5-8）如果轴向力N位于钢筋As的重心与钢筋As的重心之间的情况下，还应符合 下列式子：KNe 0.5Rabh； Rg As（h0 a） （式 5-9）根据以上步骤求得检算截面受力的相关参数如下表 5-2 :表5-2 检算截面相关参数截面81147偏心距e0 （ cm）12.019.18.3受压区咼度h （ mm33.328.739.5极限承载力N （ KN）554046506160安全系数K2.273.062.255.5结论《公路隧道设计规范》中钢筋混凝土结构的强度安全系数，见表 5-3 :表5-3钢筋混凝土结构的强度安全系数［荷载组合破坏原因永久荷载+基本可变荷载永久荷载+基本可变荷载 +其匕可变荷载钢筋达到计算强度或 混凝土达到抗压 或抗剪极限强度2. 01. 7混凝土达到抗压 极限强度2. 42. 0通过比较表5-2和表5-3可知，V级围岩二次衬砌所配钢筋符合要求，比较 经济合理。