隧道襯砌計算

1、第五章 隧道襯砌結構檢算5.1 結構檢算一般規(guī)定 為了保證隧道襯砌結構的安全，需對襯砌進行檢算。隧道結構應按破損階段法對構件截面強度進行驗算。結構抗裂有要求時，對混凝土應進行抗裂驗算。5.2 隧道結構計算方法本隧道結構計算采用荷載結構法。其基本原理為：隧道開挖后地層的作用主要是對襯砌結構產生荷載，襯砌結構應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構物的計算方法計算襯砌結構的內力，并進行結構截面設計。5.3 隧道結構計算模型本隧道襯砌結構驗算采用荷載結構法進行驗算，計算軟件為ANSYS10.0。取單位長度（1m）的隧道結構進行分析，

2、建模時進行了如下簡化處理或假定： 襯砌結構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。 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 襯砌結構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。 襯砌結構自重通過施加加速度來實現(xiàn)，不再單獨施加節(jié)點力。 襯砌結構材料采用理想線彈性材料。 襯砌結構單元劃分長度小于0.5m。隧道結構

3、計算模型及荷載施加后如圖5-2所示。5.4 結構檢算及配筋本隧道主要驗算明洞段、級圍巖段和級圍巖段襯砌結構。根據(jù)隧道規(guī)范深、淺埋判定方法可知，級圍巖段分為超淺埋段、淺埋段和深埋段。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，得出各工況下的結構變形圖、軸力圖、建立圖和彎矩圖。從得出的結果可知，級圍巖深埋段，所受內力均較大，故對此工況進行結構檢算。5.4.1 材料基本參數(shù) (1)級圍巖圍巖重度，彈性抗力系數(shù)，計算摩擦角，泊松比u=0.4。 (2) C25鋼筋混凝土容重，截面尺寸，彈性模量。軸心抗壓強度：；彎曲抗壓強度：；軸心抗拉強度: ;泊松比u=0.2； (3) HPB235鋼筋物理

4、力學參數(shù) 密度：； 抗拉抗壓強度：； 彈性模量：；5.4.2 結構內力圖和變形圖（級圍巖深埋段）5.4.3 結構安全系數(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件的抗壓強度應按下式計算： （式5-1）式中：混凝土或砌體的抗壓極限強度（C25取19）；K安全系數(shù)；N軸向力；h截面厚度（m）；截面寬度，取1m；構件縱向彎曲系數(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件的抗拉強度應按下式計算： （式5-2）混凝土的抗拉極限強度（C25

5、取2） 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 而隧道設計規(guī)范規(guī)定，混凝土和砌體結構的強度安全系數(shù)如表5-1：表5-1 混凝土和砌體結構的強度安全系數(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242.0混凝土達到抗拉極限強度3.63.0故需要對截面進行配筋。 （2）配筋后檢算根據(jù)隧道設計規(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22，每延米受壓鋼筋數(shù)量：4根22，為對稱配筋，且混凝土保護層為5cm。 檢算原理如下：隧道襯砌結構屬于偏心受壓矩形構件，根據(jù)鋼筋混凝土結構

6、偏心受壓構件強度計算原理，求解結構的安全系數(shù)。其步驟如下：(1) 計算偏心距 （式5-3） 式中：彎矩； 軸向力。(2) 確定截面受壓區(qū)高度x先假設襯砌截面受拉鋼筋和受壓鋼筋面積分別為和，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。 （式5-4） 解方程得： （式5-5） 式中：軸向力到受拉鋼筋重心的距離，；軸向力到受壓鋼筋重心的距離，；鋼筋的重心到截面受拉邊緣的距離；鋼筋的重心到截面受壓邊緣的距離；鋼筋的抗拉計算強度標準值（取235）； 混凝土彎曲抗壓極限強度標準值（取18.5）；混凝土受壓區(qū)邊緣到受拉鋼筋重心的距離；襯砌計算截面寬度，取1m。當軸向力N位于作用于鋼筋和重心之間時

7、，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x0.55，矩形截面為大偏心受壓構件，否則為小偏心受壓構件。(4) 強度檢算1) 大偏心受壓構件 如果，按下式進行強度檢算： （式5-6） 否則，按下式進行強度檢算： （式5-7） 2) 小偏心受壓構件 按下式進行強度檢算： （式5-8） 如果軸向力N位于鋼筋的重心與鋼筋As的重心之間的情況下，還應符合下列式子： （式5-9） 根據(jù)以上步驟求得檢算截面受力的相關參數(shù)如下表5-2： 表5-2 檢算截面相關參數(shù) 截面81147偏心距（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 結論公路隧道設計規(guī)范中鋼筋混凝土結構的強度安全系數(shù)，見表5-3：表5-3 鋼筋混凝土結構的強度安全系數(shù) 荷載組合