隧道二次衬砌计算书.doc

隧道二次衬砌计算书主体结构计算书赵东平2010-2-10II目 录1 参考规范- 1 -2 计算模型- 1 -3 计算参数- 2 -4 荷载计算- 3 -4.1 结构自重- 3 -4.2 围岩压力- 3 -5 结构内力及安全系数- 3 -6 衬砌配筋及裂缝验算- 8 -7 结论- 9 - 9 -隧道二次衬砌结构检算1 参考规范本次计算主要依据如下设计规范：（1）公路隧道设计规范(JTG D702004)（2）混凝土结构设计规范(GB500102002) （3）城市桥梁荷载设计标准(CJJ7798)（4）公路桥涵设计通用规范(JTG D602004)（5）混凝土结构耐久性设计规范(GB/T 504762008)（6）建筑边坡工程技术规范（GB 503302002）2 计算模型衬砌结构计算采用荷载结构法，荷载结构法原理认为，隧道开挖后地层的主要作用是对衬砌结构产生荷载，衬砌应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。本次计算采用荷载结构模型，计算程序采用ANSYS10.0。在ANSYS程序中，用二维梁单元（Beam3）模拟衬砌和中墙，用二维杆单元(Link10)模拟围岩对衬砌的约束效果，隧道衬砌和中墙共划分为100个单元，数值模型如图1所示，单元编号及节点编号与衬砌的对应位置关系如图2及图3所示。图1 衬砌计算模型图2 衬砌单元编号图3 衬砌节点编号3 计算参数根据公路隧道设计规范(TB10003-2005)及成灌线地质资料，计算参数如表1和表2所示。表1 衬砌力学参数表 参数衬砌材料衬砌力学指标衬砌重度（kN/m3）弹性模型Ec（GPa）极限抗压强度Ra（MPa）极限抗压强度Rl（MPa）泊松比C25混凝土2529.5192.00.2表2 土层力学参数表 参数围岩级别围岩力学指标弹性抗力系数K（MPa/m）重度（kN/m3）泊松比侧压力系数V级（浅埋）150170.250.214 荷载计算隧道衬砌荷载模式见图4。图4 衬砌荷载组合示意图图4中各分项荷载的计算方法如下。4.1 结构自重衬砌混凝土重度为，结构自重由ANSYS程序自动计算。4.2 围岩压力衬砌隧道埋深7.8m，根据公路隧道设计规范，浅埋隧道围岩压力采用计算如下（。隧道顶部上覆土重力：土层侧压力：顶部：底部：5 结构内力及安全系数衬砌内力计算结果见图6图8，结构最大应力计算结果如图9和图10所示，结构变形见图11。图6 衬砌结构轴力(N)图7 衬砌结构弯矩(Nm)图8 衬砌结构剪力(N)图9 衬砌最大压应力图(N)图10 衬砌最大拉应力图(N)由轴力计算结果可知，左右墙脚轴力最大，隧道拱顶正中轴力最小。中墙底部轴力值达-1320kN。衬砌最大正弯矩出现在拱顶内侧，正弯矩最大值为355kNm；衬砌最大负弯矩出现在两侧拱腰，负弯矩最大值为351Nm。衬砌最大剪力发生在边墙脚，最大剪力为335kN。拱顶内侧受拉，最大拉应力达到3.91MPa，拱腰外侧受拉，最大拉应力达到3.28MPa，均超过C25砼极限抗拉强度。衬砌最大压应力为17.8MPa，小于C25砼极限抗压强度。由以上计算结果可知，衬砌拱部最大拉应力均超过了C25砼的极限抗拉强度，因此结构需要进行配筋设计并进行裂缝验算。衬砌内力及安全系数计算结果如表4所示。表4 衬砌内力及安全系数位置单元编号轴力/kN弯矩/kN.m剪力/kN安全系数S控制标准右仰拱1-1259.67-28.5340.169.88受压控制2-1250.60-77.0464.479.50受压控制3-1237.95-149.8559.107.83受压控制4-1223.71-217.23-5.042.91受拉控制5-1211.93-220.20-176.292.77受拉控制表4 衬砌内力及安全系数位置单元编号轴力/kN弯矩/kN.m剪力/kN安全系数S控制标准6-1264.23-51.24-315.159.72受压控制7-1301.39253.5599.902.19受拉控制右边墙8-1212.85151.20113.227.85受压控制9-1175.0036.48-17.3810.55受压控制10-1153.5654.15-105.4810.57受压控制11-1131.07161.56-128.566.32受拉控制12-1094.86293.67-49.001.41受拉控制13-1035.95347.2574.391.05受拉控制14-961.96278.34151.021.42受拉控制拱部15-893.73133.55157.546.71受拉控制16-833.35-17.48143.3014.94受压控制17-784.10-153.72115.303.58受拉控制18-749.05-261.5077.061.37受拉控制19-730.51-330.7231.900.98受拉控制20-729.63-354.57-16.350.89受拉控制21-746.40-329.99-61.730.99受拉控制22-779.71-260.04-100.371.40受拉控制23-827.28-151.55-128.973.98受拉控制24-886.07-14.63-143.9714.06受压控制左边墙25-952.76137.04-138.497.29受拉控制26-1024.78282.42-63.561.44受拉控制27-1081.89351.8557.561.05受拉控制28-1116.93298.68132.461.39受拉控制29-1139.14169.00104.775.41受拉控制30-1160.9565.7614.0110.33受压控制31-1207.3651.95-113.2910.15受压控制32-1301.20164.21-86.017.26受压控制左仰拱33-1257.25245.78320.522.25受拉控制34-1204.46-78.76160.049.78受压控制35-1217.12-247.28-18.802.14受拉控制36-1232.45-236.42-83.412.40受拉控制37-1246.13-160.80-86.487.47受压控制38-1256.15-82.16-59.719.38受压控制39-1261.40-30.37-27.139.86受压控制40-1262.95-11.339.009.84受压控制由表4的计算结果可知，拱部受拉控制，衬砌最小安全系数为0.98，衬砌两侧拱腰最小安全系数为1.05，受拉控制。由此可见衬砌部分截面最小安全系数不满足规范要求，需要对结构进行配筋及裂缝宽度验算。6 衬砌配筋及裂缝验算根据混凝土结构设计规范、公路隧道设计规范、混凝土结构耐久性设计规范，衬砌配筋首先要满足承载力要求，在结构满足承载力要求前提下还需要满足最大裂缝宽度要求。配筋计算时，首先采用保护层厚度55mm，按承载力要求计算配筋量；然后取混凝土保护层厚度取30mm，验算最大裂缝宽度，并调整最大配筋量，最终计算结果见表5。表5 衬砌计算配筋量及最大裂缝宽度验算位置单元编号配筋后安全系数S控制标准钢筋根数/个配筋面积/mm2最大裂缝宽度验算/mm右仰拱1 2.0 受拉控制7 3436.1 不需验算裂缝2 2.0 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝3 6.6 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝4 31.2 受压控制4 1963.5 不需验算裂缝5 3.7 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝6 2.5 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝7 2.6 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝右边墙8 4.2 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝9 33.2 受压控制4 1963.5 不需验算裂缝10 14.5 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝11 2.2 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝12 7.1 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝13 33.2 受压控制4 1963.5 不需验算裂缝14 4.2 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝拱部15 2.6 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝16 2.5 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝17 3.7 受拉控制5 2454.4 不需验算裂缝18 31.3 受压控制5 2454.4 0.06 19 10.5 受拉控制5 2454.4 0.13 20 2.5 受拉控制5 2454.4 0.18 21 2.0 受拉控制5 2454.4 0.12 22 2.0 受拉控制5 2454.4 0.06 23 2.0 受拉控制5 2454.4 不需验算裂缝24 2.6 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝续表5 衬砌计算配筋量及最大裂缝宽度验算位置单元编号配筋后安全系数S控制标准钢筋根数/个配筋面积/mm2最大裂缝宽度验算/mm左边墙25 13.0 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝26 28.5 受压控制4 1963.5 不需验算裂缝27 25.8 受压控制4 1963.5 不需验算裂缝28 7.8 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝29 4.0 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝30 3.1 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝31 2.8 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝32 2.9 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝左仰拱33 3.3 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝34 4.6 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝35 10.4 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝36 34.3 受压控制4 1963.5 不需验算裂缝37 36.8 受压控制4 1963.5 不需验算裂缝38 7.3 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝39 3.6 受拉控制4 1963.5 不需验算裂缝40 3.1 受拉控制5 2454.4 不需验算裂缝7 结论由以上计算