隧道土层压力荷载计算(地下铁道).docx

5.1 工程概况青岛地铁二号线汽车东站站采用明挖法施工，结构为框架结构。车站中心里程顶板覆土厚度3.5米，地下水位距地面3.5米，纵向柱子间距为8.4米，隧道顶板覆土为素填土，其天然重度为，路面荷载为，路面荷载超载系数取1.1。地层弹性反力系数为，钢筋混凝土重度，不考虑人防荷载，车站结构断面尺寸如图5-1所示。图 5-1 车站横断面示意图拟定车站主体结构相关构件的断面尺寸及工程材料如下表所示：表 5-1 主体结构尺寸及工程材料表类别尺寸（m）混凝土强度等级主体结构顶板0.8C35、P8混凝土中板0.4C35混凝土底板0.8C35、P8混凝土顶纵梁0.91.8C35、P8混凝土中纵梁0.90.95C35混凝土底纵梁0.92.0C35、P8混凝土中柱0.81.2C50、P8混凝土侧墙0.85C50、P8混凝土5.2 荷载类型及组合5.2.1 荷载类型结构设计所考虑的计算荷载主要有：偶然荷载，可变荷载和永久荷载，详见表5-2。表 5-2地下结构荷载分类表荷载类型荷载名称永久荷载结构自重地层压力静水压力及浮力设备重量地基下沉影响力结构上部和破坏棱体范围的设施及建筑物压力混凝土收缩及徐变影响侧向地基抗力及地基反力可变荷载基本可变荷载地面车辆荷载及其动力作用地面车辆荷载引起的侧向土压力地铁车辆荷载及其动力作用人群荷载其他可变荷载施工荷载温度变化影响偶然荷载7度地震荷载6级人防荷载5.2.2 荷载组合荷载的分项系数及组合系数按建筑结构荷载规范取值，取值如表5-3。表 5-3 地铁车站结构计算荷载组合表 状态及组合荷载种类承载能力极限状态正常使用极限状态基本组合标准组合永久荷载结构自重1.11.351覆土荷载1.11.351侧向土压力1.11.351侧向水压力1.11.351浮力1.11.351设备荷载1.11.351可变荷载人群荷载1.11.41.00.71地面超载1.11.41.00.71地面超载引起的侧向土压力1.11.41.00.71备注用于配筋计算用于抗裂计算5.3 主要计算参数因为车站所处位置地层较多，为了使计算简便，将物理力学指标相近的地层通过加权平均合并为一层，经合并后，共有三个地层。各土层具体信息如下表5-4：表 5-4 标准断面处从地面至车站底板土层信息表序号岩土名称厚度（m）重度(kN/m3)内摩擦角()侧压力系数1素填土3.518220.4552黏土620.323.30.4333碎石7.524.734.70.28荷载取值如下：1、设备荷载：一般按8KPa计算，超过8KPa按设备实际重量计算。2、人群荷载：4kPa。3、路面荷载：20kPa（超载系数取1.0）。4、水压力: 按全水头考虑。5、车辆荷载：由于有利于抗浮，不考虑。5.4 荷载计算5.4.1 垂直荷载1、顶板垂直荷载顶板垂直荷载由路面活载及垂直土压力组成，方向竖直向下。路面均布活载： 垂直土压力： 顶板垂直荷载为：标准组合： 基本组合： 2、中板垂直荷载中板垂直荷载由人群荷载与设备荷载组成，方向竖直向下。基本组合的选择：标准组合： 基本组合： 3、底板荷载：底板垂直荷载即为水浮力，方向竖直向上。标准组合： 基本组合： 表 5-5 主体结构顶板、中板、底板垂直荷载表（单位：）顶板中板底板标准组合8512-135基本组合117.27116.192-200.475说明：表中正值表示荷载方向为竖直向下，负值表示竖直向上。5.4.2 侧向荷载侧向土压力的大小与墙体的变形情况有关，在主动土压力与被动土压力之间变化，在使用阶段取静止土压力进行计算。一般土压力的计算方法有两种：水土分算与水土合算。采用水土分算时是将地下水位以下的土压力与水压力叠加；水土合算，采用地下水位以下土的重度，只考虑土压力的作用。在实际情况中计算设计荷载时，砂土采用水土分算，而粘性土则用水土合算的方法。本结构水下部分第一层土粘性土采用水土合算，第二层土为碎石采用水土分算。选取车站有效站台中心处计算。各土层侧压力系数：素填土： 黏土土: 碎石: 1、 基本组合设计值设土层至地面的距离为h。当h=3.5m时，即在顶板处，当h=9.5m时,即在中板处当h=17m时，即在底板处，2、标准组合设计值设土层至地面的距离为h。当h=3m时，当h=9.5m时，当h=17m时，5.4.3纵梁荷载纵梁计算位置考虑荷载最不利位置，取纵梁两侧相邻板半跨荷载之和，即纵梁荷载为两个半跨板上部荷载及板自重之和。1、基本组合设计值：（1）顶纵梁荷载（2）中纵梁荷载（3）底纵梁荷载2、标准组合设计值：（1）顶纵梁荷载（2）中纵梁荷载（3）底纵梁荷载3、中柱纵梁荷载计算表表5-7中柱纵梁荷载表（单位：）顶纵梁中纵梁底纵梁标准组合708.75148.5-776.25基本组合992.054209.534-1152.731说明：表中正值表示荷载方向为竖直向下，负值表示竖直向上。5.5 计算简图5.5.1 框架结构计算简图采用荷载基本组合和采用荷载标准组合的计算简图分别如图5-2、5-3。图5-2 采用荷载基本组合时的计算简图图5-3 采用荷载标准组合时的计算模型5.5.2 纵梁计算模型为消除边界效应，车站结构纵断面方向取5跨，柱间距为8.4m，计算结果采用中间跨。以中柱纵梁为例，其计算简图如图5-4、5-5所示： 图 5-4 中柱纵梁在基本组合情况下的计算模型图 5-5 中柱纵梁在标准组合情况下的计算模型5.6 有限元计算5.6.1 有限元建模5.6.1.1 材料特性1、主要工程材料（1）主体结构梁、板和侧墙：C35钢筋混凝土（2）柱子：采用C50钢筋混凝土 2、材料参数各截面的材料参数如下表：表 5-8 各截面材料参数名称结构尺寸重度弹性模量/泊松比顶板100080025003.151040.2中板100040025003.151040.2底板100080025003.151040.2侧墙100085025003.51040.2中柱800120025003.51040.2中柱顶纵梁900180025003.151040.2中柱中纵梁900950025003.151040.2中柱底纵梁900200025003.151040.23、地基弹性反力系数根据本车站的地质情况得地基弹性反力系数：5.6.1.2 单元类型及网格划分1、单元类型本车站主体结构中顶板、中板、底板、侧墙和柱子均采用Beam 3（梁）单元，且定义只能受压。结构和围岩的相互作用用link10（杆单元）来实现，考虑到土体受力特性（不能受拉），将杆单元定义只能受压。2、网格划分对于主体结构中的板、墙和柱子，单元划分长度取1m。5.6.1.3 约束及荷载1、约束条件由于使用杆单元模拟结构和围岩的相互作用，因此在主体结构左右两侧及底部均建立了对应节点的杆单元，所以在主体结构三侧均施加约束，并约束杆单元另一端的所有自由度。2、施加荷载将计算得到的竖向荷载直接施加；水平荷载需计算侧向每一个单元两端处的力，再进行施加。5.6.2 计算结果5.6.2.1矩形框架计算结构分别对基本组合和标准组合情况下的车站断面进行内力计算。 1、基本组合计算结果（1）基本组合计算结果如图5-65-9所示。图5-6 荷载基本组合的变形图（单位：m）图5-7 荷载基本组合的轴力图（单位：N）图5-8 荷载基本组合的剪力图（单位：N）图5-9 荷载基本组合的弯矩图（单位：Nm）（2）结构断面内力表 5-9 采用荷载基本组合时计算得到的结构标准断面控制内力表构件弯矩（）轴力（kN）剪力（kN）尺寸 /顶板上缘881.5406.4637.2顶板下缘491.5406.4637.2中板上缘215.0572.4137.2中板下缘85.6572.4137.2底板上缘552.6729.6870.5底板下缘1092.1729.6870.5负一层侧墙迎土面881.52826.5406.4负一层侧墙背土面36.7826.5197.6负二层侧墙迎土面495.61200.4374.8负二层侧墙背土面331.51200.4870.5负一层中柱01000.70负二层中柱01231.302、标准组合计算结果（1）荷载标准组合计算图示如图5-105-13：图5-10 荷载标准组合的变形图（单位：m）图5-11 荷载标准组合的轴力图（单位：N）图5-12荷载标准组合的剪力图（单位：N）图5-13 荷载标准组合的弯矩图（单位：Nm）（2）结构断面内力标准组合情况下结构断面内力如下表5-10所所示：表 5-10 采用荷载标准组合时计算所得结构标准断面控制内力表构件弯矩（）轴力（kN）剪力（kN）尺寸 /顶板上缘631.8290.4455.9顶板下缘351.7290.4455.9中板上缘156.3437.097.9中板下缘59.4437.097.9底板上缘357.1562.9611.4底板下缘780.2562.9611.4负一层侧墙迎土面631.8583.4290.4负一层侧墙背土面51.7583.4143.5负二层侧墙迎土面780.2840.7293.5负二层侧墙背土面286.1840.7562.9负一层中柱0713.40负二层中柱0875.305.6.2.3 纵梁计算1、侧柱纵梁计算结果（1）侧柱纵梁荷载基本组合的计算图示如图5-145-16。图5-14 荷载基本组合的变形图（单位：mm）图5-15 荷载基本组合的剪力图（单位：N）图5-16 荷载基本组合的弯矩图（单位：Nm）车站顶板配筋及裂缝验算（1） 几何材料参数因混凝土等级为C35，所以，查混规，相关数据为：，,采用HRB400级钢筋（，）截面尺寸。弯矩设计值为，轴力设计值为，剪力设计值。（2）不考虑二阶效应，因为，则。（3）判断大小偏心，所以先按大偏心受压构件计算。（4）计算配筋为充分利用受压区混凝土的抗压强度，设。受压区钢筋面积：取。选用620（）受拉区钢筋面积：（确认为大偏心）故 则受拉区钢筋面积：其中选用受拉钢筋825（），所以非超筋。箍筋（1）几何参数及材料参数因混凝土等级为C35，查混规得，。因为C35C50，所以。箍筋采用HRB335，。（2）上限值验算非斜压破坏因为，属于一般梁。有： （3）验算是否需按计算设计配筋一般梁 混凝土本身就能抵抗其剪力，不需要按计算设置箍筋，但仍需按构造要求配置箍筋，选用8150。裂缝宽度验算裂缝宽度采用标准荷载组合进行检算，弯矩设计值为，轴力设计值为，剪力设计值。根据混规（GB50010-2010），当时需验算裂缝宽度。受压翼缘截面面积与腹板有效截面面积的比值：矩形截面：纵向受拉钢筋合力点至截面受压合力点的距离：按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率：按荷载效