隧道衬砌计算

1、精品文档第五章 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结构法进行验算，计算软件为ANSYS10.0。取单位长度（1m）的隧道结构进

2、行分析，建模时进行了如下简化处理或假定： 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。 围岩的约束采用弹簧单元（ COMBIN14） ， 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COMBIN14 单元，只保留受压的 COMBIN14 单元。图5-1受拉弹簧单元的迭代处理过程 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。 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。衬砌结构材料采用理想线弹性材料。衬砌结构单元划分长度小于

3、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IV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。IV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。5.4.1 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0 45o ，泊松比u=0.4。(2) C25钢筋混凝土容重25kN/m3,截面尺寸b h

4、 1.0m 0.6m ,弹性模量E 29.5GPa。轴心抗压强度：fcd 12.5MPa ；弯曲抗压强度：fcmd 13.5MPa ；轴心抗拉强度：fcd 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：fstdfscd 188MPa； 弹性模量：Es 210GPa；5.4.2 结构内力图和变形图(V级围岩深埋段)5.4.3 结构安全系数从上面的轴力图和弯矩图可知，需要对截面8、 11、 21、 47、 73进行检算，而根据对称性可知只需要对截面8、 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

5、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一截面宽度，取1m；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 R1bh/（6e0/h 1）（式 5-2）R一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:截回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

6、久何载+基本口受柿载永久何载+基本口变柿载+其 匕口受布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：精品文档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eoe0 M/N (式 5-3)式中：M 一弯矩；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A

7、s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) (bx(e ho x/2)(式 5-4)解方程得：x v'(e ho)2 2Rg(Ase Ase)/(Rwb) (e ho)(式 5-5)式中：e轴向力到受拉钢筋重心的距离，e e (h/2 a)；'e 一轴向力到受压钢肋重心的距离，e h/2 eo a ；a 一钢筋As的重心到截面受拉边缘的距离；a 一钢筋As的重心到截面受压边缘的距离；Rg 一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 18.5MPa);ho 混凝土受压区边缘到受拉钢筋重心的距

8、离；b一衬砌计算截面宽度，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x00.55ho,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(ho 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 人的重心与钢筋As的重心之间的情况下，还应符合下列式子：KNe 0.5Rabh02 RgAs(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回81147偏心距e0 (cm)12.019.18.3受压区局度h (mm)33.328.739.5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