隧道衬砌计算

中南大学毕业设计（论文）第五章隧道衬砌结构检算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（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。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（式5-3）式中：—弯矩；—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和，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。（式5-4）解方程得：（式5-5）式中：—轴向力到受拉钢筋重心的距离，；—轴向力到受压钢筋重心的距离，；—钢筋的重心到截面受拉边缘的距离；—钢筋的重心到截面受压边缘的距离；—钢筋的抗拉计算强度标准值（取235）；—混凝土弯曲抗压极限强度标准值（取18.5）；—混凝土受压区边缘到受拉钢筋重心的距离；—衬砌计算截面宽度，取1m。当轴向力N位于作用于钢筋和重心之间时，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，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，按下式进行强度检算：（式5-6）否则，按下式进行强度检算：（式5-7）2)小偏心受压构件按下式进行强度检算：（式5-8）如果轴向力N位于钢筋的重心与钢筋As的重心之间的情况下，还应符合下列式子：（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（cm）12.019.18.3受压区高度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