隧道衬砌计算

-第五章隧道衬砌构造检算5.1构造检算一般规定 为了保证隧道衬砌构造的平安，需对衬砌进展检算。隧道构造应按破损阶段法对构件截面强度进展验算。构造抗裂有要求时，对混凝土应进展抗裂验算。5.2 隧道构造计算方法本隧道构造计算采用荷载构造法。其根本原理为：隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌构造产生荷载，衬砌构造应能平安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构造物的计算方法计算衬砌构造的内力，并进展构造截面设计。5.3 隧道构造计算模型本隧道衬砌构造验算采用荷载构造法进展验算，计算软件为ANSYS10.0。取单位长度1m的隧道构造进展分析，建模时进展了如下简化处理或假定： 衬砌构造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BIN14，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。计算时通过屡次迭代，逐步杀死受拉的BIN14单元，只保存受压的BIN14单元。图5-1 受拉弹簧单元的迭代处理过程 衬砌构造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。 衬砌构造自重通过施加加速度来实现，不再单独施加节点力。 衬砌构造材料采用理想线弹性材料。 衬砌构造单元划分长度小于0.5m。隧道构造计算模型及荷载施加后如图5-2所示。. z.-5.4 构造检算及配筋本隧道主要验算明洞段、级围岩段和级围岩段衬砌构造。根据隧道标准深、浅埋判定方法可知，级围岩段分为超浅埋段、浅埋段和深埋段。级围岩段为深埋段。根据所给的材料根本参数和修改后的程序，得出各工况下的构造变形图、轴力图、建立图和弯矩图。从得出的结果可知，级围岩深埋段，所受内力均较大，故对此工况进展构造检算。5.4.1 材料根本参数 (1)级围岩围岩重度，弹性抗力系数，计算摩擦角，泊松比u=0.4。 (2) C25钢筋混凝土容重，截面尺寸，弹性模量。轴心抗压强度：；弯曲抗压强度：；轴心抗拉强度:;泊松比u=0.2； (3) HPB235钢筋物理力学参数 密度：； 抗拉抗压强度：； 弹性模量：；5.4.2 构造内力图和变形图级围岩深埋段5.4.3 构造平安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进展检算，而根据对称性可知只需要对截面8、11、47进展检算。 1配筋前检算混凝土和砌体矩形截面轴心及偏心受压构件的抗压强度应按下式计算： 式5-1式中：混凝土或砌体的抗压极限强度C25取19；K平安系数；N轴向力；h截面厚度m；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： 式5-2混凝土的抗拉极限强度C25取2 按照式5-1和5-2，可求出平安系数如下表：截面81147平安系数1.801.642.20 而隧道设计标准规定，混凝土和砌体构造的强度平安系数如表5-1：表5-1混凝土和砌体构造的强度平安系数荷载组合破坏原因永久荷载+根本可变荷载永久荷载+根本可变荷载+其它可变荷载混凝土或砌体到达抗压极限强度242.0混凝土到达抗拉极限强度3.63.0故需要对截面进展配筋。 2配筋后检算根据隧道设计标准规定及工程类比，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：隧道衬砌构造属于偏心受压矩形构件，根据钢筋混凝土构造偏心受压构件强度计算原理，求解构造的平安系数。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*先假设衬砌截面受拉钢筋和受压钢筋面积分别为和，按以下公式计算出受压区高度*，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*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，按下式进展强度检算： 式5-6否则，按下式进展强度检算： 式5-72) 小偏心受压构件按下式进展强度检算： 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，还应符合以下式子： 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cm12.019.18.3受压区高度hmm33.328.739.5极限承载力NKN554046506160平安系数K2.273.062.255.5结论公路隧道设计标准中钢筋混凝土构造的强度平安系数，见表5-3：表5-3 钢筋混凝土构造的强度平安系数荷载组合破坏原因永久荷载+根本可变荷载永久荷载+根本可变荷载+其它可变荷载钢筋到达计算强度或混凝土到达抗压或抗剪极限强度2017混凝土到达抗压极限强度2420通过比拟表5-2和表5-3可知，级围岩二次衬砌所配钢筋符合要求，比拟经济合理。. z.