1计算标准及模型假定

一般原则

1．隧道结构采用以概率理论为基础的极限状态设计法，以可靠指标度量结构构件的可靠度。采用以分项系数的设计表达进行结构计算分析。

2．结构构件应根据承载力极限状态及正常使用极限状态的要求，分别按下列规定进行计算和验算。

    1）承载力及稳定：所有结构构件均应进行承载力（包括压曲失稳）计算；需考虑地震、人防、施工等特殊荷载的作用，进行结构构件抗震承载力计算。

2）变形：对使用上需控制变形值的结构构件，进行变形验算。

3）抗裂及裂缝宽度：对使用上要求不出现裂缝的构件，进行混凝土拉应力验算；对使用上允许出现裂缝的构件，按荷载的短期效应组合并考虑长期效应组合的影响求出最大裂缝宽度进行裂缝宽度验算。地震力、人防等偶然荷载作用时，不验算结构的裂缝宽度。   

3．结构计算简化模型的确定，根据结构的实际工作条件，并反映结构与周围地层的相互作用。

    4．隧道衬砌结构一般按平面受力进行分析，本次只进行最大的一个横断面方向的受力计算。

5．浅埋结构在地下水位以下，整体结构还要考虑水浮力，进行整体抗浮验算。

设计计算标准要求

1．钢筋混凝土结构的最大裂缝宽度允许值为在荷载的短期效应组合并考虑长期效应组合的影响下求得，设计中采用外部全包防水，迎水面其允许值为0.2mm，背水面及内部结构允许值为0.3mm，并不得有贯穿裂缝。

2．结构抗震设防烈度为6度。

3．规定设防部位结构按六级人防设防。

4．结构抗浮安全系数不计摩阻力时≥1.05，计摩阻力时≥1.15。

计算模型

采用荷载-结构模型平面杆系有限单元法。

计算基本假定

1．假定衬砌为小变形弹性梁，衬砌为离散足够多个等厚度直杆梁单元。

2．用布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩与初期支护、衬砌的相互约束；假定弹簧不承受拉力，即不计围岩与衬砌间的粘结力；弹簧受压时的反力即为围岩对衬砌的弹性抗力。

3．假定初期支护与主体结构之间只传递径向压力。

2荷载计算

计算断面的选取    

联络通道所在土层为④1粉土、⑤粉质粘土层。计算选取最大的断面作为结构计算模型，覆土厚度为17.1m。

荷载参数选择

（1）土层参数

各土层主要物理力学指标综合建议值如下表所示。

C30钢筋混凝土的重度为25kN/m3，弹性模量为3.0 104MPa。

计算荷载

使用阶段计算采用水土分算。

确定深、浅埋隧道分界深度为：

B=3.8，i=0.2   

ha=10.944 m　　 

Hp＜=（2.0～2.5）Ha =21.9~27.4m

（1）水土压力 

①垂直土压力：对于浅埋隧道应按浅埋隧道围岩压力的确定方法计算围岩压力，考虑两侧土体的挟持作用；对于超浅埋隧道，土层厚度取全土柱高度。

②水平土压力：水平土压力作用在衬砌两侧，沿其横断面圆的直径水平作用的分布荷载。其大小根据垂直土压力与侧压力系数来计算。

③水压力：按静水压力计算。

回填土侧压力系数以0.5计，对结构所处土层的计算参数取加权平均值：

土体重度：

侧压力系数：

（2）自重荷载

自重荷载按下式计算：

f= bh

式中， —砼重度；h—衬砌厚度；b—计算纵向宽度以b=1m计。钢筋混凝土容重 取25kN/m3，截面变化处按相应截面的厚度按上式计算。

（3）地面超载

地面超载引起的垂直土压力Pd=20.00kPa，水平土压力：q1（隧道顶）=q2（隧道底）=k0×Pd。

（4）地层抗力

在链杆法中，地层抗力是用地层弹簧来模拟的。地层抗力系数根据土层条件确定，按文克勒假定计算。在计算中，消除弹簧的受拉作用。

（5）地震荷载

按三级抗震构造要求配筋。

（6）人防荷载

联络通道覆土均大于2.5m，因此本设计不做人防工况验算。

3主体结构计算

荷载组合

荷载组合表

1）计算模型

选取联络通道横截面进行结构计算，结构简化为四周受水土压力的一拱形结构。

计算模型(永久荷载＋可变荷载)

2）内力计算结果

（1） 轴力　　　　　　　　　　　　　　　　　（4） 轴力

（2） 剪力　　　　　　　　　　　　　　　　　（5）剪力

（3） 弯矩　　　　　　　　　　　　　　　　　（6）弯矩　

（a）基本组合下内力结果　　　　　　　　　(b)标准组合下内力结果

3）联络通道配筋计算

基本组合下，弯矩最大值为3.6 kN.m，剪力最大值为696.5 kN，轴力最大值为-773.4 kN。考虑到初支的20％作用，再考虑到消峰10％，联络通道结构最大计算弯距为262.5 kN.m，最大剪力值为501.5 kN，最大轴力值为618.7　kN。

按《混凝土设计规范》GB50010-2002计算联络通道结构在承载力极限状态下的配筋量。矩形截面(1000×1330)，，按深受弯构件计算。计算弯矩262.5 kN.m，计算轴力524.8 kN。

断面号：底板支座处

（1）深受弯构件纵向受拉钢筋计算

一、计算信息

    1. 几何参数

        梁宽: b=1000mm

        梁高: h=1330mm

        梁的计算跨度: lo=2900mm

    2. 材料信息

        混凝土等级:    C30    fc=14.3N/mm2    ft=1.43N/mm2 

        钢筋种类:    HRB335    fy=300N/mm2

        最小配筋率: ρmin=max(0.200,45ft/fy)％=max(0.200,45×1.43/300)％=0.215％    (自动计算)

        纵筋合力点至近边距离: as=50mm 

    3. 荷载信息

        M=262.500kN×m

    4. 设计参数

        结构重要性系数: γo=1.1

二、计算过程

    1. 判断深受弯构件类型： 

        lo/h=2900/1330=2.180, 2<2.180<5, 属于一般深受弯构件。

    2. 计算梁截面有效高度： 

        ho=h-as=1330-50=1280mm 

    3. 计算内力臂长度 (lo≥h)

        3.1 计算截面受压区高度

            αd=0.8+0.04×lo/h=0.8+0.04×2900/1330=0.887        　　　　    （10.7.3-3） 

            z=αd×(ho-0.5x)                        　　　　　　　　    （10.7.3-2）

            a1×fc×b×x=fy×As;                        　　　　　　　　　　（7.2.1-2）

            M=fy×As×z                            　　　　　　　　　　（10.7.3-1）

             =fy×As×ad×(ho-x/2);                          

             =a1×fc×b×x×ad×(ho-x/2);                       

            令A=a1×fc×b×ad=1.00×14.3×1000×0.887=12687.22mm2

            x=(A×ho±sqrt(A2×ho2-2×A×M))/A 

            =(12687.22×1280±sqrt(12687.222×12802-2×12687.22×262.500×106))/12687.22  

            =16.268mm

            因为x＜0.2ho=0.2×1280=256mm, 所以取 x=256mm。

        3.2 计算内力臂长度   

            z=αd×(ho-0.5x)=0.887×(1280-0.5×256)=1022.08mm        　　　　　（10.7.3-2） 

    4. 计算纵向受拉钢筋

        As=M/(fy×z)×γo=262.500×106/(300×1022.08)×1.1=942mm2        　　　（10.7.3-1）

    5. 验算配筋率

        ρ=As/(b×h)=942/(1000×1330)=0.071％            　　　　　　　　　　（10.7.13） 

        ρ=0.071％<ρmin=0.214％，不满足最小配筋率要求，

        取As=ρmin×b×h=0.214％×1000×1330=2853mm2 。

（2）联络通道底板配筋选择

根据以上配筋计算，断面配筋结果如下：

  1  裂缝宽度验算

　1．1  基本资料　

  1．1．1  工程名称：工程一　

  1．1．2  矩形截面偏心受压构件    构件受力特征系数 αcr ＝ 2.1　

      截面尺寸 b×h ＝ 1000×1330mm    受压构件计算长度 lo ＝ 2900mm　

  1．1．3  纵筋根数、直径：第 1 种：6Φ25　

      受拉区纵向钢筋的等效直径 deq ＝ ∑(ni × di^2) / ∑(ni × υ × di) ＝ 25mm　

      带肋钢筋的相对粘结特性系数 υ ＝ 1　

  1．1．4  受拉纵筋面积 As ＝ 2945mm     钢筋弹性模量 Es ＝ 200000N/mm 　

  1．1．5  最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离 c ＝ 30mm　

      纵向受拉钢筋合力点至截面近边的距离 as ＝42.5mm    ho ＝ 1287.5mm　

  1．1．6  混凝土抗拉强度标准值 ftk ＝ 2.01N/mm 　

  1．1．7  按荷载效应的标准组合计算的轴向力值 Nk ＝ 387.8kN　

      按荷载效应的标准组合计算的弯距值 Mk ＝ 193.9kN·m　

      轴向力对截面重心的偏心矩 eo ＝ Mk / Nk ＝ 1939994/387800 ＝ 500mm　

  1．1．8  eo / ho ＝ 0.388 ≤ 0.55，可不验算裂缝宽度。　

断面号：底板跨中

(1)计算参数

M= 0.8×（168.1+0.15×3.6）=178.2 kN.m，N=0.8×656=524.8 kN，b=1000mm，h=1330 mm，c=40mm，L0＝2900mm，混凝土C30；

(2)深受弯构件正截面承载力计算

按强度配筋：As=639　mm2；

选配6Φ25＠150，　As1＝2945.4 mm2，配筋率：ρ＝0.22 ％；

ρmin=max(0.2％,0.45×fc/fy)=0.21％；

As1＝2945.4 mm2>  As=639 mm2　满足要求；

(3)裂缝验算：

Mk= 131.9 kN.m，Nk=387.8 kN

eo / ho ＝0.2 ≤ 0.55，可不验算裂缝宽度。　

(4)实配：6Φ25＠150。

断面号：侧墙支座处

(1)计算参数

因底板较厚，为1330mm，取调幅系数为0.8。

M= 0.8×0.8×3.6=262.5 kN.m，N=0.8×734.8=587.8 kN，b=1000mm，h=400 mm，c=40mm，L0＝4473　mm，混凝土C30；

(2)正截面承载力计算

按强度配筋：As=2169　mm2；

选配6Φ22＠150，　As1＝2280.6　mm2，配筋率：ρ＝0.57 ％；

ρmin=max(0.2％,0.45×fc/fy)=0.21％；

As1＝2280.6 mm2>  As=2169 mm2　满足要求；

(3)裂缝验算：

Mk=172.4 kN.m，Nk=434.6 kN

裂缝宽度：ω＝0.159 mm < 0.2 mm 满足要求。

(4)实配：6Φ22＠150。

断面号：侧墙跨中

(1)计算参数

因底板较厚，为1330mm，取调幅系数为0.8。

M= 0.8×（167+0.15×3.6）=177.4　kN.m，N=0.8×711.5=355.8 kN，b=1000　mm，h=400 mm，c=40mm，L0＝4473　mm，混凝土C30；

(2)正截面承载力计算

按强度配筋：As=1755　mm2；

选配6Φ22＠150，　As1＝2280.6　mm2，配筋率：ρ＝0.57 ％；

ρmin=max(0.2％,0.45×fc/fy)=0.21％；

As1＝2280.6 mm2>  As=1755 mm2　满足要求；

(3)裂缝验算：

Mk=79.0 kN.m，Nk=420.8 kN

eo / ho ＝ 0.523 ≤ 0.55，可不验算裂缝宽度。

(4)实配：6Φ22＠150。下载本文