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某隧道二次衬砌计算书

主体结构计算书
目录
1 参考规范............................................................................................................... - 1 -
2 计算模型............................................................................................................... - 1 -
3 计算参数............................................................................................................... - 2 -
4 荷载计算............................................................................................................... - 3 - 4.1 结构自重............................................................................................................ - 3 -
4.2 围岩压力............................................................................................................ - 3 -
5 结构内力及安全系数........................................................................................... - 3 -
6 衬砌配筋及裂缝验算........................................................................................... - 8 -
7 结论....................................................................................................................... - 9 -
隧道二次衬砌结构检算
1 参考规范
本次计算主要依据如下设计规范:
(1)《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)
(2)《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)
(3)《城市桥梁荷载设计标准》(CJJ77—98)
(4)《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)
(5)《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476—2008)
(6)《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2002)
2 计算模型
衬砌结构计算采用荷载—结构法,荷载结构法原理认为,隧道开挖后地层的主要作用是对衬砌结构产生荷载,衬砌应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。

本次计算采用荷载—结构模型,计算程序采用ANSYS10.0。

在ANSYS程序中,用二维梁单元(Beam3)模拟衬砌和中墙,用二维杆单元(Link10)模拟围岩对衬砌的约束效果,隧道衬砌和中墙共划分为100个单元,数值模型如图1所示,单元编号及节点编号与衬砌的对应位置关系如图2及图3所示。

图1 衬砌计算模型
图2 衬砌单元编号
图3 衬砌节点编号
3 计算参数
根据《公路隧道设计规范》(TB10003-2005)及成灌线地质资料,计算参数如表1和表2所示。

表1 衬砌力学参数表
表2 土层力学参数表
4 荷载计算
隧道衬砌荷载模式见图4。

图4 衬砌荷载组合示意图
图4中各分项荷载的计算方法如下。

4.1 结构自重
衬砌混凝土重度为3/25m KN =γ,结构自重由ANSYS 程序自动计算。

4.2 围岩压力
衬砌隧道埋深7.8m ,根据公路隧道设计规范,浅埋隧道围岩压力采用计算如下(。

隧道顶部上覆土重力:''2q (106.08kN /m i i i i h h γγ∑n
i=1=+)=
土层侧压力:
顶部:21e 22.28kN /m q λ== 底部:n1
1i i=1e (+)49.53kN /m i q h λγ∑==
5 结构内力及安全系数
衬砌内力计算结果见图6~图8,结构最大应力计算结果如图9和图10所示,结构变形见图11。

图6 衬砌结构轴力(N)
图7 衬砌结构弯矩(N·m)
图8 衬砌结构剪力(N)
图9 衬砌最大压应力图(N)
图10 衬砌最大拉应力图(N)
由轴力计算结果可知,左右墙脚轴力最大,隧道拱顶正中轴力最小。

中墙底部轴力值达-1320kN。

衬砌最大正弯矩出现在拱顶内侧,正弯矩最大值为355kN·m;衬砌最大负弯矩出现在两侧拱腰,负弯矩最大值为351N·m。

衬砌最大剪力发生在边墙脚,最大剪力为335kN。

拱顶内侧受拉,最大拉应力达到3.91MPa,拱腰外侧受拉,最大拉应力达到3.28MPa,均超过C25砼极限抗拉强度。

衬砌最大压应力为17.8MPa,小于C25砼极限抗压强度。

由以上计算结果可知,衬砌拱部最大拉应力均超过了C25砼的极限抗拉强度,因此结构需要进行配筋设计并进行裂缝验算。

衬砌内力及安全系数计算结果如表4所示。

由表4的计算结果可知,拱部受拉控制,衬砌最小安全系数为0.98,衬砌两侧拱腰最小安全系数为1.05,受拉控制。

由此可见衬砌部分截面最小安全系数不满足规范要求,需要对结构进行配筋及裂缝宽度验算。

6 衬砌配筋及裂缝验算
根据《混凝土结构设计规范》、《公路隧道设计规范》、《混凝土结构耐久性设计规范》,衬砌配筋首先要满足承载力要求,在结构满足承载力要求前提下还需要满足最大裂缝宽度要求。

配筋计算时,首先采用保护层厚度55mm,按承载力要求计算配筋量;然后取混凝土保护层厚度取30mm,验算最大裂缝宽度,并调整最大配筋量,最终计算结果见表5。

隧道二次衬砌计算书
7 结论
由以上计算结果可知:
(1)在设计荷载作用下,衬砌多个位置最大拉应力大于C25砼极限抗拉强度,衬砌最大压应力小于C25砼极限抗压强度。

(2)在设计荷载作用下,衬砌仅按构造配筋设计即可满足承载力及最大裂缝宽度要求。

配筋量计算结果可参见表5的计算结果进行设计。

(3)本次计算最大裂缝宽度标准采用0.2mm控制,根据《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476—2008)的相关规定,裂缝验算时,混凝土保护层厚度取3cm。

结构设计时,注意以上条件。

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