隧道区间荷载计算(共32页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上一、 荷载计算 1.1 地层压力 对比不利因素，选取如下断面进行分析: 隧道YK22+284.057处，由纵断面图知埋深为h=16.07m，V级围岩，横断面衬砌类型为D型，岩土力学参数表1-1如下：表1-1 岩土力学参数地层代号岩土名称天然密度(g/cm3)天然含水量（%）黏聚力（kpa）内摩擦角()厚度（m） 素填土2.03 / / /2.7粉质粘土2.0122.7629.815.36.1强风化粗粒花岗岩2.30 /60.030.02.24强风化粗粒花岗岩2.32 /80.032.05.03中等风化粗粒花岗岩2.44 /2000.035.06.51.1.1 围岩深浅

2、埋的判定 偏于安全考虑，取隧道开挖最大轮廓尺寸进行围岩压力的计算，即B=6.2m，Ht=6.5m。等效荷载高度：,式中 s围岩级别，如级围岩s=5； w宽度影响系数，其值为： 其中，B坑道宽度； iB每增加1m时，围岩压力的增减率（以B=5m为基准），当B5m时，取i=0.1。深浅埋分界深度： 由于围岩为V级，围岩软弱破碎且节理发育，故深浅埋分界深度取，故隧道为一般浅埋隧道。1.1.2 围岩压力的计算对于埋深的一般浅埋隧道，衬砌统一按照一般浅埋段隧道的最大埋深处的围岩压力进行设计和检算。一般浅埋隧道围岩压力按谢家休公式计算：对于V级围岩，,此处取，查规范可得V级围岩似摩擦角为，,则,又因为水位

3、线在素填土和粉质粘土交界处，故粉质粘土的有效容重为，竖向均布压力： 拱顶水平压力： 拱底水平压力： 1.2 水压力拱顶水压力： 拱底水压力：1.3地面车辆荷载及其冲击力 1.3.1 竖向荷载 在道路下方的地下结构，地面车辆及施工荷载可按20kPa的均布荷载取值，并不计冲击压力的影响，即poz=20kPa。 1.3.2 车辆荷载的侧向压力 地面车辆荷载传递到地下结构上的侧压力pox,可按下式计算：石质地层查规范表，V级围岩的侧向压力系数，。1.4地震荷载 在衬砌结构横截面的抗震设计和抗震稳定性检算中采用地震系数法（惯性力法），即静力法；验算衬砌结构沿纵向方向的应力和变形则用地层位移法，即拟静力法

4、。 等代的静地震荷载包括：结构本身和洞顶上方土柱的水平、垂直惯性力以及主动土压力增值。由于地震垂直加速度峰值一般为水平加速度的1/22/3,因此对震级较小和对垂直地震振动不敏感的结构，可不考虑垂直地震荷载的作用。只有在验算结构的抗浮能力时才计及垂直惯性力。水平地震荷载计算可按照垂直和沿着隧道纵轴两个方向进行：1.4.1 隧道横截面上的地震荷载（垂直隧道纵轴） 1.4.1.1 结构的水平惯性力作用在构件或结构重心处的地震惯性力一般可表示为式中 作用于结构的地震加速度； g标准自由落体加速度； Q构件或结构的重力； Kc与地震加速度有关的地震系数。对于马蹄形曲墙式衬砌，可以简化其均布的水平惯性力为

5、：式中 c综合影响系数，规范中建议对于岩石地基c=0.2，对非岩石地基c=0.25； Kh水平地震系数，7度地区Kh=0.1；8度地区Kh=0.2；9度地区Kh=0.4； m1上部衬砌质量； H上部衬砌的高度； m2仰拱质量； f仰拱的矢高。根据设计说明，取c=0.2，Kh=0.1；由横断面图知：二次衬砌为C45模筑钢筋混凝土，密度取2500kg/m3，H=5.285m，f=1.215m。由计算可得（取沿隧道纵轴1m长的衬砌研究）：m1=9120kg，m2=4462kg。， 1.4.1.2 洞顶上方土柱的水平惯性力 式中 m上上方土柱的质量。由岩土力学参数表1-1可知（取沿隧道纵轴1m长的衬砌

6、研究）：， 1.4.1.3 主动侧向土压力的增值地震时地层的内摩擦角要发生变化，由原来的值减少为，其中为地震角，在在7度地震区，;8度地震区，；9度地震区，。因此，结构一侧的主动侧向土压力增量为式中 qi 计算截面i处的竖向土压力； 。而结构另一侧的主动侧向土压力增量可按上述值反对称布置。即， ，1.4.1.4 结构和隧道上方土柱的垂直惯性力。其一般计算公式为式中 Kv垂直地震系数，一般取Kv=Kh/22Kh/3; Q、P衬砌和隧道上方土柱的重力。由于垂直惯性力仅在验算结构抗浮能力时需要考虑，因此，不需考虑此垂直惯性力。1.4.2 沿隧道纵轴方向的地震荷载地震中的横波与隧道纵轴斜交或正交，或地

7、震中的纵波与隧道纵轴平行或斜交，都会沿隧道纵向产生水平惯性力，使结构发生纵向拉压变形，其中以横波产生的纵向水平惯性力为主。地震波在冲积层中的横波波长约为160m左右。因此，孙钧院士在其地下结构一书中建议：计算纵向水平惯性力时，对区间隧道可按半个波长的结构重力考虑，即式中 纵向80m长结构的重力。即1.4.3 结构上部和受影响范围内的设施及建筑物压力 在计算这部分荷载时，应考虑建筑物的现状和以后的变化，凡明确的，应以其设计的基底应力和基底距隧道结构的距离计算。凡不明确的，应在设计中作出规定,即。1.4.4 人防荷载规定为1.5 荷载组合表1-2 荷载分项系数建议值荷载类型荷载名称分项系数基本组合

8、构件强度计算构件抗裂验算抗震偶然组合构件强度验算人防偶然组合构件强度验算永久荷载结构自重1.351.01.21.2地层压力1.351.01.21.2结构上部和受影响范围内的设施及建筑物压力1.351.01.21.2水压力及浮力1.351.01.21.2可变荷载基本可变荷载地面车辆荷载及其冲击力1.41.0地面车辆荷载引起的侧向土压力1.41.0其它可变荷载温度变化影响力1.41.0施工荷载1.41.0偶然荷载8度地震荷载1.05级人防荷载1.01.5.1 荷载基本组合1.5.2 荷载人防偶然组合1.5.3 荷载地震偶然组合1.5.4 荷载抗裂组合二 衬砌配筋计算与抗裂验算2.1 偏心受压构件计

9、算时，应考虑构件在弯矩作用平面内挠曲对轴向力偏心距的影响，此时，应将轴向力对截面重心的初始偏心距乘以偏心距增大系数。对矩形、T形、工字形截面偏心受压构件，偏心距增大系数可按下式计算：式中 轴向力对截面重心轴的偏心距，； 偏心距增大系数； 构件的计算长度（m）； 截面高度（m）； 考虑偏心距对截面弯曲的影响系数，当计算所得的1时，取=1； 考虑构件长细比对截面弯曲的影响系数，当时，取； 截面的有效高度（m）。对于隧道衬砌、明洞拱圈和墙背紧密回填的明洞边墙，以及当构件高度与弯矩作用平面内的截面边长之比时，可不考虑挠度对偏心距的影响，取。2.2 钢筋混凝土矩形截面偏心受压构件正截面强度应按下列公式计

10、算：取沿构件纵轴方向的内外力之和为零，可得到 （2-2-1）由截面上所有对钢筋合力点的力矩之和等于零，可得到 （2-2-2）由截面上所有力对钢筋合力点的力矩之和等于零，可得到 （2-2-3）式中 ； 。2.2.1 钢筋的应力取值当时，构件属于大偏心受压构件，取；当时，构件属于小偏心受压构件，应按下式计算，但应满足，式中为 （2-2-4）式中 第层普通钢筋的应力，按公式计算正值表示拉应力； 受拉钢筋的弹性模量； 第层普通钢筋截面重心至受压较大边边缘的距离； 截面受压区高度； 、可按表2-1取用。表2-1 混凝土极限压应变与系数值混凝土强度等级C50以下C55C600.00330.003250.0

11、0320.80.790.782.2.2 为保证构件破坏时，大偏心受压构件截面上的受压钢筋能达到抗压强度设计者，必须满足： （2-2-5）当时，由截面受力平衡条件可写出 （2-2-6）2.2.3当偏心轴向力作用的偏心距很小，即小偏心受压情况下，全截面受压。对于小偏心受压构件，若偏心轴向力作用于钢筋合力点和合力点之间时（满足），尚应符合下列条件： （2-2-7）式中 纵向钢筋合力点离偏心压力较远一侧边缘的距离，即； 按。2.3 对称配筋是指截面两侧用相同钢筋等级和数量的配筋，即，。2.3.1 大小偏心受压构件的判别现假定为大偏心受压，由于是对称配筋，相当于补充了一个设计条件。现令轴向力计算值，则由

12、式（2-2-1）可得到以代入上式，整理可得到 （2-3-1）当按式（2-3-1）计算的时，按大偏心受压构件设计；当时，按小偏心受压构件设计。2.3.2 大偏心受压构件（）的计算当时，直接利用式（2-2-2）可得到 （2-3-2）当时，按照式（2-3-3）计算钢筋。 （2-3-3）2.3.3 小偏心受压构件（）的计算对称配筋的小偏心受压构件，由于，即使在全截面受压情况下，也不会出现远离偏心压力作用点一侧混凝土先破坏的情况。首先应计算截面受压区高度。公路桥规建议矩形截面对称配筋的小偏心受压构件截面相对受压区高度按下式计算： （2-3-4） 式中为截面受压区矩形应力图高度与实际受压区高度的比值，取值

13、详见表2-1,。求得的值后，由式（2-3-2）可求得所需的钢筋面积。2.4 衬砌配筋计算利用ansys求解，得到衬砌的模型图如下：图2-1 V级围岩模型图 2.4.1 V级围岩衬砌在基本组合荷载作用下的轴力图、弯矩图如下：图2-2 V级围岩衬砌在基本组合荷载下的弯矩图图2-3 V级围岩衬砌在基本组合荷载下的轴力图 因为构件高度与弯矩作用平面内的截面边长之比时，故可不考虑挠度对偏心距的影响，即取。假定，则 表2-2 V级围岩浅埋段所有点在基本组合荷载下的内力值节点轴力弯矩高度（m）偏心距e0 es e/s1-1.08E+06-1.40E+050.30.129 0.234 0.024 2-1.08

14、E+06-1.38E+050.30.128 0.233 0.023 3-1.08E+06-1.32E+050.30.122 0.227 0.017 4-1.08E+06-1.21E+050.30.112 0.217 0.007 5-1.08E+06-1.02E+050.30.094 0.199 -0.011 6-1.09E+06-714800.30.066 0.171 -0.039 7-1.10E+06-268600.30.025 0.130 -0.080 8-1.13E+06362400.30.032 0.137 -0.073 9-1.19E+061.03E+050.30.086 0.191

15、 -0.019 10-1.24E+061.48E+050.30.119 0.224 0.014 11-1.28E+061.72E+050.30.135 0.240 0.030 12-1.29E+061.70E+050.30.132 0.237 0.027 13-1.27E+061.41E+050.30.111 0.216 0.006 14-1.26E+06812050.30.064 0.169 -0.041 15-1.26E+06152090.30.012 0.117 -0.093 16-1.27E+06-314550.30.025 0.130 -0.080 17-1.27E+06-61061

16、0.30.048 0.153 -0.057 18-1.28E+06-756560.30.059 0.164 -0.046 19-1.28E+06-768010.30.060 0.165 -0.045 20-1.28E+06-654260.30.051 0.156 -0.054 21-1.29E+06-418020.30.032 0.137 -0.073 22-1.29E+06-156020.30.012 0.117 -0.093 23-1.29E+065730.70.30.004 0.109 -0.101 24-1.29E+06230180.30.018 0.123 -0.087 25-1.2

17、9E+06371280.30.029 0.134 -0.076 26-1.28E+06488330.30.038 0.143 -0.067 27-1.27E+06553120.30.044 0.149 -0.061 28-1.25E+06570940.30.046 0.151 -0.059 29-1.23E+06548730.30.045 0.150 -0.060 30-1.21E+06484260.30.040 0.145 -0.065 31-1.19E+06380490.30.032 0.137 -0.073 32-1.16E+06247810.30.021 0.126 -0.084 33

18、-1.14E+069708.30.30.009 0.114 -0.096 34-1.12E+06-60690.30.005 0.110 -0.100 35-1.10E+06-214870.30.020 0.125 -0.085 36-1.08E+06-355590.30.033 0.138 -0.072 37-1.07E+06-474140.30.044 0.149 -0.061 38-1.06E+06-563340.30.053 0.158 -0.052 39-1.05E+06-617830.30.059 0.164 -0.046 40-1.05E+06-634330.30.060 0.16

19、5 -0.045 41-1.06E+06-617830.30.058 0.163 -0.047 42-1.07E+06-563340.30.053 0.158 -0.052 43-1.08E+06-474140.30.044 0.149 -0.061 44-1.10E+06-355590.30.032 0.137 -0.073 45-1.12E+06-214870.30.019 0.124 -0.086 46-1.14E+06-60690.30.005 0.110 -0.100 47-1.16E+069708.30.30.008 0.113 -0.097 48-1.18E+06247810.3

20、0.021 0.126 -0.084 49-1.21E+06380500.30.032 0.137 -0.073 50-1.23E+06484260.30.039 0.144 -0.066 51-1.25E+06548730.30.044 0.149 -0.061 52-1.26E+06570940.30.045 0.150 -0.060 53-1.28E+06553120.30.043 0.148 -0.062 54-1.29E+06488330.30.038 0.143 -0.067 55-1.29E+06371280.30.029 0.134 -0.076 56-1.29E+062301

21、80.30.018 0.123 -0.087 57-1.29E+065730.60.30.004 0.109 -0.101 58-1.29E+06-156030.30.012 0.117 -0.093 59-1.28E+06-418020.30.033 0.138 -0.072 60-1.28E+06-654260.30.051 0.156 -0.054 61-1.28E+06-768020.30.060 0.165 -0.045 62-1.27E+06-756570.30.060 0.165 -0.045 63-1.27E+06-610630.30.048 0.153 -0.057 64-1

22、.26E+06-314570.30.025 0.130 -0.080 65-1.26E+06152080.30.012 0.117 -0.093 66-1.27E+06812030.30.064 0.169 -0.041 67-1.29E+061.41E+050.30.110 0.215 0.005 68-1.28E+061.70E+050.30.134 0.239 0.029 69-1.24E+061.72E+050.30.139 0.244 0.034 70-1.19E+061.48E+050.30.125 0.230 0.020 71-1.13E+061.03E+050.30.091 0

23、.196 -0.014 72-1.09E+06362430.30.033 0.138 -0.072 73-1.09E+06-268560.30.025 0.130 -0.080 74-1.08E+06-714600.30.066 0.171 -0.039 75-1.08E+06-1.02E+050.30.094 0.199 -0.011 76-1.08E+06-1.21E+050.30.112 0.217 0.007 77-1.08E+06-1.32E+050.30.122 0.227 0.017 78-1.08E+06-1.38E+050.30.128 0.233 0.023 (1)仰拱单元

24、1配筋计算：矩形截面：，荷载产生的最大弯矩设计值为：，对应的轴力值为：，混凝土强度等级为C45,查表可知，纵向受力钢筋选用HRB335，则，取，则，故按大偏心受压构件设计。，选每侧钢筋为1220，则。(2)墙角单元11配筋计算：矩形截面：，荷载产生的最大弯矩设计值为：，对应的轴力值为：，混凝土强度等级为C45,查表可知，纵向受力钢筋选用HRB335，则，取，则，故按大偏心受压构件设计。，选每侧钢筋为320，则。(3)边墙单元19配筋计算：矩形截面：，荷载产生的最大弯矩设计值为：，对应轴力值为：，混凝土强度等级为C45,查表可知，纵向受力钢筋选用HRB335，则，取，则，故按大偏心受压构件设计。

25、，选每侧钢筋为420，则。（4）拱脚单元28配筋计算：矩形截面：，荷载产生的最大弯矩设计值为：，对应的轴力值为：，混凝土强度等级为C45,查表可知，纵向受力钢筋选用HRB335，则，取，则，故按大偏心受压构件设计。，选每侧钢筋为422，则。（5）拱顶单元40配筋计算：矩形截面：，荷载产生的最大弯矩设计值为：，对应的轴力值为：，混凝土强度等级为C45,查表可知，纵向受力钢筋选用HRB335，则，取，则，故按大偏心受压构件设计。，选每侧钢筋为320，则。 2.4.2 V级围岩衬砌在人防偶然组合荷载作用下的轴力图、弯矩图如下：图2-4 V级围岩衬砌在人防组合荷载下的弯矩图图2-5 V级围岩衬砌在人防

26、组合荷载下的轴力图因为构件高度与弯矩作用平面内的截面边长之比时，故可不考虑挠度对偏心距的影响，即取。假定，则表2-3 V级围岩浅埋段所有点在人防组合荷载下的内力值单元轴力弯矩高度(m)偏心距e0 es e/s1-1.15E+06-1.57E+050.30.137 0.242 0.032 2-1.15E+06-1.55E+050.30.135 0.240 0.030 3-1.15E+06-1.49E+050.30.130 0.235 0.025 4-1.15E+06-1.37E+050.30.119 0.224 0.014 5-1.15E+06-1.16E+050.30.101 0.206 -0

27、.004 6-1.16E+06-837530.30.072 0.177 -0.033 7-1.17E+06-352670.30.030 0.135 -0.075 8-1.21E+06336740.30.028 0.133 -0.077 9-1.28E+061.07E+050.30.083 0.188 -0.022 10-1.35E+061.59E+050.30.118 0.223 0.013 11-1.39E+061.88E+050.30.135 0.240 0.030 12-1.41E+061.89E+050.30.133 0.238 0.028 13-1.40E+061.58E+050.3

28、0.113 0.218 0.008 14-1.39E+06940110.30.068 0.173 -0.037 15-1.40E+06217950.30.016 0.121 -0.089 16-1.40E+06-298090.30.021 0.126 -0.084 17-1.41E+06-630290.30.045 0.150 -0.060 18-1.41E+06-798710.30.056 0.161 -0.049 19-1.42E+06-818330.30.058 0.163 -0.047 20-1.42E+06-697410.30.049 0.154 -0.056 21-1.43E+06

29、-437120.30.031 0.136 -0.074 22-1.43E+06-143340.30.010 0.115 -0.095 23-1.44E+06102350.30.007 0.112 -0.098 24-1.44E+06309700.30.022 0.127 -0.083 25-1.44E+06488560.30.034 0.139 -0.071 26-1.42E+06647110.30.045 0.150 -0.060 27-1.41E+06731820.30.052 0.157 -0.053 28-1.38E+06750540.30.054 0.159 -0.051 29-1.

30、36E+06713150.30.052 0.157 -0.053 30-1.33E+06620540.30.047 0.152 -0.058 31-1.30E+06477940.30.037 0.142 -0.068 32-1.27E+06299100.30.024 0.129 -0.081 33-1.24E+069823.30.30.008 0.113 -0.097 34-1.21E+06-110450.30.009 0.114 -0.096 35-1.19E+06-313310.30.026 0.131 -0.079 36-1.17E+06-497770.30.043 0.148 -0.0

31、62 37-1.15E+06-652830.30.057 0.162 -0.048 38-1.14E+06-769420.30.068 0.173 -0.037 39-1.13E+06-840820.30.074 0.179 -0.031 40-1.13E+06-862890.30.076 0.181 -0.029 41-1.14E+06-840820.30.074 0.179 -0.031 42-1.15E+06-769420.30.067 0.172 -0.038 43-1.17E+06-652830.30.056 0.161 -0.049 44-1.19E+06-497770.30.04

32、2 0.147 -0.063 45-1.21E+06-313310.30.026 0.131 -0.079 46-1.24E+06-110450.30.009 0.114 -0.096 47-1.27E+069823.30.30.008 0.113 -0.097 48-1.30E+06299100.30.023 0.128 -0.082 49-1.33E+06477940.30.036 0.141 -0.069 50-1.36E+06620540.30.046 0.151 -0.059 51-1.38E+06713150.30.052 0.157 -0.053 52-1.40E+0675054

33、0.30.053 0.158 -0.052 53-1.42E+06731820.30.051 0.156 -0.054 54-1.43E+06647110.30.045 0.150 -0.060 55-1.43E+06488560.30.034 0.139 -0.071 56-1.43E+06309700.30.022 0.127 -0.083 57-1.43E+06102350.30.007 0.112 -0.098 58-1.43E+06-143340.30.010 0.115 -0.095 59-1.42E+06-437120.30.031 0.136 -0.074 60-1.42E+0

34、6-697410.30.049 0.154 -0.056 61-1.41E+06-818340.30.058 0.163 -0.047 62-1.41E+06-798720.30.057 0.162 -0.048 63-1.40E+06-630300.30.045 0.150 -0.060 64-1.39E+06-298110.30.021 0.126 -0.084 65-1.39E+06217930.30.016 0.121 -0.089 66-1.40E+06940090.30.067 0.172 -0.038 67-1.41E+061.58E+050.30.112 0.217 0.007

35、 68-1.39E+061.89E+050.30.136 0.241 0.031 69-1.34E+061.88E+050.30.139 0.244 0.034 70-1.28E+061.59E+050.30.124 0.229 0.019 71-1.21E+061.07E+050.30.088 0.193 -0.017 72-1.17E+06336770.30.029 0.134 -0.076 73-1.16E+06-352630.30.030 0.135 -0.075 74-1.15E+06-837310.30.073 0.178 -0.032 75-1.15E+06-1.16E+050.

36、30.101 0.206 -0.004 76-1.15E+06-1.37E+050.30.119 0.224 0.014 77-1.15E+06-1.49E+050.30.129 0.234 0.024 78-1.15E+06-1.55E+050.30.135 0.240 0.030 (1)仰拱单元1配筋计算：矩形截面：，荷载产生的最大弯矩设计值为：，对应的轴力值为：，混凝土强度等级为C45,查表可知，纵向受力钢筋选用HRB335，则，取，则，故按大偏心受压构件设计。，选每侧钢筋为320，则。(2)墙角单元12配筋计算：矩形截面：，荷载产生的最大弯矩设计值为：，对应的轴力值为：，混凝土强度等级

37、为C45,查表可知，纵向受力钢筋选用HRB335，则，取，则，故按大偏心受压构件设计。，选每侧钢筋为320，则。(3)边墙单元19配筋计算：矩形截面：，荷载产生的最大弯矩设计值为：，对应轴力值为：，混凝土强度等级为C45,查表可知，纵向受力钢筋选用HRB335，则，取，则，故按大偏心受压构件设计。，选每侧钢筋为422，则。（4）拱脚单元28配筋计算：矩形截面：，荷载产生的最大弯矩设计值为：，对应的轴力值为：，混凝土强度等级为C45,查表可知，纵向受力钢筋选用HRB335，则，取，则，故按大偏心受压构件设计。，选每侧钢筋为422，则。（5）拱顶单元40配筋计算：矩形截面：，荷载产生的最大弯矩设计值为：，对应轴力值为：，混凝土强度等级为C45,查表可知，纵向受力钢筋选用HRB335，则，取，则，故按大偏心受压构件设计。，选每侧钢筋为220，则。 2.4.3 V级围岩衬砌在地震偶然组合荷载作用下的轴力图、弯矩图如下：图