暗挖马蹄形断面隧道结构计算书.docx
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暗挖马蹄形断面隧道结构计算书
暗挖隧道断面A结构计算书
一、工程概况
暗挖隧道断面A适用于里程:
右CRK0+385.715~K0+876.000,左CRK0+385.715~K0+906.500。
施工采用暗挖台阶法,覆土高度从3.7m到10.8m。
选取覆土最深的右线CRK0+488.000处断面进行结构内力计算。
计算程序采用Midas有限元软件(6.1.1版),荷载组合按《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)执行,断面尺寸配筋计算及相关验算按《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)相关规定执行。
二、工程地质与水文地质情况
结构所处地质属于第四系地质,土层基本上以填土、粉土、粉质粘土、砂土和圆砾卵石为主,含有一定的粘土;结构所处土层为卵石圆砾(5),中粗砂(5--1),粉土(6--2),中粗砂(7--1),结构上主要覆土为填土、粉土、粉质粘土、粉细砂、中粗砂。
根据提供的地质资料,计算采用地质资料提供的地层参数,其地质情况及参数选取见表1。
计算水位采用地质报告提供的抗浮水位(标高30m)。
表1:
土层参数表
编号
土层名称
厚度(m)
容重(kN/m3)
C(kPa)
φ(°)
静侧压系数
1--1
杂填土
1.8
16.5
-
-
-
2
粉土
1.1
19.2
29
29
-
2--1
粉质粘土
0.5
19.5
36
19
0.48
2
粉土
1.7
19.2
29
29
-
2--3
粉细砂
1.0
19.5
0
25
0.40
2--4
中粗砂
2.5
19.8
0
32
0.40
5
卵石圆砾
2.7
21.0
0
50
0.25
5--1
中粗砂
1.2
20.5
0
40
0.33
6--2
粉土
3.0
19.1
18
28
0.41
7--1
中粗砂
2.2
20.8
0
32
0.2
覆土加权容重
=19.4kN/m3;
断面所在土层加权容重
=20.3kN/m3,
断面土层加权侧压系数为
=0.33,
水平与竖直基床系数按地质报告资料取平均值为55MPa/m3。
三、结构尺寸的拟定
结构高6.28m,宽5.9m,初衬厚0.25m,二衬厚0.3m,具体结构断面尺寸如图1所示。
图1:
暗挖隧道单线马蹄形断面图
四、模型及荷载组合
1.计算模型
本次计算按照平面应变模型进行,采用结构-荷载模式。
根据地下结构的埋深以及穿越土层的地质特点,将结构覆土换算成上覆土荷载和侧土压力荷载,施加在结构上进行结构内力分析。
二衬结构计算时考虑水压力的作用,采用水土分算及水土合算分别进行内力分析。
计算时假定初衬承担全部土荷载,不承担水荷载。
二衬承担70%的土荷载及全部的水荷载。
2.荷载组合:
基本组合
1.35×永久荷载标准值+1.4×0.7×活载标准值
准永久组合
永久荷载标准值+0.7×活载标准值
施工阶段荷载组合
基本组合×0.9
抗震偶然组合
1.2×永久荷载标准值+1.4×0.7×活载标准值+地震荷载标准值
人防偶然组合
1.2×永久荷载+人防荷载
对于暗挖地下区间及附属结构计算,初衬由施工阶段荷载组合控制,二衬由正常使用极限状态(最大裂缝)或承载能力极限状态控制,本区间暗挖隧道断面小,埋深大,偶然组合不控制二衬结构的配筋。
五、荷载计算及计算简图
1.荷载计算
地面超载:
20kN/m3,由于结构覆土比较高,计算中地面超载可忽略不计;
1)初衬荷载标准值:
覆土加权容重
=19.4kN/m3,断面土层加权容重
=20.30kN/m3。
土层含水量w>20%,考虑施工降水作用含水量w减少10%,则:
覆土计算容重
;
断面土层计算容重
顶拱竖向土压力:
=10.8×17.6+0.125×18.5=192.4kN/m
结构侧向土压力:
=192.4×0.33=63.5kN/m
=(192.4+6.03×18.5)×0.33=100.3kN/m
底拱地基反力由地基弹簧变形提供,结构自重由程序自行考虑。
2)二衬荷载标准值:
a)水土合算
顶拱竖向土压力:
=10.8×19.4×0.7+0.4×20.3×0.7=152.3kN/m
结构侧向土压力:
=152.3×0.33=50.3kN/m
=(152.3+5.33×20.3×0.7)×0.33=75.3kN/m
底拱地基反力由地基弹簧变形提供,结构自重由程序自行考虑。
b)水土分算
顶拱竖向水压力:
=(11.2-10.7)×10=4.7kN/m
结构侧向水压力:
p1=p0=4.7kN/m
=5.8×10=58.0kN/m
底拱水压力:
p3=p2=58.0kN/m
顶拱竖向土压力:
=10.8×19.4×0.7+0.4×10.3×0.7=150.0kN/m
结构侧向土压力:
=150.0×0.33=49.5kN/m
=(150.0+5.33×10.3×0.7)×0.33=62.2kN/m
底拱地基反力按计算由地基弹簧变形提供,结构自重由程序自行考虑。
2.计算简图
初衬计算简图见图2,二衬计算简图见图3(水土合算)、图4(水土分算)。
图2:
暗挖隧道马蹄形断面初衬计算简图
图3:
暗挖隧道马蹄形断面二衬计算简图(水土合算)
图4:
暗挖隧道马蹄形断面二衬计算简图(水土分算)
六、计算结果及配筋计算
1.初衬计算结果及配筋计算
计算参数:
初衬混凝土为C20;b=1m,h=0.25m,净保护层厚c=40mm;结构重要性系数取为0.9,按对称配筋计算。
初衬内力图见图5~图7。
配筋结果见下表,其中L0为构件计算长度,η为经验系数,ζ为相对受压区高度。
表2:
暗挖隧道马蹄形断面初衬计算结果表
位置
M(kN.m)
N(kN)
L0(m)
η=1.0
η=0.80
ζ
配筋
ζ
配筋
拱顶
91
-436
3.0
0.186
4Φ25
0.148
3Φ25
拱中部
-90
-620
2.5
0.264
3Φ25
0.209
3Φ22
边墙底部
-101
-728
1.0
0.310
3Φ25
0.245
3Φ20
底板侧部
68
-473
-1.0
0.198
3Φ18
0.157
3Φ16
底板中部
-107
-512
-3.5
0.218
4Φ25
0.174
3Φ25
注:
底板净保护层厚度为外40mm,内20mm,脚部考虑锁脚锚杆及钢域的影响,可减小配筋。
初衬结构最大剪力值(承载能力状态)为375kN,需配置间距为200mm的Φ14抗剪钢筋
图5:
暗挖隧道单线马蹄断面初衬弯矩图(单位kN.m)
图6:
暗挖隧道单线马蹄断面初衬剪力图(单位kN)
图7:
暗挖隧道单线马蹄断面初衬轴力图(单位kN)
2.二衬计算结果及配筋计算
计算参数:
二衬混凝土为C30;h=0.3m,b=1.0m;净保护层厚c=35mm;按对称配筋计算;裂缝验算按《混凝土结构设计规范(GB50010-2002)》的有关规定执行,其中结构外侧允许裂缝最大宽度为0.2mm,内侧为0.3mm。
断面结构承载能力按偏心受力构件,对称配筋计算,承载能力组合状态下内力图见图8~图13,计算结果见表3~表6。
1)水土合算计算结果
表3:
暗挖隧道马蹄形断面二衬配筋计算(水土合算)
位置
M(kN.m)
N(kN)
L0(m)
ζ
配筋
拱顶
97
-323
3.0
0.088
5Φ18
拱中部
-80
-537
2.0
0.146
3Φ16
边墙底部
-102
-684
1.5
0.186
4Φ16
底板边部
102
-679
1.5
0.185
4Φ16
底板中部
-146
-610
2.5
0.167
5Φ20
表4:
暗挖隧道马蹄形断面二衬裂缝验算(水土合算)
位置
M(kN.m)
N(kN)
配筋
W(mm)
允许w(mm)
拱顶
72
-239
5Φ18
0.14
0.3
拱中部
-59
-398
4Φ16
0.10
0.2
边墙底部
-76
-507
5Φ16
0.11
0.2
底板边部
76
-503
5Φ16
0.11
0.2
底板中部
-108
-452
5Φ20
0.21
0.3
水土合算时二衬结构最大剪力值(承载能力状态)为198kN,小于构件混凝土的抗剪承载力335kN。
因此,仅需按构造配置箍筋。
图8:
承载能力组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬轴力图(单位kN)
图9:
承载能力组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬剪力图(单位kN)
图9:
承载能力组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬弯矩图(单位kN.m)
2)水土分算计算结果
表5:
暗挖隧道马蹄形断面二衬配筋计算(水土分算)
位置
M(kN.m)
N(kN)
L0(m)
ζ
配筋
拱顶
80
-345
3.0
0.094
4Φ16
拱中部
-69
-543
2.0
0.148
2Φ16
边墙底部
-110
-714
1.5
0.194
4Φ16
底板边部
110
-731
1.5
0.200
4Φ16
底板中部
-135
-670
2.5
0.183
5Φ18
表6:
暗挖隧道马蹄形断面二衬裂缝验算(水土分算)
位置
M(kN.m)
N(kN)
配筋
W(mm)
允许w(mm)
拱顶
59
-256
4Φ16
0.19
0.3
拱中部
-51
-402
3Φ16
0.12
0.2
边墙底部
-81
-529
5Φ16
0.14
0.2
底板边部
81
-541
5Φ16
0.14
0.2
底板中部
-100
-496
5Φ18
0.21
0.3
水土分算时二衬结构最大剪力值(承载能力状态)为200kN,小于构件混凝土的抗剪承载力335kN。
因此,仅需按构造配置箍筋。
图10:
承载能力组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬轴力图(单位kN)
图11:
承载能力组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬剪力图(单位kN)
图12:
承载能力组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬弯矩图(单位kN.m)
3)抗浮检算
由于此段地下水位较深,因此不做抗浮验算。
4)人防验算
人防抗力等级为5级,人防验算时只进行配筋验算,不进行裂缝验算。
人防荷载采用理正有限元计算软件(人防)计算得到,作用于拱顶的等效均布静荷载标准值qe1=95.4kN/m2,作用于拱底的等效均布静荷载标准值qe2=72.7kN/m2。
作用于侧墙的等效均布静荷载标准值为ee=30kN/m2。
由此计算出的结构人防偶然组合(1.2×永久荷载+人防荷载)的内力图见图13~图15,配筋验算时混凝土强度提高50%,钢筋强度提高35%,验算结果见表7
。
表7:
暗挖隧道马蹄形断面人防偶然组合配筋验算
位置
M(kN.m)
N(kN)
L0(m)
AS(mm2)
配筋
拱顶
135
-427
3.0
1066
5Φ18
拱中部
-110
-754
2.0
484
3Φ16
边墙底部
132
-893
1.5
643
4Φ16
底板中部
-195
-787
2.5
1468
5Φ20
由表中数据可以看出,人防偶然组合时的结构配筋略小于基本组合的结构配筋,因此人防偶然组合不控制设计。
图13:
人防偶然组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬轴力图(单位kN)
图14:
人防偶然组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬剪力图(单位kN)
图15:
人防偶然组合下暗挖隧道单线马蹄断面二衬弯矩图(单位kN.M)
附录:
人防荷载计算
(1)基本信息
抗力等级:
5
覆盖土厚12.000(m)
短跨净跨L0=5.000(m)
结构形式:
非平顶结构
顶板不考虑上部建筑物的影响
不是饱和土
(2)空气冲击波超压△Pms计算
顶板△Pms=100.00
(3)土中压缩波的最大压力Ph计算
波速比:
2.00
起始压力波速:
200.00(m/s)
应变恢复比:
0.20
顶板计算时土的计算深度:
12.000(m)
升压时间0.060(s)
顶板Ph=91.79(kPa)
(4)结构上的核爆炸动载最大值Pci计算
结构顶板核爆动载综合反应系数K=0.99
底压系数:
0.80
顶板Pci:
90.88(kPa)
底板Pci:
72.70(kPa)
(5)构件自振圆频率计算
顶板自振圆频率343.072(1/s)
(6)动力系数Kd计算
顶板允许延性比3.000
底板允许延性比3.000
顶板动力系数Kd1.050
底板动力系数Kd1.000
(7)等效均布静荷载标准值qe计算
顶板等效均布静荷载标准值qe95.421
底板等效均布静荷载标准值qe72.702
边墙等效均布静荷载标准值qe29.580
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