花卉园人行地通安全性分析

1、1 花卉园人行地通结构荷载验算根据花卉园人行地通的结构现状和使用状况，现拟采用有限元数值模拟的方法，对其进行荷载验算和安全性分析，以便评价其整体结构的安全性。1.1 设计荷载分类及组合根据城市人行天桥与人行地道技术规范（cjj6995），地通设计荷载分类应符合表1的规定。表1 荷载分类表编号荷载分类荷载名称1永久荷载（恒载）结构重力2预加应力3土的重力及土侧压力4混凝土收缩及徐变影响力5基础变位影响力6水的浮力7可变荷载汽车荷载8汽车荷载引起的土侧压力9人群荷载10平板挂车或履带车荷载11平板挂车或履带车荷载引起的土侧压力12偶然荷载地震力地通结构设计时，应根据结构形式、受力条件、地下水情况等

2、因素，就施工、使用阶段可能同时出现的作用荷载，选择最不利荷载组合进行计算。其荷载组合形式主要有以下几种：组合：可变荷载（平板挂车荷载除外）的一种或几种与永久荷载的一种或几种相组合；组合：平板挂车荷载与结构重力、预应力、土的重力及土侧压力中的一种或几种组合；：在进行施工阶段验算时，根据何能出现的施工荷载进行组合；：结构重力、预应力、土重及土侧压力中的一种或几种与地震力相组合。其中人群荷载可按4kn/m2计算，土的重力对地道的竖向和水平压力强度，可按下式计算：竖向压力强度 qv=gh 水平压力强度 qh=lgh式中 g土的重度，kn/m3； h计算截面至路面顶的高度； l侧压力系数，按下式计算：

3、l=tg2（45-f/2） f土的内摩擦角。其他荷载的确定方法可具体参照城市人行天桥与人行地道技术规范（cjj6995）的相关说明。1.2 有限元模型及参数确定花卉园人行地通道埋深约2.0m，洞身主体长36.9m。通道采用明挖施工，洞身主体为“门”型钢筋混凝土结构，衬砌厚度均为40cm。该地通道场地原地貌属丘陵地貌，经人工改造，表层为人工填土覆盖，现地表整体平坦，起伏较小。地道围岩为砂岩，砂岩上部成黄灰色，下部灰色，由石英、长石、云母等矿物组成，岩质硬，裂隙不发育，岩体较完整。根据花卉园人行地通设计资料和现场检测结果，选取典型断面，采用大型有限元软件midas/gts并对其混凝土结构进行荷载验

4、算。该断面地通道的混凝土框架（衬砌）结构断面图如图1：图1 花卉园人行地通道衬砌结构断面图 本地通道可沿纵向取单位长度（1m）作平面结构计算，计算采用荷载-结构模式，即除了考虑竖向土压力和水平土压力外，还用具有一定刚度的弹簧来模拟因地层对结构变形的约束作用而产生的形变压力。c30钢筋混凝土弹性模量e=31gpa，泊松比=0.2，重度=25kn/m3。地层弹性抗力系数k=100mpa/m。图2 有限元计算模型图外力边界：作用在衬砌上的外力分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载。本计算不考虑地震等偶然荷载的工况。永久荷载：作用在衬砌上的永久荷载主要有结构自重、顶板覆土重力、土侧压力以及地层弹性抗力等。结

5、构自重w1：结构自重w1会根据钢筋混凝土的重度和尺寸参数自行分配到模型之中，计算时无需在边界上添加结构的自重力。顶板覆土重力w2：地道埋深h=2.0m，覆土重度=20kn/m3。顶板覆土重力w2=bh=201.02.0=40kn/m。土侧压力e：边墙土侧压力左右对称分布，且从墙顶到墙角呈均匀线形分布规律。计算时，边墙土侧压力系数取0.5，墙顶侧压力e1=0.52.020=20kn/m；墙脚侧压力e2=0.520(3.9+2.0)=59kn/m。基本可变荷载：城市汽车荷载p1：该地道汽车荷载按照城市-a级标准设计。本次计算按照该标准计算，计算时，可直接在顶板之上施加竖直向下分布荷载，大小为p1=

6、20kn/m。汽车引起的土侧压力e：汽车荷载引起的土侧压力在侧墙两侧均匀对称布置，其大小为e1=e2=10kn/m。底板人群荷载p2：该地道无底板，人群荷载不能传递到框架结构上去，所以计算时可不考虑人群荷载。荷载组合：本次计算荷载组合按照永久荷载+基本可变荷载进行组合，组合的具体公式为：s=1.2w1+1.2w2+1.4e+1.4p1+1.4 e1.3 计算结果分析1.3.1衬砌结构受力特征根据计算结果，该地通道衬砌结构的内力大小和分布特征如图3：（a）衬砌结构轴力特征图（b）衬砌结构弯矩特征图（c) 衬砌结构剪力特征图图3 衬砌结构内力图从内力图上可以看出：（1）轴力方面：衬砌结构每个单元所

7、受的轴力均为压力（值为负），侧墙轴力从上到下依次线性增大，即墙顶处最小，大小为220kn，墙脚处最大，大小为264kn；顶板各部位单元的轴力大小均为146kn。（2）顶板、侧墙和的弯矩大小均成抛物线型分布，整个衬砌结构既存在正弯矩（内侧受拉），又存在负弯矩（外侧受拉），最大正弯矩出现在顶板中心位置，大小为122knm，最大负弯矩出现在墙顶处的侧墙与顶板的连接部位，大小为153 knm。（3）顶板、侧墙和底板的剪力均成线性分布，最大剪力出现在顶板两端靠近侧墙的部位，大小为220kn。进而分析可知，顶板中央所受弯矩、墙脚部位所受轴力均较其它部位大，以及侧墙顶部也受到一定的弯矩和剪力作用，说明这些部

8、位是整个衬砌结构的较薄弱位置，需引起足够重视。1.3.2 衬砌结构承载力验算根据衬砌结构的受力特征，现拟对底板中央和墙脚部位的截面强度进行配筋验算。参照公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（jtg d62-2004）5.3.5中钢筋混凝土矩形截面偏心受压构件的截面强度的计算方法，钢筋混凝土大偏心受压构件（x0.56h0）的正截面抗压承载力需要满足以下公式： （1）其中，中性轴的位置按下式确定： （2）当轴向力n作用于钢筋as和ap的重心之间时，式（2）中左边第二项取正号；当n作用于as和ap的重心以外时，则取负号。若计算中考虑受压钢筋时，则混凝土受压区高度应满足x2a。如不满足，则取x=2

9、a,正截面抗压承载强度仍按照（1）式进行计算。式中：0桥涵结构的重要性系数； nd轴向力组合设计值（mn）；fcd混凝土轴心抗压强度设计值；s 、p普通钢筋的抗拉或抗压强度设计值（mpa）；as、ap受拉和受压区普通钢筋的截面面积（m2）；a、a自钢筋as或ap的重心分别至截面最近边缘的距离（m）；e0 轴向力对界面重心轴的偏心距，e0=md/nd ；e、e自钢筋a或a的重心分别至轴向力作用点的距离（m），e=e0+h/2-a ， e=e0-h/2+a 其中为偏心距增大系数，对于地道涵洞等衬砌结构可直接取1；h截面高度(m)；h0截面的有效高度(m)，h0= h-a；b矩形截面的宽度或t形截面

10、的肋宽（m）；x混凝土受压区的高度（m）。矩形截面的受弯构件，其正截面抗剪应符合下列要求：式中：vd 验算截面处由荷载作用产生的剪力组合设计值（kn）；fcu,k混凝土立方体抗压强度标准值（mpa）；其它符号意义同前。顶板中央截面正截面偏心抗压承载力验算：假定该截面大偏心受压，由有限元计算结果可知，该截面弯矩组合设计值为122knm,轴力组合设计值为146kn，并根据截面配筋构造图计算可得，该截面b=1000mm，h=400mm，a= a=43mm，h0= 400-43=357mm ，e0=md/nd=836mm，e=836+400/2-43=993mm，e=836-400/2+43=679m

11、m，as= ap=3273mm2, s=p =280mpa，fcd=13.8mpa，根据式（2）有：受压区高度x=20.5mm 0.56h0=199.9mm，即假定正确。 因x=31.5mm0nd=146kn。因此该截面安全。边墙墙顶截面正截面偏心抗压承载力验算：假定该截面大偏心受压，由有限元计算结果可知，该截面弯矩组合设计值为153knm,轴力组合设计值为220kn，并根据截面配筋构造图计算可得，该截面b=1000mm，h=400mm，a= 63mm，a=33cm，h0= 400-63=337mm ，e0=md/nd=695mm，e=695+400/2-63=832mm，e=695-400/2+33=528mm，as= ap=3273mm2, s=p =280mpa，fcd=13.8mpa，根据式（2）有：受压区高度x=