《隧道衬砌内力及配筋验算案例》3300字

隧道衬砌内力及配筋验算案例根据地质勘察揭示的隧道围岩分级，本隧道以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，根据最不利和主要隧道围岩条件，选取隧道左线围岩3个断面进行计算分析，分别为：①进出口段浅埋段（ZK27+820、Ⅴ级围岩断面，埋深12m）；②深埋段（ZK28+260，最大埋深640m、Ⅳ级围岩断面）；③洞身段（ZK29+300，埋深313m、Ⅲ级围岩断面）根据这三个断面作为内力计算代表性断面并进行全隧道衬砌配筋计算，荷载计算如下：图1计算断面选取位置（单位：m）1衬砌结构计算1.1计算参数本公路隧道以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，参数指标选取如表5-1：表5-1围岩物理力学参数取值围岩级别重度弹性抗力系数变形模量泊松比µ内摩擦角粘聚力计算摩擦角Ⅲ24800100.25400.860Ⅳ2030020.3300.350Ⅴ181501.50.4250.1401.2内力计算（1）隧道深浅埋判定深浅埋隧道判定按以下公式：式中：；；根据本次隧道断面设计，开挖跨度考虑隧道衬砌及超挖效应后，毛洞按13.0m计算：本隧道Ⅲ级围岩：Ⅳ级围岩：Ⅴ级围岩：本公路隧道Ⅲ级最大埋深围岩埋深313m，大于临界深度6.48m，按深埋围岩压力计算；Ⅳ级围岩埋深640m大于临界深度两侧，按深埋隧道考虑；进口段Ⅴ级围岩埋深12m均小于Hp和hq，按超浅埋围岩压力计算。1.3各级围岩压力计算（1）断面2：Ⅲ级围岩最大埋深隧道围岩压力计算根据《公路隧道设计规范》（JTGD70－2004），计算围岩压力：①②（2）断面3：Ⅳ级围岩深埋隧道围岩压力计算：①②（3）断面1：Ⅴ级围岩浅埋隧道（洞口段）围岩压力计算①式中：H－隧道坑顶至地面的距离(m)，此处取等效荷载高度8m。解得：②侧向压力按均布考虑：2衬砌内力计算2.1断面1：Ⅴ级围岩浅埋(洞口浅埋段)1.建模取隧道二次衬砌中轴线。2.定义材料（1）定义单元类型荷载-结构模型中的二次衬砌采用梁单元，本隧道设计计算采用Beam3单元类型，计算后可直接读取弯矩与轴力。（2）设置单元实常数；；。（3）定义材料特性；；。3.施加约束对于围岩弹性反力进行模拟，施加径向杆单元，选择Link10单元，长度为1m，弹性模量，将杆单元外端采用固端约束。通过计算得出的衬砌内力，将垂直、水平的面荷载转换为节点荷载并将荷载施加到模型中，将荷载添加到每个单元：图5-2节点荷载图4.求解及计算结果分析（1）变形图图5-3变形图轴力图图5-4轴力图(N)（3）剪力图图5-5剪力图(N)（4）弯矩图图5-6弯矩图(N•m)依据数值分析计算结果，安全系数计算根据《公路隧道设计规范》（JTGD3370.1—2018）规定，按下式检算。当由抗压强度控制，即QUOTEQUOTEe=MN≤0.2he=MN≤0.2h时式中：K——混凝土结构强度安全系数；N——轴向力，kN；φ——构件的纵向弯曲系数，对于隧道衬砌，可取φ=1；α——轴向力的偏心影响系数,按附注多项式计算得到；b——截面宽度，m（通常取1m）；h——截面厚度；e——计算截面的偏心距（m），QUOTEe=MNe=MNy——计算截面重心至受压边缘的距离（m）；——混凝土抗压极限强度，kPa。当由抗拉强度控制，即QUOTEQUOTEe=MN≥0.2he=MN≥0.2h时式中：——混凝土抗拉极限强度，kPa。各单元截面（共计48个单元）安全系数计算如下表2。单元号分布表2内力及安全系数单元号弯矩（N-m）轴力（N)偏心距e偏心影响系数α安全系数K1-38E+05-1.77E+060.3040.871.82-1.92E+05-1.71E+060.1120.837.231084.1-1.67E+060.0011.008.8465989-1.66E+060.0400.988.7542640-1.64E+060.0260.998.96-34818-1.61E+060.0220.999.17-1.39E+05-1.58E+060.0880.898.38-2.36E+05-1.52E+060.1550.706.89-2.65E+05-1.44E+060.1840.596.110-2.21E+05-1.36E+060.1630.687.411-1.26E+05-1.26E+060.1000.8610.112-6203.3-1.18E+060.0051.0012.5131.16E+05-1.11E+060.1050.8511.4142.19E+05-1.05E+060.2080.766.4152.87E+05-1.02E+060.2800.669.5163.11E+05-1.02E+060.3040.9121.8172.87E+05-1.05E+060.2730.876.6182.18E+05-1.10E+060.1980.526.9191.15E+05-1.17E+060.0980.8710.920-6372-1.26E+060.0051.0011.721-1.26E+05-1.35E+060.0930.889.622-2.21E+05-1.44E+060.1530.717.323-2.65E+05-1.51E+060.1750.636.224-2.36E+05-1.57E+060.1500.726.825-1.39E+05-1.61E+060.0860.898.226-34745-1.63E+060.0210.999.02742674-1.65E+060.0260.998.92865998-1.66E+060.0400.988.6291092.7-1.70E+060.0011.008.730-1.92E+05-1.76E+060.1090.842.031-1.38E+05-1.75E+060.0790.917.732-35139-1.74E+060.0200.998.4332.07E+05-1.74E+060.1190.816.9342.72E+05-1.75E+060.1550.716.0352.41E+05-1.76E+060.1370.766.4361.73E+05-1.77E+060.0970.873.2371.02E+05-1.78E+060.0570.957.93846526-1.79E+060.0260.998.23912011-1.79E+060.0071.008.240449.5-1.79E+060.0001.008.24112015-1.79E+060.0071.008.24246549-1.78E+060.0260.998.2431.02E+05-1.77E+060.0580.957.9441.73E+05-1.76E+060.0980.877.2452.41E+05-1.75E+060.1380.766.4462.72E+05-1.74E+060.1560.706.0472.08E+05-1.74E+060.1190.816.948-34536-1.76E+060.0200.998.4由以上结果可知，衬砌某些少数部位的安全系数小于规范规定值，因此需要配筋以满足结构安全。2.2断面2：Ⅳ级围岩最大深埋1.建模取隧道二次衬砌中轴线。2.定义材料（1）定义单元类型荷载-结构模型中的二次衬砌采用梁单元，本隧道设计计算采用Beam3单元类型，计算后可直接读取弯矩与轴力。（2）设置单元实常数；；。（3）定义材料特性；；。3.施加约束对于围岩弹性反力进行模拟，施加径向杆单元，选择Link10单元，长度为1m，弹性模量，将杆单元外端采用固端约束。通过计算得出的衬砌内力，将垂直、水平的面荷载转换为节点荷载并将荷载施加到模型中，如下表所示，将荷载添加到每个单元：图5-7节点荷载图4.求解及计算结果分析（1）变形图图5-8变形图（2）轴力图图5-9轴力图(N)（3）剪力图图5-10剪力图(N)（4）弯矩图图5-11弯矩图(N•m)各单元截面（共计48个单元）安全系数计算如下表3。表3内力及安全系数单元号弯矩（N-m）轴力（N)偏心距e偏心影响系数α安全系数K1-2.74E+05-9.00E+050.3050.515.52-98074-8.65E+050.1130.8314.1350.37-8.44E+050.0001.0017.5433216-8.33E+050.0400.9817.3521406-8.22E+050.0260.9917.76-18049-8.07E+050.0220.9918.17-71094-7.86E+050.0900.8816.68-1.20E+05-7.56E+050.1590.6913.59-1.33E+05-7.17E+050.1860.5912.010-1.10E+05-6.72E+050.1640.6814.811-62338-6.26E+050.1000.8620.312-2411.6-5.83E+050.0041.00231358201-5.46E+050.1060.8522.8141.09E+05-20E+050.2100.4412.4151.43E+05-5.06E+050.2830.7512.0161.55E+05-5.06E+050.3070.678.7171.43E+05-19E+050.2760.5515.7181.09E+05-5.44E+050.2010.5013.61958124-5.80E+050.1000.8621.920-2494.8-6.23E+050.0041.0023.721-62413-6.68E+050.0930.8819.422-1.10E+05-7.12E+050.1540.7114.723-1.33E+05-7.51E+050.1770.6212.224-1.20E+05-7.80E+050.1540.7113.425-71043-8.01E+050.0890.8916.426-18013-8.16E+050.0220.9917.92721422-8.26E+050.0260.9917.72833219-8.37E+050.0400.9817.22954.183-8.58E+050.0001.0017.230-98047-8.93E+050.1100.8413.831-1.74E+05-8.91E+050.1950.538.832-17740-8.85E+050.0200.9916.6331.06E+05-8.86E+050.1190.8113.5341.39E+05-8.91E+050.1550.7111.7351.23E+05-8.98E+050.1370.7612.53688152-9.04E+050.0980.8714.23752268-9.09E+050.0580.9515.43823839-9.12E+050.0260.9916.0396253.2-9.14E+050.0071.0016.140362.85-9.14E+050.0001.0016.1416255.8-9.13E+050.0071.0016.14223852-9.09E+050.0260.9916.04352304-9.05E+050.0580.9515.54488232-8.99E+050.0980.8714.2451.23E+05-8.93E+050.1380.7612.6461.39E+05-8.88E+050.1560.7011.7471.06E+05-8.87E+050.1200.8113.548-17434-8.93E+050.0200.9916.4由以上结果可知，衬砌某些点处的的安全系数小于规范规定值，因此需要配筋以满足结构安全。2.3断面3：Ⅲ级围岩深埋段1.建模忽略底板取隧道二次衬砌中轴线。2.定义材料（1）定义单元类型荷载-结构模型中的二次衬砌采用梁单元，本隧道设计计算采用Beam3单元类型，计算后可直接读取弯矩与轴力。（2）设置单元实常数单元截面面积：；截面惯性矩：；截面高度：。（3）定义材料特性C30混凝土弹性模量；泊松比；材料密度：。3.施加约束模拟围岩弹性反力，施加径向杆单元，选择Link10单元，长度为1m，弹性模量，将杆单元外端采用固端约束，通过计算得出的衬砌内力，将垂直、水平的面荷载转换为节点荷载并将荷载施加到模型中，将荷载添加到每个单元：图5-12模型示意图4.求解及计算结果分析（1）变形图图5-13变形图（2）轴力图图5-14轴力图(N)（3）剪力图图5-15剪力图(N)（4）弯矩图图5-16弯矩图(N•m)挑选具有代表性的衬砌受力如拱底、拱顶等进行分析及计算，得到以下结果：表3节点内力、安全系数表单元号弯矩（N-m）轴力（N)偏心距e偏心影响系数α安全系数K1-1.65E+05-5.46E+050.1030.9110.12-60765-24E+050.1160.8223.13-1753.4-10E+050.0031.0028.9418754-5.01E+050.0370.9828.8512183-4.91E+050.0250.9919.76-11479-4.79E+050.0240.9910.57-44036-4.64E+050.0950.8717.88-74846-4.43E+050.1690.6611.99-84738-4.17E+050.2030.4917.210-70697-3.87E+050.1830.602.811-40533-3.56E+050.1140.834.212-2232.5-3.27E+050.0071.005.01336650-3.03E+050.1210.819.31469561-2.86E+050.2430.1021551438-2.77E+050.1860.5811.11699087-2.76E+050.3590.925.81791418-2.85E+050.3210.9121869522-3.01E+050.2310.7612.51936600-3.25E+050.1130.8337.720-2286.8-3.52E+050.0061.0041.821-40582-3.82E+050.1060.8532.622-70730-4.12E+050.1720.6523.123-84745-4.37E+050.1940.5418.324-74817-4.58E+050.1630.6821.825-44003-4.73E+050.0930.8827.426-11456-4.85E+050.0240.9930.12712193-4.94E+050.0250.9929.62818755-5.03E+050.0370.9828.729-1751-17E+050.0031.0028.530-60746-39E+050.1130.8322.731-1.65E+05-36E+050.3080.727.332-8582.6-32E+050.0161.0027.63366517-32E+050.1250.8022.13485936-34E+050.1610.6919.03575840-37E+050.1410.7520.63654350-5.41E+050.1010.8623.53732199-5.43E+050.0590.9525.73814703-5.45E+050.0270.9926.7393897.6-5.46E+050.0071.0027.040281.49-5.46E+050.0011.0027.0413899.4-5.46E+050.0071.0027.04214711-5.44E+050.0270.9926.84332222-5.41E+050.0600.9525.84454399-38E+050.1010.8623.54575929-35E+050.1420.7520.64686073-33E+050.1610.6818.94766695-33E+050.1250.8022.048-8397-38E+050.0161.0027.3由以上结果可知，衬砌拱顶的安全系数大