隧道土層壓力荷載計(jì)算(地下鐵道)

..5.1工程概況XX地鐵二號(hào)線汽車(chē)東站站采用明挖法施工,結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)。車(chē)站中心里程頂板覆土厚度3.5米,地下水位距地面3.5米,縱向柱子間距為8.4米,隧道頂板覆土為素填土,其天然重度為,路面荷載為,路面荷載超載系數(shù)取1.1。地層彈性反力系數(shù)為,鋼筋混凝土重度,不考慮人防荷載,車(chē)站結(jié)構(gòu)斷面尺寸如圖5-1所示。圖5-1車(chē)站橫斷面示意圖擬定車(chē)站主體結(jié)構(gòu)相關(guān)構(gòu)件的斷面尺寸及工程材料如下表所示：表5-1主體結(jié)構(gòu)尺寸及工程材料表類(lèi)別尺寸〔m混凝土強(qiáng)度等級(jí)主體結(jié)構(gòu)頂板0.8C35、P8混凝土中板0.4C35混凝土底板0.8C35、P8混凝土頂縱梁0.9×1.8C35、P8混凝土中縱梁0.9×0.95C35混凝土底縱梁0.9×2.0C35、P8混凝土中柱0.8×1.2C50、P8混凝土側(cè)墻0.85C50、P8混凝土5.2荷載類(lèi)型及組合5.2.1荷載類(lèi)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所考慮的計(jì)算荷載主要有：偶然荷載,可變荷載和永久荷載,詳見(jiàn)表5-2。表5-2地下結(jié)構(gòu)荷載分類(lèi)表荷載類(lèi)型荷載名稱(chēng)永久荷載結(jié)構(gòu)自重地層壓力靜水壓力及浮力設(shè)備重量地基下沉影響力結(jié)構(gòu)上部和破壞棱體范圍的設(shè)施及建筑物壓力混凝土收縮及徐變影響側(cè)向地基抗力及地基反力可變荷載基本可變荷載地面車(chē)輛荷載及其動(dòng)力作用地面車(chē)輛荷載引起的側(cè)向土壓力地鐵車(chē)輛荷載及其動(dòng)力作用人群荷載其他可變荷載施工荷載溫度變化影響偶然荷載7度地震荷載6級(jí)人防荷載5.2.2荷載組合荷載的分項(xiàng)系數(shù)及組合系數(shù)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取值,取值如表5-3。表5-3地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載組合表狀態(tài)及組合荷載種類(lèi)承載能力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)基本組合標(biāo)準(zhǔn)組合永久荷載結(jié)構(gòu)自重1.1×1.351覆土荷載1.1×1.351側(cè)向土壓力1.1×1.351側(cè)向水壓力1.1×1.351浮力1.1×1.351設(shè)備荷載1.1×1.351可變荷載人群荷載1.1×1.4×1.0×0.71地面超載1.1×1.4×1.0×0.71地面超載引起的側(cè)向土壓力1.1×1.4×1.0×0.71備注用于配筋計(jì)算用于抗裂計(jì)算5.3主要計(jì)算參數(shù)因?yàn)檐?chē)站所處位置地層較多,為了使計(jì)算簡(jiǎn)便,將物理力學(xué)指標(biāo)相近的地層通過(guò)加權(quán)平均合并為一層,經(jīng)合并后,共有三個(gè)地層。各土層具體信息如下表5-4：表5-4標(biāo)準(zhǔn)斷面處從地面至車(chē)站底板土層信息表序號(hào)巖土名稱(chēng)厚度〔m重度<kN/m3>內(nèi)摩擦角<°>側(cè)壓力系數(shù)1素填土3.518220.4552黏土620.323.30.4333碎石7.524.734.70.28荷載取值如下：1、設(shè)備荷載：一般按8KPa計(jì)算,超過(guò)8KPa按設(shè)備實(shí)際重量計(jì)算。2、人群荷載：4kPa。3、路面荷載：20kPa〔超載系數(shù)取1.0。4、水壓力:按全水頭考慮。5、車(chē)輛荷載：由于有利于抗浮,不考慮。5.4荷載計(jì)算5.4.1垂直荷載1、頂板垂直荷載頂板垂直荷載由路面活載及垂直土壓力組成,方向豎直向下。路面均布活載：垂直土壓力：頂板垂直荷載為： 標(biāo)準(zhǔn)組合： 基本組合：2、中板垂直荷載中板垂直荷載由人群荷載與設(shè)備荷載組成,方向豎直向下。基本組合的選擇：標(biāo)準(zhǔn)組合：基本組合：3、底板荷載：底板垂直荷載即為水浮力,方向豎直向上。 標(biāo)準(zhǔn)組合： 基本組合：表5-5主體結(jié)構(gòu)頂板、中板、底板垂直荷載表〔單位：頂板中板底板標(biāo)準(zhǔn)組合8512-135基本組合117.27116.192-200.475說(shuō)明：表中正值表示荷載方向?yàn)樨Q直向下,負(fù)值表示豎直向上。5.4.2側(cè)向荷載側(cè)向土壓力的大小與墻體的變形情況有關(guān),在主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力之間變化,在使用階段取靜止土壓力進(jìn)行計(jì)算。一般土壓力的計(jì)算方法有兩種：水土分算與水土合算。采用水土分算時(shí)是將地下水位以下的土壓力與水壓力疊加；水土合算,采用地下水位以下土的重度,只考慮土壓力的作用。在實(shí)際情況中計(jì)算設(shè)計(jì)荷載時(shí),砂土采用水土分算,而粘性土則用水土合算的方法。本結(jié)構(gòu)水下部分第一層土粘性土采用水土合算,第二層土為碎石采用水土分算。選取車(chē)站有效站臺(tái)中心處計(jì)算。各土層側(cè)壓力系數(shù)：素填土：黏土土:碎石:1、基本組合設(shè)計(jì)值設(shè)土層至地面的距離為h。當(dāng)h=3.5m時(shí),即在頂板處,當(dāng)h=9.5m時(shí),即在中板處當(dāng)h=17m時(shí),即在底板處,2、標(biāo)準(zhǔn)組合設(shè)計(jì)值設(shè)土層至地面的距離為h。當(dāng)h=3m時(shí),當(dāng)h=9.5m時(shí),當(dāng)h=17m時(shí),5.4.3縱梁荷載縱梁計(jì)算位置考慮荷載最不利位置,取縱梁兩側(cè)相鄰板半跨荷載之和,即縱梁荷載為兩個(gè)半跨板上部荷載及板自重之和。1、基本組合設(shè)計(jì)值：〔1頂縱梁荷載〔2中縱梁荷載〔3底縱梁荷載2、標(biāo)準(zhǔn)組合設(shè)計(jì)值：〔1頂縱梁荷載〔2中縱梁荷載〔3底縱梁荷載3、中柱縱梁荷載計(jì)算表表5-7中柱縱梁荷載表〔單位：頂縱梁中縱梁底縱梁標(biāo)準(zhǔn)組合708.75148.5-776.25基本組合992.054209.534-1152.731說(shuō)明：表中正值表示荷載方向?yàn)樨Q直向下,負(fù)值表示豎直向上。5.5計(jì)算簡(jiǎn)圖5.5.1框架結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖采用荷載基本組合和采用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合的計(jì)算簡(jiǎn)圖分別如圖5-2、5-3。圖5-2采用荷載基本組合時(shí)的計(jì)算簡(jiǎn)圖圖5-3采用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)的計(jì)算模型5.5.2縱梁計(jì)算模型為消除邊界效應(yīng),車(chē)站結(jié)構(gòu)縱斷面方向取5跨,柱間距為8.4m,計(jì)算結(jié)果采用中間跨。以中柱縱梁為例,其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5-4、5-5所示：圖5-4中柱縱梁在基本組合情況下的計(jì)算模型圖5-5中柱縱梁在標(biāo)準(zhǔn)組合情況下的計(jì)算模型5.6有限元計(jì)算5.6.1有限元建模5.6.1.1材料特性1、主要工程材料〔1主體結(jié)構(gòu)梁、板和側(cè)墻：C35鋼筋混凝土〔2柱子：采用C50鋼筋混凝土2、材料參數(shù)各截面的材料參數(shù)如下表：表5-8各截面材料參數(shù)名稱(chēng)結(jié)構(gòu)尺寸重度彈性模量/泊松比頂板1000×80025003.15×1040.2中板1000×40025003.15×1040.2底板1000×80025003.15×1040.2側(cè)墻1000×85025003.5×1040.2中柱800×120025003.5×1040.2中柱頂縱梁900×180025003.15×1040.2中柱中縱梁900×950025003.15×1040.2中柱底縱梁900×200025003.15×1040.23、地基彈性反力系數(shù)根據(jù)本車(chē)站的地質(zhì)情況得地基彈性反力系數(shù)：5.6.1.2單元類(lèi)型及網(wǎng)格劃分1、單元類(lèi)型本車(chē)站主體結(jié)構(gòu)中頂板、中板、底板、側(cè)墻和柱子均采用Beam3〔梁?jiǎn)卧?且定義只能受壓。結(jié)構(gòu)和圍巖的相互作用用link10〔桿單元來(lái)實(shí)現(xiàn),考慮到土體受力特性〔不能受拉,將桿單元定義只能受壓。2、網(wǎng)格劃分對(duì)于主體結(jié)構(gòu)中的板、墻和柱子,單元?jiǎng)澐珠L(zhǎng)度取1m。5.6.1.3約束及荷載1、約束條件由于使用桿單元模擬結(jié)構(gòu)和圍巖的相互作用,因此在主體結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)及底部均建立了對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的桿單元,所以在主體結(jié)構(gòu)三側(cè)均施加約束,并約束桿單元另一端的所有自由度。2、施加荷載將計(jì)算得到的豎向荷載直接施加；水平荷載需計(jì)算側(cè)向每一個(gè)單元兩端處的力,再進(jìn)行施加。5.6.2計(jì)算結(jié)果5.6.2.1矩形框架計(jì)算結(jié)構(gòu)分別對(duì)基本組合和標(biāo)準(zhǔn)組合情況下的車(chē)站斷面進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。1、基本組合計(jì)算結(jié)果〔1基本組合計(jì)算結(jié)果如圖5-6~5-9所示。圖5-6荷載基本組合的變形圖〔單位：m圖5-7荷載基本組合的軸力圖〔單位：N圖5-8荷載基本組合的剪力圖〔單位：N圖5-9荷載基本組合的彎矩圖〔單位：N?m〔2結(jié)構(gòu)斷面內(nèi)力表5-9采用荷載基本組合時(shí)計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面控制內(nèi)力表構(gòu)件彎矩〔軸力〔kN剪力〔kN尺寸/頂板上緣881.5406.4637.2頂板下緣491.5406.4637.2中板上緣215.0572.4137.2中板下緣85.6572.4137.2底板上緣552.6729.6870.5底板下緣1092.1729.6870.5負(fù)一層側(cè)墻迎土面881.52826.5406.4負(fù)一層側(cè)墻背土面36.7826.5197.6負(fù)二層側(cè)墻迎土面495.61200.4374.8負(fù)二層側(cè)墻背土面331.51200.4870.5負(fù)一層中柱01000.70負(fù)二層中柱01231.302、標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算結(jié)果〔1荷載標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算圖示如圖5-10~5-13：圖5-10荷載標(biāo)準(zhǔn)組合的變形圖〔單位：m圖5-11荷載標(biāo)準(zhǔn)組合的軸力圖〔單位：N圖5-12荷載標(biāo)準(zhǔn)組合的剪力圖〔單位：N圖5-13荷載標(biāo)準(zhǔn)組合的彎矩圖〔單位：N·m〔2結(jié)構(gòu)斷面內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)組合情況下結(jié)構(gòu)斷面內(nèi)力如下表5-10所所示：表5-10采用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)計(jì)算所得結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面控制內(nèi)力表構(gòu)件彎矩〔軸力〔kN剪力〔kN尺寸/頂板上緣631.8290.4455.9頂板下緣351.7290.4455.9中板上緣156.3437.097.9中板下緣59.4437.097.9底板上緣357.1562.9611.4底板下緣780.2562.9611.4負(fù)一層側(cè)墻迎土面631.8583.4290.4負(fù)一層側(cè)墻背土面51.7583.4143.5負(fù)二層側(cè)墻迎土面780.2840.7293.5負(fù)二層側(cè)墻背土面286.1840.7562.9負(fù)一層中柱0713.40負(fù)二層中柱0875.305.6.2.3縱梁計(jì)算1、側(cè)柱縱梁計(jì)算結(jié)果〔1側(cè)柱縱梁荷載基本組合的計(jì)算圖示如圖5-14~5-16。圖5-14荷載基本組合的變形圖〔單位：mm圖5-15荷載基本組合的剪力圖〔單位：N圖5-16荷載基本組合的彎矩圖〔單位：N·m車(chē)站頂板配筋及裂縫驗(yàn)算幾何材料參數(shù)因混凝土等級(jí)為C35,所以,查《混規(guī)》,相關(guān)數(shù)據(jù)為：,,采用HRB400級(jí)鋼筋〔,截面尺寸。彎矩設(shè)計(jì)值為,軸力設(shè)計(jì)值為,剪力設(shè)計(jì)值?！?不考慮二階效應(yīng),因?yàn)?,則?！?判斷大小偏心,所以先按大偏心受壓構(gòu)件計(jì)算。〔4計(jì)算配筋為充分利用受壓區(qū)混凝土的抗壓強(qiáng)度,設(shè)。受壓區(qū)鋼筋面積：取。選用620〔受拉區(qū)鋼筋面積：〔確認(rèn)為大偏心故則受拉區(qū)鋼筋面積：其中選用受拉鋼筋825〔,所以非超筋。箍筋〔1幾何參數(shù)及材料參數(shù)因混凝土等級(jí)為C35,查《混規(guī)》得,。因?yàn)镃35<C50,所以。箍筋采用HRB335,?！?上限值驗(yàn)算—非斜壓破壞因?yàn)?屬于一般梁。有：〔3驗(yàn)算是否需按計(jì)算設(shè)計(jì)配筋一般梁混凝土本身就能抵抗其剪力,不需要按計(jì)算設(shè)置箍筋,但仍需按構(gòu)造要求配置箍筋,選用8150。裂縫寬度驗(yàn)算裂縫寬度采用標(biāo)準(zhǔn)荷載組合進(jìn)行檢算,彎矩設(shè)計(jì)值為,軸力設(shè)計(jì)值為,剪力設(shè)計(jì)值。根據(jù)《混規(guī)》〔GB50010-2010,當(dāng)時(shí)需驗(yàn)算裂縫寬度。受壓翼緣截面面積與腹板有效截面面積的比值：矩形截面：縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)至截面受壓合力點(diǎn)的距離：按有效受拉混凝土截面面積計(jì)算的縱向受拉鋼筋配筋率：按荷載效應(yīng)