均勻內(nèi)水壓力作用下圓形混凝土襯砌隧洞配筋設(shè)計(jì)探討

1、西北水電2014年第5期31文章編號(hào)：10062610(2014)05—0031—03均勻內(nèi)水壓力作用下圓形混凝土襯砌隧洞配筋設(shè)計(jì)探討詹振彪，廖春武(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安710065)摘要：基于對(duì)規(guī)范隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的分析探討，考慮實(shí)際隧洞襯砌配筋應(yīng)力狀況，提出便于設(shè)計(jì)者進(jìn)行均勻內(nèi)水壓力下圓形混凝土襯砌隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算分析方法。按照此方法進(jìn)行隧洞襯砌設(shè)計(jì)，計(jì)算過程簡(jiǎn)單清晰，設(shè)計(jì)分析結(jié)論明確，可以滿足工程設(shè)計(jì)要求。

2、關(guān)鍵詞：混凝土襯砌；圓形隧洞；均勻內(nèi)水壓力；配筋計(jì)算中圖分類號(hào)：TV6721文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AStudyonDesignofReinforcementArrangementforConcreteLiningofRound——sectionTunnelunderUniformInternalterPressureZHANZhenbiao，LIA0Chunwu(POWERCHINAXibeiEngineeringCorporationLtd，X

3、ian710065，China)Abstract：Forthepurposeoftheanalysisandstudyonthedesignmethodfortheliningstructureofthetunnelstipulatedinthetechnicalspecificationsandcodes，andinconsiderationoftheactualstressofthereinforcementforthetunnel

4、lining，thecalculationandanalysismethodsftheconcreteliningstructureoftheround—sectiontunnelundertheunifmintemalwaterpressureareprovidedtothedesignerBasedonthismethodtodesignthetunnellining，thecalculationprocessissimpleand

5、clear，thedesignandanalysisconclusionsaredefiniteTheycansatisfytheengineeringdesignrequirementsKeywords：concretelining；roundsectiontunnel；uniforminternalwaterpressure；calculationonreinforcementarrangement0前言1隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算方法水工隧洞在

6、水利水電工程中用于輸水、發(fā)電、灌溉、泄洪、導(dǎo)流等十分普遍，其特點(diǎn)是具有封閉斷面的通道，利用圍巖的自穩(wěn)能力、承載能力和抗?jié)B能力。工程中通常采用鋼筋混凝土襯砌與圍巖聯(lián)合受力以滿足設(shè)計(jì)功能要求。筆者在依據(jù)DL／T5195—2004((水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行有壓圓形隧洞混凝土襯砌設(shè)計(jì)的過程中有些思考，在本文中基于對(duì)規(guī)范結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的分析探討，提出了便于設(shè)計(jì)者進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的流程，滿足工程設(shè)計(jì)需要。收稿日期：2013—01—13作者簡(jiǎn)介：詹振彪

7、(1980一)，男，遼寧省營(yíng)口市人，高級(jí)工程師，從事水利水電工程水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作迄今為止，隧洞計(jì)算仍然采用2種方法，其一是結(jié)構(gòu)力學(xué)法，另一是彈性力學(xué)法。結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法把襯砌視為彈性地基上的桿系結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)力學(xué)方法僅能夠求得襯砌的應(yīng)力，而不能求出圍巖的應(yīng)力。彈性抗力系數(shù)的理論假定與實(shí)際不符，其理論假定必須符合3個(gè)條件：①圍巖是均勻各向同性無限彈性體；②圓洞；③均勻內(nèi)水壓力。當(dāng)上述條件符合，結(jié)構(gòu)力學(xué)法與彈性力學(xué)法算得襯砌應(yīng)力相同。彈性力學(xué)方

8、法的特點(diǎn)是能對(duì)作為隧洞主體的圍巖進(jìn)行分析，能夠嚴(yán)格按襯砌與圍巖共同工作條件進(jìn)行分析而無需借助彈性抗力的概念。隨電算的發(fā)展，有限元方法可以對(duì)任何復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)中的隧西北水電2014年第5期33襯砌內(nèi)圈半徑30m，襯砌外圈半徑36m，襯砌有效厚度06m；鋼筋彈性模量200000N／ram，鋼筋的允許應(yīng)力設(shè)計(jì)值230N／mm；混凝土彈性模量25500N／mm；圍巖單位彈性抗力系數(shù)2000MN／m。按照單筋鋼筋混凝土襯砌公式(1)計(jì)算，襯砌所需

9、鋼筋面積一8745mm／mm；按照雙筋鋼筋混凝土襯砌公式(4)計(jì)算，襯砌內(nèi)外圈所需鋼筋面積均為一4796mm／ram。通過類似工程的計(jì)算分析，在多數(shù)情況下按照規(guī)范公式計(jì)算所需的配筋面積很小或?yàn)樨?fù)值，其原因：一是計(jì)算中采用鋼筋的允許應(yīng)力設(shè)計(jì)值(~Ofy／r)偏大，實(shí)際上由于限裂設(shè)計(jì)的原因，鋼筋不可能達(dá)到其允許值；二是圍巖條件較好時(shí)，取值較大。按上述方法進(jìn)行配筋計(jì)算，計(jì)算結(jié)果無法提供給設(shè)計(jì)者較合適的配筋初始值或參考，設(shè)計(jì)者只有類比或試算來選

10、取襯砌配筋的初始值，然后進(jìn)行鋼筋應(yīng)力分析及裂縫寬度驗(yàn)算?；谏鲜鲈?，筆者對(duì)配筋設(shè)計(jì)提出一點(diǎn)想法與大家進(jìn)行探討。3建議方法根據(jù)DL／T5195—2004《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范圓形有壓隧洞襯砌計(jì)算的荷載包括巖石壓力、襯砌自重、靜水壓力、水擊壓力、脈動(dòng)壓力和地下水壓力；荷載的分項(xiàng)系數(shù)分別為10(00)、11(09)、10、11、13、10(00)，當(dāng)作用對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利時(shí)，作用分項(xiàng)系數(shù)取括號(hào)內(nèi)的數(shù)值J。因此對(duì)于隧洞持久狀況、基本組合壓力隧洞

11、正常運(yùn)行工況，巖石壓力和地下水壓力的分項(xiàng)系數(shù)取值為0，即不考慮其作用。又因?yàn)橐r砌自重對(duì)高水頭隧洞襯砌結(jié)構(gòu)分析影響較小，為簡(jiǎn)化分析不考慮其作用影響，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于安全。限裂設(shè)計(jì)在工程中已被接受，按照DL／T5057～2009(水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》正截面裂縫寬度控制驗(yàn)算章節(jié)計(jì)算方法，在構(gòu)件受力特性、鋼筋材料選擇、保護(hù)層厚度、混凝土軸心抗拉強(qiáng)度確定時(shí)，裂縫寬度計(jì)算值與配筋面積(表現(xiàn)為有效配筋率)、鋼筋應(yīng)力、鋼筋直徑相關(guān)。而對(duì)于非桿件體系結(jié)

12、構(gòu)裂縫控制驗(yàn)算，提出參考國(guó)外規(guī)范通過限制鋼筋應(yīng)力間接控制裂縫寬度的驗(yàn)算方法。規(guī)范條文說明103中表13提出的用于表面裂縫控制驗(yàn)算的鋼筋單元應(yīng)力限值見表1。表1鋼筋單元應(yīng)力限值表基于上述分析及參考資料，在隧洞襯砌設(shè)計(jì)中原計(jì)算公式保持不變，鋼筋的允許應(yīng)力設(shè)計(jì)值按表1建議值選取進(jìn)行襯砌計(jì)算設(shè)計(jì)，再根據(jù)計(jì)算配筋進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算。計(jì)算流程：第1步，設(shè)計(jì)參數(shù)輸入P、、E、E、Ko、[](鋼筋的允許應(yīng)力設(shè)計(jì)值根據(jù)允許裂縫寬度和保護(hù)層厚度確定)、0、r

13、、、h。第2步，如果是單筋配筋，按式(1)計(jì)算；如果是雙筋配筋，按式(4)計(jì)算。(1)如果圍巖條件好，取值較大，計(jì)算配筋可能為負(fù)值，襯砌配筋按照構(gòu)造配筋能滿足抗內(nèi)水壓力作用。(2)如果圍巖條件差，Kn取值較小，計(jì)算配筋可能會(huì)偏大，在滿足鋼筋布置要求條件下，雙層配筋或多層配筋仍不能達(dá)到計(jì)算值。可考慮提高圍巖加固措施對(duì)圍巖抗力的影響，或增設(shè)排水孔等措施，并進(jìn)行專題研究論證。第3步，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇配筋，分別按照公式(3)、(6)和(7)校核

14、鋼筋應(yīng)力，然后按照DL／T5195—2004~水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄G8進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算。按上述步驟重新計(jì)算上一算例，鋼筋保護(hù)層厚度取50mm，最大裂縫寬度允許值025mm。依據(jù)表1，鋼筋允許應(yīng)力設(shè)計(jì)值[]為150N／mm。按單筋鋼筋混凝土襯砌計(jì)算，將[]=150N／ram帶人式(1)計(jì)算，配筋面積f=2538mm／mm；按雙筋鋼筋混凝土襯砌計(jì)算，將[]=150N／ram帶人式(4)計(jì)算，襯砌內(nèi)外圈鋼筋面積均為1396mm／ram。按照