山岭隧道结构设计结构设计

山岭隧道结构设计结构设计第一章总则对某区间隧道进行结构检算，求出力，并进行配筋计算。具体设计基本资料如下：1.1设计条件隧道拱顶埋深为5m；隧道围岩等级为III级，围岩重度为28kN/m3，围岩的摩擦角φ=60º，似摩擦角φ*=68º，围岩侧压力系数取为0.3。；采用暗挖法施工，隧道断面型式为6心圆马蹄形结构。结构尺寸如图所示：图1隧道尺寸示意图1.2设计原则山岭地区的地下工程是包括铁路、公路、水工隧道和地下储库等位于山岭部的地下建筑物。对于公路隧道而言，主体规划设计主要考虑4个方面的问题：（1）隧道（里面、平面）线型的选择，需要考虑地表条件、地层条件、地下水条件和既有临近建筑及设施；（2）隧道施工对地层的影响，需要分析地层的变形、荷载和稳定性特征，还需要考虑地下水和地层的渗透性；（3）隧道断面、主体及附属结构形式的选择，需要考虑地层的变形和刚度、衬砌的变形和刚度，以及两者之间的相互作用；（4）隧道防水方案，选择全封闭方案、部分封闭部分排水方案或其他防排水方案。隧道施工方法的规划设计主要涉及3个方面的问题：（1）地层的开挖与出渣，需要考虑地层结构和岩石硬度的变化，还要计入地下水的作用；（2）地层稳定性的维持，需要考虑地层的自稳特征和站立时间，对注浆或冻结等地层处理方法的适应性；（3）地下水，包括流量与流向，流砂或管涌的可能性，以及处理方法。公路隧道结构设计应按照相关的行业规执行。如《建筑结构荷载规》（GBJ50009-2001）、《人民防空工程设计规》（GB50225-95）、《公路隧道设计规》（JTGD70-2004）、《锚杆喷射混凝土支护技术规》（GB50086-2001）、《混凝土结构设计规》（GB50010-2002）、《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138-2001）、《钢结构设计规》（GBJ50017-2003）、《地下工程防水设计规》（GB50108-2001）、《公路工程技术标准》（JTGB01-2003）等。图2隧道位置示意图1.3设计标准隧道部尺寸设计：结构净宽16.56m结构净高11.92m结构底板厚度550mm结构顶板厚度550mm结构侧板厚度550mm1.4设计依据《建筑结构荷载规》（GBJ50009-2001）《人民防空工程设计规》（GB50225-95）《公路隧道设计规》（JTGD70-2004）《锚杆喷射混凝土支护技术规》（GB50086-2001）《混凝土结构设计规》（GB50010-2002）《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138-2001）《钢结构设计规》（GBJ50017-2003）《地下工程防水设计规》（GB50108-2001）《公路工程技术标准》（JTGB01-2003）1.5环保措施在本次设计中，我们采取了以下环境保护措施：选用无毒无害的防水板，避免对地下水的影响。严格控制降低地下水位，以免地下水位降低引起地面沉降、地下管道断裂、建筑物开裂、草木枯萎。施工场地规划尽量减少对绿化的破坏及对交通的影响。采用有利于环境保护、符合可持续发展战略的绿色建筑技术，选用有利于环境保护和人群健康的建筑材料及建筑装修材料，选用的建筑材料、涂料等要符合国家的有关部门标准。各专业应积极采用不产生或少产生污染的新技术、新工艺、新材料、新设备，节约能源，循环（重复）利用资源。引进设备其污染物的排放必须达到国家工市制定的标准和符合环境管理法规的有关规定。第二章结构设计2.1根据给定的隧道或车站埋深判断结构深、浅埋；根据《公路隧道设计规》，在判定隧道深浅埋时有如下规定：在矿山法施工的条件下，Ⅳ~Ⅵ级围岩取*2.5pHh，Ⅰ~Ⅲ级围岩取*2pHh。根据设计的条件，*2pHh。采用《公路隧道设计规》推荐的方法，即有*10.4521(5)shiB(2.1)上式中：s为围岩的级别；B为洞室的跨度；i为B每增加1m时的围岩压力增减率，以B=5m的围岩垂直均布压力为准，当B5m时，取i=0.2；当B5m时，取i=0.1。由于隧道拱顶埋深5m，位于III级的围岩中，根据《公路隧道设计规》公式，则有311*110.1(16.565)3.880.4520.4521(5)0.452ssmhiB因为埋深**27.7653.88chmhmhm，可知该隧道为浅埋隧道。2.2计算作用在结构上的荷载；1永久荷载A顶板上永久荷载a.顶板自重（可只考虑二衬）2325/0.5513.75/qdkNmkNmb.地层竖向土压力由于拱顶埋深5m，根据《公路隧道设计规》的浅埋隧道荷载的计算方法，将地层的竖向土压力换算成作用在支护结构上的均布荷载，即：=(1tan)ttQHqHBB浅浅（2.2）式中：——侧压力系数，本设计取0.3——围岩自重（kN/m3）H——隧道埋深，指坑顶至地面的距离（m）Bt——坑道宽度（m）——埋深在浅埋围时，为便于计算，假定土体中形成的破裂面是一条与水平成的斜直线。当隧道正上方土体下沉时，带动两侧三棱锥土体下沉，，整个土体下沉，又要受到未扰动岩土体的阻力，对于无实测资料时，可按表1采用。表1各级围岩的值围岩级别Ⅰ~ⅢⅣⅤⅥ0.9φ（0.7~0.9）φ（0.5~0.7）φ（0.3~0.5）φ代入数据：25=(1tan)285[10.3tan(0.960)]16.56122.54/ttQHqHBBkNm浅浅122850.342/eHkNm2228(511.921)0.3142.1/ehkNm31211()(42142.1)92.05/22kNmeeeB底板上可变荷载底板自重（可只考虑二衬）2325/0.5513.75/qdkNmkNmC侧墙上永久荷载a.侧墙自重2325/0.5513.75/qdkNmkNmb.对于隧道侧墙上侧向土压力地层侧向压力按的《公路隧道设计规》的浅埋隧道荷载的方法计算。作用在支护结构两侧的水平侧压力为：1eH（2.3）2eh（2.4）当侧压力视为均布荷载时121()2eee（2.5）式中：——侧压力系数，本设计取0.3——围岩自重（kN/m3）H——隧道埋深，指坑顶至地面的距离（m）h——隧道底部至地面的距离（m）代入数据：122850.342/eHkNm2228(511.921)0.3142.1/ehkNm21211()(42142.1)92.05/22kNmeee2可变荷载A顶板上可变荷载按《公路隧道设计规》6.1.4中第三条规定：当明洞上方与公路（铁路）立交时，应考虑公路（铁路）荷载，本设计不存在立交，故可不考虑。人行荷载可以不用考虑。B底板上可变荷载主要为列车车辆运行的可变荷载，根据《公路隧道设计规》6.1.4规定，公路车辆荷载计算应按《公路工程技术标准》的有关规定执行。C侧墙上可变荷载顶板上可变荷载经论证无需考虑，所以侧墙上可变荷载本也无需考虑。3偶然荷载在本设计中，仅考虑比较简单的情况，偶然荷载可以不用计算。2.3进行荷载组合根据任务书，只需按照基本组合构件计算，1、承载能力极限状态荷载组合采用1.35恒载+1.4活载根据以上各种计算，作用在隧道上的设计荷载有：拱顶：设计恒载：-183.99Mpa底板：设计恒载：-18.56Mpa设计活载：-7Mpa侧墙（顶部）：设计恒载：56.7Mpa（x方向）-18.56Mpa（y方向）（底部）：设计恒载：191.84Mpa（x方向）-18.56Mpa（y方向）2、正常使用极限状态荷载组合采用恒载+活载根据以上各种计算，作用在隧道上的设计荷载有：拱顶：设计恒载：-136.29Mpa底板：设计恒载：-13.75Mpa设计活载：-5Mpa侧墙（顶部）：设计恒载：42Mpa（x方向）；-13.75Mpa（y方向）（底部）：设计恒载：142.1Mpa（x方向）；-13.75Mpa（y方向）2.4绘出结构受力图根据荷载组合值，可以分别计算出拱顶、底板、侧墙和中墙的设计荷载值，如下图：1、承载能力极限状态2、正常使用极限状态第三章利用midas程序计算结构力用通用有限元程序—MIDAS/Civil，MIDAS/Civil是目前最先进的土木结构分析系统，它对土木建筑的分析中所需要的各种功能进行了综合的考虑。在计算机技术方面，MIDAS/Civil所使VisualC++，因此可以充分发挥32bit视窗环境的优点。以用户为中心的输入输出功能使用的是精确而且直观的用户界面和尖端的电脑图形技术，为土木建筑物的建模和分析提供了很大的便利。3.1建立模型用midas软件对结构建立有限元模型，如下图所示。该模型共有54个节点，54个单元。3.2定义截面形状和材料截面采用矩形截面，如图所示结构采用C30混凝土,如图所示3.3定义边界条件如下图所示：`3.4添加荷载3.4.1定义荷载工况荷载工况如下表所示：3.4.2添加自重荷载3.5定义荷载组合按承载能力极限状态组合荷载时，结构由恒载起控制作用，所以按组合荷载公式：F=1.35×恒载+1.4×活载，来计算荷载设计值。按正常使用极限状态组合荷载时，按组合荷载公式：F=恒载+活载，来计算荷载设计值。名称自重竖向土压力侧向土压力车辆荷载承载能力极限状态1.351.351.351.4其中，土压力、结构自重为恒载，汽车荷载为活载。第四章结构力分析4.1承载能力极限状态组合下结构力图4.1.1弯矩图正常使用极限状态11114.1.2轴力图4.1.3剪力图4.2正常使用极限状态组合下结构力图4.2.1弯矩图4.2.2轴力图4.2.3剪力图第五章结构配筋计算根据任务书要求，结构纵向按1m考虑。结构顶板和底板按纯弯构件配筋，侧墙按偏心受压构件配筋。设计时主要依据规《公路隧道设计规》（JTGB01-2003），《混凝土结构设计规》（GB50010-2002）。5.1基本条件已知某矩形截面简支梁，截面为b×h=1000mm×500mm，计算跨度l=16.56m，在使用期间的基本组合和标准组合的弯矩图如下：基本组合：轴向剪力y剪力z扭矩弯矩y弯矩z1基本组合I[1]-2416.250.00-172.460.00-73.410.001基本组合J[2]-2415.400.00-71.050.0023.390.002基本组合I[2]-2410.760.004.980.0024.670.002基本组合J[3]-2382.290.00106.530.00-20.370.003基本组合I[3]-2405.040.0034.030.00-26.630.003基本组合J[4]-2369.310.00135.190.00-94.700.004基本组合I[4]-2370.060.00-14.070.00-94.910.004基本组合J[5]-2327.980.0088.380.00-124.960.005基本组合I[5]-2335.180.0044.670.00-126.940.005基本组合J[6]-2287.720.00150.780.00-205.370.006基本组合I[6]-2294.670.00-22.190.00-207.280.006基本组合J[7]-2243.440.0089.710.00-234.490.007基本组合I[7]-2242.720.00-103.040.00-234.290.007基本组合J[8]-2189.880.0016.310.00-199.760.008基本组合I[8]-2182.180.00-158.610.00-197.650.008基本组合J[9]-2130.320.00-30.750.00-122.040.009基本组合I[9]-2118.340.00-190.520.00-118.750.009基本组合J[10]-2070.190.00-53.810.00-21.120.0010基本组合I[10]-2056.430.00-200.