均勻內(nèi)水壓力作用下圓形混凝土襯砌隧洞配筋設(shè)計探討

1、西北水電2014年第5期31文章編號：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)計探討詹振彪，廖春武(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安710065)摘要：基于對規(guī)范隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的分析探討，考慮實際隧洞襯砌配筋應(yīng)力狀況，提出便于設(shè)計者進行均勻內(nèi)水壓力下圓形混凝土襯砌隧洞結(jié)構(gòu)計算分析方法。按照此方法進行隧洞襯砌設(shè)計，計算過程簡單清晰，設(shè)計分析結(jié)論明確，可以滿足工程設(shè)計要求。

2、關(guān)鍵詞：混凝土襯砌；圓形隧洞；均勻內(nèi)水壓力；配筋計算中圖分類號：TV6721文獻標識碼：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)計功能要求。筆者在依據(jù)DL／T5195—2004((水工隧洞設(shè)計規(guī)范》進行有壓圓形隧洞混凝土襯砌設(shè)計的過程中有些思考，在本文中基于對規(guī)范結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的分析探討，提出了便于設(shè)計者進行結(jié)構(gòu)計算分析的流程，滿足工程設(shè)計需要。收稿日期：2013—01—13作者簡介：詹振彪

7、(1980一)，男，遼寧省營口市人，高級工程師，從事水利水電工程水工結(jié)構(gòu)設(shè)計工作迄今為止，隧洞計算仍然采用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)的理論假定與實際不符，其理論假定必須符合3個條件：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、法的特點是能對作為隧洞主體的圍巖進行分析，能夠嚴格按襯砌與圍巖共同工作條件進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。通過類似工程的計算分析，在多數(shù)情況下按照規(guī)范公式計算所需的配筋面積很小或為負值，其原因：一是計算中采用鋼筋的允許應(yīng)力設(shè)計值(~Ofy／r)偏大，實際上由于限裂設(shè)計的原因，鋼筋不可能達到其允許值；二是圍巖條件較好時，取值較大。按上述方法進行配筋計算，計算結(jié)果無法提供給設(shè)計者較合適的配筋初始值或參考，設(shè)計者只有類比或試算來選

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

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

12、構(gòu)裂縫控制驗算，提出參考國外規(guī)范通過限制鋼筋應(yīng)力間接控制裂縫寬度的驗算方法。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)計中原計算公式保持不變，鋼筋的允許應(yīng)力設(shè)計值按表1建議值選取進行襯砌計算設(shè)計，再根據(jù)計算配筋進行裂縫寬度驗算。計算流程：第1步，設(shè)計參數(shù)輸入P、、E、E、Ko、[](鋼筋的允許應(yīng)力設(shè)計值根據(jù)允許裂縫寬度和保護層厚度確定)、0、r

13、、、h。第2步，如果是單筋配筋，按式(1)計算；如果是雙筋配筋，按式(4)計算。(1)如果圍巖條件好，取值較大，計算配筋可能為負值，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，計算配筋可能會偏大，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到計算值?？煽紤]提高圍巖加固措施對圍巖抗力的影響，或增設(shè)排水孔等措施，并進行專題研究論證。第3步，根據(jù)計算結(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)計規(guī)范》附錄G8進行裂縫寬度驗算。按上述步驟重新計算上一算例，鋼筋保護層厚度取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)計值[]為150N／mm。按單筋鋼筋混凝土襯砌計算，將[]=150N／ram帶人式(1)計算，配筋面積f=2538mm／mm；按雙筋鋼筋混凝土襯砌計算，將[]=150N／ram帶人式(4)計算，襯砌內(nèi)外圈鋼筋面積均為1396mm／ram。按照