均匀内水压力作用下圆形混凝土衬砌隧洞配筋设计探讨.pdf
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1、西 北水 电 2 0 1 4年 第 5期 3 1 文章编 号 : 1 0 0 6 -2 6 1 0 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 0 3 1 0 3 均匀 内水压 力作 用下圆形混凝 土 衬砌 隧洞 配筋设 计探讨 詹振 彪, 廖春武 ( 中国电建集 团西北勘测设计研究院有限公司, 西安7 1 0 0 6 5 ) 摘要: 基于对规范隧洞衬砌结构设计方法的分析探讨 , 考虑实际隧洞衬砌配筋应力状况 , 提出便于设计者进行均 匀内水压力下圆形混凝土衬砌隧洞结构计算分析方法。按照此方法进行隧洞衬砌设计, 计算过程简单清晰, 设计 分析结论明确, 可以满足工程设计要求。 关键词: 混凝土衬砌;
2、圆形隧洞 ; 均匀内水压力; 配筋计算 中图分类号 : T V 6 7 2 1 文献标识 码 : A S t udy o n De s i g n o f Re i n f o r c e me n t Ar r a n ge me n t f o r Co nc r e t e Li ni n g o f Ro un d s e c t i o n Tu nn e l u nd e r Uni f o r m I nt e r n al t e r Pr e s s ur e ZHAN Zhe n b i a o,LI A0 Chu nwu ( P O WE R C HI N A X i b
3、 e i E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n L t d , X i a n 7 1 0 0 6 5 , C h i n a ) Ab s t r a c t : F o r t h e p u rpo s e o f t h e a n a l y s i s a n d s t u d y o n t h e d e s i g n me t h o d f o r t h e l i n i n g s t r u c t u r e o f t h e t u n n e l s t i p u l a t e d i n t h e
4、 t e c h n i c a l s p e c i fic a t i o n s a n d c o d e s,a nd i n c o n s i d e r a t i o n o f t h e a c t ual s t r e s s o f t h e r e i n f o r c e me nt f o r t h e t u n ne l l i n i n g,t he c alc ul a t i o n a n d an aly s i s me t h o d s for t h e c o n c r e t e l i n i n g s t r u c
5、 t u r e o f t h e r o u n d s e c t i o n t u n n e l u n d e r t h e u n i for m i n t e mal wa t e r p r e s s u r e a r e p r o v i d e d t o t h e d e s i g - n e r B a s e d o n t h i s me t h o d t o d e s i g n t h e t u n n e l l i n i n g ,t h e c alc u l a t i o n p r o c e s s i s s i mp
6、 l e a n d c l e a r , t h e d e s i g n a n d an aly s i s c o n c l u s i o n s a r e d e fi n i t e T h e y c a n s a t i s f y t h e e n g i n e e rin g d e s i g n r e q u i r e me n t s Ke y wo r ds: c o n c r e t e l i n i ng;r o u n d-s e c t i o n t un n e l ;un i f o r m i nt e rnal wa t e
7、 r p r e s s u r e;c a l c u l a t i o n o n r e i nfo r c e me n t a r r an g e me n t 0 前言 1 隧洞结构计算方法 水工隧洞在水利水电工程中用于输水 、 发 电、 灌 溉 、 泄洪 、 导流等十分普遍 , 其特点是具有封闭断面 的通道 , 利用 围岩 的 自稳能力 、 承载 能力和抗渗 能 力。工程中通常采用钢筋混凝土衬砌与围岩联合受 力以满足设计功能要求。笔者 在依 据 D L T 5 1 9 5 2 0 0 4 ( ( 水工隧洞设 计规范 进行有压圆形 隧洞混凝 土衬砌设计的过程 中有些思考 , 在
8、本文 中基于对规 范结构设计方法 的分析探讨 , 提 出了便于设计者进 行结构计算分析的流程, 满足工程设计需要。 收稿 日期 : 2 0 1 3 0 1 1 3 作者简介 : 詹振彪 ( 1 9 8 0 一) , 男 , 辽 宁省 营 口市人 , 高级工 程师 , 从事水利水 电工程水工结构设计工作 迄今为止 , 隧洞计算仍然采用 2种方法 , 其一是 结构力学法 , 另一是弹性力学法。 结构力学计算方法把衬砌视为弹性地基上的杆 系结构。结构力学方法仅能够求得衬砌 的应力 , 而 不能求出围岩的应力。弹性抗力系数的理论假定与 实际不符 , 其理论假定必须符合 3个条件: 围岩 是均匀各向同性
9、无限弹性体; 圆洞; 均匀内水 压力 。当上述条件符合 , 结构力学法与弹性力学法 算得衬砌应力相同。 弹性力学方法的特点是能对作为隧洞主体的围 岩进行分析 , 能够严格按衬砌 与围岩共同工作条件 进行分析而无需借助弹性抗力的概念 。随电算的发 展 , 有限元方法可 以对任何复杂的岩体结 构中的隧 3 2 詹振彪, 廖春武 均匀内水压力作用下圆形混凝土衬砌隧洞配筋设计探讨 洞进行线性和非线性分析, 从 而成为隧洞计算 的最 有效的方法 J 。 对有压圆形隧洞 , 规范所用分析方法为结构力 学方法。 2 规范计算公式 D I MT 5 1 9 5 - 2 0 0 4 水工隧洞设计规范 规定, 在
10、 围岩相对均质 , 且具有足够的覆盖厚度的有压 圆形 隧洞 , 可按厚壁 圆筒方法 ( 公式法) 进行计算 , 计算 中应考虑围岩的弹性抗力。 有压厚壁圆筒方法 ( 公式法) 的基本假定 : ( 1 )混凝土衬砌 已经开裂 , 混凝土衬砌不承担 任何拉力 , 内水压力 由围岩和混凝土衬砌 中所配钢 筋承担 ; ( 2 )混凝土衬砌与围岩“ 完全接触 ” ( 即既不脱 离 , 又不相互滑动 ) , 衬砌与围岩变形协调 ; ( 3 )围岩是均匀各 向同性无限弹性体 , 围岩的 弹性抗力按弹性抗力系数理论计算分析 。 基于以上假定, 圆形水工隧洞在均匀内水压力 作用下 , 单位长度隧洞力 的平衡方程
11、式为 : p r = f + 全文公式符号说明: P为均匀 内水压强 , k N r n ; 为 钢筋实 际选 筋 面积 , m lT I ra m; r d为结构系数 , 1 3 5 ; E 为混凝 土弹性模 量 , N mm ; E 为 开裂后 混凝土弹性模量 , 0 8 5 E , N mm ; E 为钢筋弹性模 量 , N mm ; 为 围岩单位弹性抗力系数 , MN m。 ; 为钢筋的允许应力设计值, N ra m ; 为钢筋 抗拉强度设计值 , N ram 。 ; 为衬砌采用单层配筋 时, 钢筋应力 , N m m。 ; 为衬砌采用双层 配筋时 , 内圈钢筋应力 , N ra m
12、; 为衬砌采用双层配筋时 , 外圈钢筋 应力 , N m m ; 为 衬砌 内圈钢 筋 面积 , m m m m 为衬砌外 圈钢筋面积 , m m mm; h为衬 砌有效厚度 , 1 T I ; 。为内外圈钢筋合力点到衬砌内外 边缘的距 离, I l l ; r 为衬砌 内圈半径, 17 1 ; r o 为衬砌外 圈半径, II l ; 为内侧钢筋径向变形量, m m; m为混凝 土径 向的压缩变形 量, m m; A 为围岩径 向变形量 , m m。 ( 1 )内水压力作用下单筋钢筋混凝土衬砌计算 水工隧洞设计规范 附录计算公式( G 3 ) : f= p +1 0 0 0 K o m 1
13、0 0 0 K o r 式 ( 1 ) 可转化为式( 2 ) : p r = f+1 0 0 0 K o ( 一m) ( 2 ) 工弋中 = ; 一 l n r o 其它符号意义 同上。 钢筋应力校核 : o - = = 一 j ,+ 公式( 2 ) 的意义 : 公式左侧为 1 IT I 单位长度作 用于隧洞的内水压力值 ; 公式右侧为 1 i n单位长度 混凝土衬砌中所配钢筋和围岩的抗力值 , 左右侧量 纲均为 。 ( 2 )内水压力作用下双筋钢筋混凝土衬砌计算 水工隧洞设计规范 附录计算公式( G 6 ) : p r +1 0 0 0 K o ( m 一 ) 厂=竺 一( 4 ) ( 1+
14、 )一E s m 式( 4 ) 可转化为式( 5 ) : p r I 【 O-s + ( E )】 厂 + 10 00 K o(A m ) ( 5 ) 式 中: 为内侧钢筋的允许应力设计值 , N ra m ; 一 为 内侧钢筋达 到允许应力设计值 时, 外侧 的钢筋应力值 , N m m ; -厂 为衬砌 内圈钢筋 面积 , m m mm , 内外侧配筋 面积相等 , 即 = f o ; 其 它符号意义同上。 钢筋应力校核 : ( p r 一E Zm) r 尊o + 十 二 式中 Y o 为钢筋实际选筋面积, m m 2 m m; 其它符号 意义同上。 3 工程实例 某工 程 内水压强 值
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