淺埋式閉合框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

王登城

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000)

近年來，隨著城鎮(zhèn)化不斷推進(jìn)，城市人口不斷增加，僅靠地面交通已無(wú)法滿足城市發(fā)展的要求。城市地下隧道作為解決城市交通發(fā)展問題的一種方法，被廣泛利用在道路改造[1]及大型商業(yè)綜合體開發(fā)項(xiàng)目中。

城市地下隧道屬于埋設(shè)在土層中的建筑物，按其埋深被劃分為淺埋式結(jié)構(gòu)[2]，其中矩形閉合框架結(jié)構(gòu)因具有空間利用率高、開挖斷面經(jīng)濟(jì)，且易于施工的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于各類城市地下隧道，如圖1所示。將詳細(xì)介紹淺埋式閉合框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合工程實(shí)例探討計(jì)算機(jī)軟件在城市地下隧道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

圖1 矩形閉合框架結(jié)構(gòu)

1 工程概況

本文所研究的城市地下隧道位于平原地區(qū)，為某城市中心地下環(huán)形隧道，周邊為待開發(fā)商業(yè)中心，通過地下車庫(kù)聯(lián)絡(luò)道將商業(yè)中心地下空間與地下環(huán)形隧道相接，起到交通溝通的作用。環(huán)形隧道暗埋段標(biāo)準(zhǔn)斷面雙向四車道矩形斷面，采用矩形閉合框架結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 暗埋段標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

2 荷載計(jì)算

2.1 恒載

1)覆土壓力：淺埋式閉合框架結(jié)構(gòu)，由于是淺埋，不考慮土層自身承載能力，覆土壓力考慮結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)頂板以上各土層范圍內(nèi)所有材料自重，除以頂板面積即可得到覆土壓力。

式中：γi為第i層材料重度，hi為第i層材料厚度。

2)結(jié)構(gòu)自重：結(jié)構(gòu)自重為結(jié)構(gòu)材料重度乘以結(jié)構(gòu)體積，淺埋式矩形閉合框架結(jié)構(gòu)一般為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其材料重度一般取值為25kN/m2。

3)水、土壓力：水壓力包括底板和側(cè)墻受水壓力。土壓力為土層對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)墻產(chǎn)生的壓力。對(duì)于底板水壓力，即為水浮力；對(duì)于側(cè)墻水、土壓力，計(jì)算方式包含水土合算和水土分算兩種方式，計(jì)算水壓力公式表示如下：

qw=γwhw(kN/m2)

式中：γw為水重度，hw為地下水面至結(jié)構(gòu)計(jì)算位置的距離。

計(jì)算土壓力公式表示如下：

式中φ為結(jié)構(gòu)埋置土層的內(nèi)摩擦角，γi為第i層材料浮重度。

(4)頂板承受特殊荷載：包括隧道內(nèi)吊頂裝飾等荷載，根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算即可。

2.2 活載

1)地面超載；指地面汽車荷載作用于結(jié)構(gòu)頂板的荷載，由于其輪壓數(shù)值大且作用位置的不確定性，考慮不同覆土深度擴(kuò)散范圍不同，精確計(jì)算比較困難，本文頂面活載根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]取最不利值為20kN/m2。

2)側(cè)面活載：即地面超載對(duì)側(cè)墻產(chǎn)生的作用，計(jì)算公式如下：

3)行車荷載：指隧道內(nèi)行駛汽車荷載，由于底板頂面與路面間存在混凝土墊層及路面結(jié)構(gòu)，因此計(jì)算荷載取值同樣參考文獻(xiàn)給定的值，取最不利值為20kN/m2。

3 桿件內(nèi)力計(jì)算方法

3.1 計(jì)算模型

城市地下隧道由于縱向方向尺寸較長(zhǎng)，橫向方向尺寸較短，且結(jié)構(gòu)所受荷載在縱向方向基本不變，符合平面應(yīng)變模型基本假定，因此，淺埋式閉合框架結(jié)構(gòu)可當(dāng)做平面應(yīng)變模型分析，計(jì)算模型可取縱向長(zhǎng)度為單位長(zhǎng)度1m的閉合框架模型，且為方便計(jì)算，桿件均為等截面，不考慮腋角的影響,按圖3所示建立荷載-結(jié)構(gòu)模型。

圖3 簡(jiǎn)化計(jì)算模型

3.2 計(jì)算方法

由3.1節(jié)建立荷載-結(jié)構(gòu)模型，淺埋式閉合框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析采用荷載結(jié)構(gòu)法。該方法將地下結(jié)構(gòu)周邊的土體等對(duì)結(jié)構(gòu)的作用僅為荷載作用，在上述荷載作用下進(jìn)行靜力分析，閉合框架按溫克爾彈性地基上的框架進(jìn)行計(jì)算。

由3.1節(jié)建立模型可知，為方便計(jì)算，未考慮腋角部位截面變化的影響，因此，可對(duì)模型計(jì)算所得內(nèi)力進(jìn)行折減，折減公式如下所示。

圖4 設(shè)計(jì)彎矩計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖5 設(shè)計(jì)剪力計(jì)算簡(jiǎn)圖

式中，Mi為設(shè)計(jì)彎矩，Mp為計(jì)算彎矩，Qp為計(jì)算剪力，b為支座寬度，Qi為設(shè)計(jì)剪力，q為作用在桿件上的均布荷載。

由圖5可知，根據(jù)計(jì)算剪力計(jì)算設(shè)計(jì)剪力，需計(jì)算兩個(gè)位置的設(shè)計(jì)剪力，一為側(cè)墻邊緣位置，二為腋角與頂?shù)装逑嘟晃恢?。其中，?cè)墻邊緣位置設(shè)計(jì)剪力進(jìn)行截面設(shè)計(jì)時(shí)，截面計(jì)算高度取值為h+S/3，且不得超過h1，如圖6所示。

圖6 支托框架結(jié)構(gòu)

4 閉合框架結(jié)構(gòu)實(shí)例分析

本節(jié)將采用通用有限元分析軟件，對(duì)一實(shí)際下穿隧道閉合框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并根據(jù)得到的內(nèi)力結(jié)果進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。計(jì)算模型相關(guān)參數(shù)見表1所示。

表1 參數(shù)表

1)建立模型。采用梁?jiǎn)卧㈤]合框架模型，側(cè)墻、底板與土體的接觸模型采用僅受壓土彈簧模擬。對(duì)于結(jié)構(gòu)底板彈簧剛度大小取所在土層垂直基床系數(shù)，側(cè)墻彈簧剛度大小取所在土層水平基床系數(shù)加權(quán)平均。因此，根據(jù)地勘報(bào)告可知，底板土彈簧剛度取20MPa/m，側(cè)墻土彈簧剛度20MPa/m。

2)讀取內(nèi)力計(jì)算結(jié)果并配筋設(shè)計(jì)。根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果，并進(jìn)行包絡(luò)組合設(shè)計(jì)，分別讀入承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下桿件剪力、彎矩包絡(luò)圖。

表2 抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算表

3)根據(jù)內(nèi)力包絡(luò)圖，結(jié)合4.2節(jié)進(jìn)行彎矩、剪力折減，按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)[4]相關(guān)內(nèi)容，編制相關(guān)Excel表格，進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果如表3。

表3 結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算表

根據(jù)表2和表3計(jì)算結(jié)果可知，閉合框架結(jié)構(gòu)各板件厚度滿足抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算要求，按折減后設(shè)計(jì)彎矩進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，裂縫寬度均小于0.2mm，滿足規(guī)范要求，可按上述表格結(jié)論進(jìn)行施工圖繪制[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)淺埋式閉合框架結(jié)構(gòu)的分析，介紹了閉合框架結(jié)構(gòu)的實(shí)用分析方法，包括簡(jiǎn)化計(jì)算方法荷載-結(jié)構(gòu)法、作用荷載計(jì)算及構(gòu)件內(nèi)力分析設(shè)計(jì)等，并利用有限元軟件對(duì)一實(shí)際工程實(shí)例進(jìn)行截面配筋設(shè)計(jì)，展示了淺埋式閉合框架結(jié)構(gòu)的實(shí)用設(shè)計(jì)方法，為相關(guān)工程提供借鑒之處。另外，本文方法未充分考慮結(jié)構(gòu)施工過程的復(fù)雜性，因此，若設(shè)計(jì)有需要時(shí)，需結(jié)合施工過程進(jìn)行更詳細(xì)的設(shè)計(jì)。