隧道衬砌配筋ansys验算毕业设计(4)

c上=2.38kPa 上=23.74o

o c上=2.85kPa 下 21.86

则有：

2 上（45o-23.74/2） 0.42 a tan

2 上（45o 23.74/2） 2.75 p tan

2o 下

a tan(45-21.86/2) 0.46

2 下（45o 21.86/2） 2.2 p tan

根据公式3-1有：

ei上=0.42×150.33－2×2.38×.42=60.054kPa

ei下=0.46×238.4－2×2.85×0.46=128.4213kPa

(2)静水压力与水浮力的计算

qw wh

水位标高取最大值38.166m最不利，则：

上 qw 9.8 9.05 88.65kPa

下 qw 9.8 (9.05 7.2) 159.25kPa

水的浮力在施工阶段可以不考虑。

(3)地面车辆荷载及其冲击力

设计资料给出地面超载为20kPa，故竖向荷载：

poz 20kPa

水平力根据公式3-4有：

上 λ上 poxapoz 0.4724 20 8.4kPa

下 pox λ下

apoz 0.4285 20 9.2kPa

(4)地震荷载计算

①结构的水平惯性力

该隧道结构可简化为马蹄形衬砌，其均布的水平惯性力可根据式3-5计算。本隧道地基为非岩石地基故式中综合影响系数 c=0.25；又隧道处于7度地震区Kh=0.1。

F11=0.25×0.1×108.5×9.8/8.5=3.12 kPa

F12=0.25×0.1×45.74×9.8/0.995=11.26 kPa

②洞顶上方土柱的水平惯性力

由式3-6得：

F2=0.25×0.1×150.33=3.758kPa

③主动侧向土压力的增量

该隧道为7度地震区故 3o，则根据式3-7有：

e1 (0.45-0.42) 150.33 4.5099kPa

e2 (0.46-0.45) 150.33 15.033kPa

结构另一侧的主动侧向土压力增量则可按上述值反对称布置。

3.4.3 荷载效应组合

结构的计算荷载应根据永久荷载、可变荷载和偶然荷载这三类荷载同时存在的可能性进行最不利组合进行计算，由于拟建场地处于地震基本烈度7度区内，故而结构荷载仍然需考虑偶然荷载组合，即三种荷载都要考虑。

(1)地下结构荷载组合

标准荷载组合=永久荷载×荷载分项系数+可变荷载×荷载分项系数

基本荷载组合=永久荷载×荷载分项系数+可变荷载×荷载分项系数

偶然荷载组合=永久荷载×荷载分项系数+偶然荷载×荷载分项系数

(2)荷载组合分项系数

表3-2 荷载组合分项系数

分项系数

荷载类型 荷载名称 人防偶然组基本组合构构件抗抗震偶然组合合构件强度件强度计算 裂验算 构件强度验算 验算

1.35

1.35

1.35

1.35

1.4

1.4

1.4

1.4

1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.2 1.2 1.2 1.2 1.0 1.2 1.2 1.2 1.2 1.0 永 久 荷 载 结构自重 地层压力 结构上部和受影响范围内的设施及建筑物压力 水压力及浮力 地面车辆荷载及其冲击力 基本可 可变地面车辆荷载引起的侧向土压变 荷载 力 荷 其它温度变化影响力 载 可变施工荷载 荷载 偶然荷载 8度地震荷载

5级人防荷载

(3)按表3-2所示组合，则有

①基本荷载组合

上部竖向荷载：q=(150.33+88.65) ×1.35+1.4×(20+4)=356.23kPa

上部水平荷载：e1=(60.05+88.65) ×1.35+1.4×8.4=208.03 kPa

下部水平荷载：e2=(105.798+159.25) ×1.35+9.2×1.4=370.69 kPa

其中水平荷载为梯形均布荷载。

②标准荷载组合（构件抗裂验算）

上部竖向荷载：q=150.33+88.65+20+4=262.58kPa

上部水平荷载：e1=60.054+88.65+8.4=157.104 kPa

下部水平荷载：e2=105.25+159.25+9.2=274.248 kPa

其中横向荷载为梯形均布荷载。

③偶然组合

上部竖向荷载：q=(150.33+88.65) ×1.2=286.78 kPa

上部水平荷载：e1=(60.054+88.65) ×1.2+8.02=156.724 kPa

下部水平荷载：e2=(105.798+159.25) ×1.2+2.67=320.728 kPa

主体结构的均布水平惯性力：

F11/2=1.56kPa；F12/2=5.63kPa，为矩形均布荷载；

洞顶上方土柱水平惯性力：

F2=3.758kPa，为集中力；

主动侧向土压力的增量：

△e1/2=2.25495kPa;梯形均布荷载；

△e2/2=7.5165kPa;梯形均布荷载

3.5 衬砌内力计算

3.5.1 建立模型

该地铁隧道所处的Ⅴ级围岩中，二次衬砌作为主要承载结构设计，建模时应用荷载—结构模型，并用ANSYS软件进行模拟，单元类型为二维梁单元，梁高按二次衬砌实际的厚度考虑，梁单元宽度为单位宽度。围岩抗力采用弹簧单元模拟，弹簧施加的范围及数量应该根据试算中结构的变形情况进行不断地调整和更新及优化，围岩弹性抗力系数K按照规范选值，仅当结构产生了方向指向围岩方向的位移时才添加弹簧单元。

计算时参照表3-3，在这里取Ⅴ级围岩弹性抗力系数为100MPa/m，取C30钢筋混凝土的弹性模量E=31.0GPa，泊松比u=0.2，重度r=25kN/m3对结构进行建模计算。在此基础上对此区间隧道标准断面5-5进行模型的建立及求解。

表3-3 各地层地质物理力学指标

围岩级别

弹性抗力系数K

（MPa/m） Ⅲ 500~1200 Ⅳ 200~500 Ⅴ 100~200 Ⅵ ＜100

3.5.2 加载及求解

在ANSYS中，按照基本组合、标准组合与偶然组合分别进行加载及求解计算。

3.5.3 结果输出

在ANSYS中，根据变形图对所加弹簧进行反复修改，直至所有的弹簧都处于受压状态。基本组合、标准组合和偶然组合相关截图如下图3-2~3-10：

图3-2 基本组合模型图

3-3基本组合轴力图（N）

图3-4 基本组合弯矩图（N﹒m）

图3-5标准组合模型图

图3-6标准组合轴力图（N）

图3-7标准组合弯矩图（N﹒m）

图3-8偶然组合模型图