潘世強(qiáng),李貽偉
(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,重慶400074)
隨著我國交通事業(yè)的迅猛發(fā)展,公路隧道的建設(shè)規(guī)模也日益壯大。在公路建設(shè)過程中,不可避免的會(huì)遇到沿河傍山地貌。傳統(tǒng)觀念上的公路建設(shè)主要是以開挖路塹為主,但是在沿河傍山地帶,這將不可避免的將出現(xiàn)高大切坡。路塹邊坡不僅經(jīng)常發(fā)生危巖、落石等地質(zhì)災(zāi)害,而且由于邊坡的開挖破壞了原有的自然植被和穩(wěn)定的自然地質(zhì)體。在公路工程和公路隧道建設(shè)中提倡環(huán)保概念,對子孫后代賴以生存的環(huán)境加以保護(hù)是公路建設(shè)者義不容辭的責(zé)任和義務(wù),中國公路建設(shè)也應(yīng)順應(yīng)當(dāng)前的世界潮流,將環(huán)境保護(hù)的思想貫穿于公路建設(shè)的設(shè)計(jì)、施工與維護(hù)的全過程。為此以蔣樹屏、黃倫海、胡學(xué)兵等為主的重慶交通科研設(shè)計(jì)院提出了半拱斜柱棚洞結(jié)構(gòu),并成功的運(yùn)用于南京老山棚洞中,取得了良好的環(huán)保結(jié)果。其次蔣樹屏、黃倫海,劉元雪等對棚洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了平面分析;趙樹良對棚洞結(jié)構(gòu)做過三維分析[1-3]。但是由于棚洞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,這些是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,特別是對棚洞結(jié)構(gòu)的三維分析尚需繼續(xù)深入研究。本文對學(xué)堂灣2號(hào)棚洞展開三維數(shù)值模擬計(jì)算,并對其襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)的安全性分析[4-6]。
學(xué)堂灣2號(hào)棚洞位于滬蓉國道主干線支線分水嶺—忠縣高速公路上,為雙幅棚洞,起止樁號(hào)為K18+600~K18+760,設(shè)計(jì)長度160 m。棚洞縱向上的斜腿以及立柱的間距為12 m,見圖1。棚洞內(nèi)側(cè)的邊坡按照臨時(shí)邊坡進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)坡率1∶0.65,邊坡采用錨噴網(wǎng)防護(hù),錨桿采用3.5 m長Φ22普通砂漿錨桿,間距1.5 m×1.5 m,噴射混凝土采用8 cm厚C20噴射混凝土,內(nèi)設(shè)Φ8鋼筋網(wǎng)。為增加運(yùn)營的舒適性且最大限度的恢復(fù)環(huán)境,對棚洞洞頂進(jìn)行植 草綠化,恢復(fù)地表植被[7]。
圖1 棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(單位:cm)Fig.1 Design of shed-tunnel structure
為對棚洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性分析,同時(shí)為指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工服務(wù),現(xiàn)采用大型通用有限元軟件ANSYS建立棚洞結(jié)構(gòu)的三維彈性有限元模型(圖2)。
圖2 棚洞有限元模型Fig.2 FEM model of shed-tunnel
建模時(shí),立柱、斜腿,曲墻擴(kuò)大基礎(chǔ),基礎(chǔ)聯(lián)系梁及托梁均采用beam 188單元,材料為C35混凝土;襯砌結(jié)構(gòu)采用shell 63單元,材料為C35混凝土;為加快計(jì)算速度,漿砌石及回填黏土均采用線彈性solid 45單元,材料參數(shù)見表1。
表1 材料物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of materil
邊界條件:棚洞縱向上選取長度為5×12 m,并對縱向上的前后兩個(gè)端面進(jìn)行法向約束(uz=0);棚洞底面取至棚洞立柱與斜腿的最底面,并對立柱和斜腿下端進(jìn)行固定約束(ux=uy=uz=0,Фx=Фy=Фz=0);對于曲墻基礎(chǔ)則約束其法向位移和水平位移(ux=uy=0);在回填土以及漿砌石與開挖邊坡的接觸面設(shè)置法向地層彈簧單元combin 14,地層彈簧每平方米設(shè)置1個(gè),彈簧彈性常數(shù)K=100 MN/m。
對于鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件,其襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)需按照J(rèn)TG D70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄K中的有關(guān)規(guī)定計(jì)算,具體公式如下:
當(dāng)x≤0.55h0時(shí),為大偏心受壓情況,安全系數(shù)由式(1)計(jì)算:
此時(shí),中性軸的位置由式(2)給出:
當(dāng)軸向力N作用于鋼筋A(yù)g和A′g的重心之間時(shí),式(2)左邊第二項(xiàng)取正號(hào);當(dāng)N作用于Ag和A′g的重心以外時(shí),則取負(fù)號(hào)。
為保證受壓區(qū)鋼筋達(dá)到屈服,混凝土受壓區(qū)高度應(yīng)符合x≥2a′,如不符合,則按式(3)計(jì)算:
當(dāng)x>0.55h0時(shí),為小偏心受壓情況,安全系數(shù)按式(4)計(jì)算:
當(dāng)軸向力N作用于鋼筋A(yù)g和A′g的重心之間,同時(shí)也應(yīng)符合式(5)計(jì)算的安全系數(shù):
各式中:a,a′為自鋼筋A(yù)g或A′g的重心分別至截面最近邊緣的距離,m;e為軸向力作用點(diǎn)至受拉鋼筋A(yù)s合力點(diǎn)之間的距離,m,e=ηe0+h/2-a(e0為初始偏心距,m,e0=M/N);e′為軸向力作用點(diǎn)至受壓鋼筋A(yù)′s合力點(diǎn)之間的距離,m,e′= ηe0-h(huán)/2+a(η為偏心距影響系數(shù)),對于隧道襯砌、明洞拱圈和墻被緊密回填的明洞,以及當(dāng)構(gòu)件高度與彎矩作用平面內(nèi)的截面邊長之比H/h≤8 h,H為截面高度,m;可取η=1;Rg為鋼筋的抗拉或抗壓計(jì)算強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,Pa;h0為截面的有效高度,m,h0=ha;Ra為混凝土軸向抗壓極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,Pa;Rw為混凝土彎曲抗壓極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,Pa;Ag,A′g為受拉和受壓區(qū)鋼筋的截面面積,m2;x為受壓區(qū)計(jì)算高度,m。
從襯砌內(nèi)力云圖上可以看出,襯砌結(jié)構(gòu)的最大軸力出現(xiàn)在邊墻墻腳區(qū)域,其大小為1 110 kN/m;襯砌結(jié)構(gòu)的最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在曲墻區(qū)域(不計(jì)柱頂處負(fù)彎矩),其分布大小隨上覆回填土的施工有擴(kuò)大趨勢,其最大值為255(kN·m)/m;最大正彎矩出現(xiàn)在左頂板中央位置,其大小為269(kN·m)/m,同時(shí),右頂板中央位置也出現(xiàn)較大的正彎矩,見圖3。
圖3 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力Fig.3 Internal force of lining structure
為對該襯砌進(jìn)行安全性評價(jià),現(xiàn)選取該模型兩個(gè)典型斷面的襯砌單元進(jìn)行分析,分別為z=-24 m處斷面和z=-30 m處斷面。z=-24 m處斷面下部有立柱和斜腿的支撐,標(biāo)記為A—A斷面;z=-30 m處斷面位于第三跨的中央,標(biāo)記為B—B斷面。
計(jì)算所需基本參量如下:
JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的鋼筋混凝土構(gòu)件的最小抗壓安全系數(shù)為2.0。計(jì)算結(jié)果表明:
1)該襯砌結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)出現(xiàn)在-24 m斷面處的左頂板與曲墻連接處,其值為3.93,已經(jīng)滿足《規(guī)范》[8]規(guī)定的安全系數(shù)。
2)此外,左、右頂板的中央段,曲墻的中央段,也出現(xiàn)較小的安全系數(shù),設(shè)計(jì)人員和施工人員對這些截面需多加注意。
3)A-A斷面襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)略小于BB斷面的安全系數(shù),這主要與A-A斷面軸力值偏低所致。襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)見圖4。
圖4 襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)Fig.4 Safety coefficients of lining structure
1)在路線困難地段、沿河岸溝谷地 、路線傍山布置地段,構(gòu)造物應(yīng)順應(yīng)地形,提倡設(shè)置棚洞、半隧道,可以達(dá)到保護(hù)邊坡和自然環(huán)境的目的[1]。
2)通過對依托工程結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬并進(jìn)行了襯砌結(jié)構(gòu)的安全性分析。數(shù)值分析表明:棚洞襯砌結(jié)構(gòu)的最大軸力出現(xiàn)在靠山側(cè)邊墻墻腳位置,最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在曲墻中央?yún)^(qū)域,最大正彎矩出現(xiàn)在左頂板中央?yún)^(qū)域,襯砌結(jié)構(gòu)在安全性上能滿足相關(guān)技術(shù)《規(guī)范》的要求。
3)在棚洞頂部植草綠化,可與周圍自然環(huán)境相互協(xié)調(diào),達(dá)到環(huán)保的要求。
4)半開敞半封閉型棚洞結(jié)構(gòu)既能防范落石對公路運(yùn)營的安全隱患,又可減少了隧道運(yùn)營時(shí)通風(fēng)和照明的成本。
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