市政隧道框架箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

王一鳴 王浩璇

摘要：航興路隧道主線封閉段采用雙孔矩形鋼筋混凝土整體箱涵結(jié)構(gòu).箱涵按覆土2m和4m設(shè)計為兩種結(jié)構(gòu)尺寸形式.頂、底板結(jié)構(gòu)隨覆土厚度增加而增厚，頂、底板厚度最大，側(cè)墻次之，中墻最小.不同覆土厚度的結(jié)構(gòu)鋼筋布置相似，隨覆土厚度增加，主要受力鋼筋直徑增大，頂板與底板鋼筋對稱布置.箱涵采用支承在彈性地基上的框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計算分析.計算表明，結(jié)構(gòu)彎矩和剪力最大值位于底板與中墻相交處，正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力和裂縫寬度滿足規(guī)范要求.

關(guān)鍵詞：框架箱涵;覆土厚度;結(jié)構(gòu)設(shè)計;配筋驗算

中圖分類號：TU997? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）06-0100-03

城市快速路與其他道路相交處，除采用立交橋方案外，下穿隧道也是常見的設(shè)計形式.由于箱涵整體性好、受力分布合理，下穿隧道多采用箱涵結(jié)構(gòu).學(xué)者對不同地質(zhì)條件下箱涵結(jié)構(gòu)施工技術(shù)[1]和施工中受力特性[2]進(jìn)行了較多的研究.在箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，學(xué)者探討了車輛荷載的取用[3]，研究了有限元和彈性應(yīng)力配筋法在箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[4].上述實體有限元模型的實際應(yīng)用較為復(fù)雜，而基于結(jié)構(gòu)力學(xué)法的框架結(jié)構(gòu)計算模型，由于計算分析簡便和計算結(jié)果可靠，在工程設(shè)計中應(yīng)用廣泛.以航興路隧道工程為依托，采用有限元分析軟件midas，對雙孔箱涵結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，對配筋設(shè)計驗算進(jìn)行探討.

1 工程概況

濱河西路（四港聯(lián)動大道南～林灣北路）位于鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合實驗區(qū)中部，南水北調(diào)工程西側(cè)，規(guī)劃為南北向城市快速路，主線計算行車速度60km/h，項目全長26177米.濱河西路與沿線17條跨南水北調(diào)主干路相交處，采用濱河西路下穿的分離式交叉形式，沿線共設(shè)置下穿隧道12座.

航興路隧道是濱河西路從南向北的第二座下穿隧道，為下穿航興路而設(shè).依據(jù)地質(zhì)勘查報告，擬建場地最上層為人工堆積雜填土，層底平均埋深1.2m;往下為粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂、細(xì)砂，層底平均埋深20.6m;之下均為粉質(zhì)黏土.隧道抗浮設(shè)計水位標(biāo)高按現(xiàn)自然地面下1.5m考慮，即123.5m.建筑場地類別為Ⅱ類，屬對建筑抗震一般地段地段.

隧道全長681m，其中主線隧道封閉段長240m，南側(cè)引坡敞口段長210m，北側(cè)引坡敞口段長231m.隧道標(biāo)準(zhǔn)段為雙向六車道布置，采用雙孔矩形鋼筋混凝土整體箱涵結(jié)構(gòu)，單孔凈寬為13.75m.隧道設(shè)計凈空5米，單孔橫斷面布置為[5]：0.25m（余寬）+0.75m（檢修通道，含0.25m安全帶）+0.5m（路緣帶）+11.25m（機(jī)動車道）+0.5m（路緣帶）+0.25m（安全帶）+0.25m（余寬）.隧道標(biāo)準(zhǔn)段斷面布置見圖1.

2 箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計

本隧封閉段采用鋼筋混凝土矩形框架箱涵結(jié)構(gòu)，頂板最小覆土厚度0.5m，最大覆土厚土3.6m.以覆土厚度2m為界設(shè)計為兩種結(jié)構(gòu)尺寸形式，最大覆土厚度按4m計算.為適應(yīng)地基變形，減小不均勻沉降和混凝土收縮裂縫，封閉段縱向以30m為一節(jié)段，節(jié)段之間設(shè)2cm寬變形縫.主隧道封閉段中隔墻厚度1.0m，頂、底板和側(cè)墻厚度隨埋深變化而變化，其中頂板厚度變化范圍1.1m～1.2m，底板厚度變化范圍1.1m～1.2m，側(cè)墻厚度1.1m.兩種結(jié)構(gòu)尺寸形式見表1.

主體結(jié)構(gòu)采用C40混凝土.隧道結(jié)構(gòu)自重可抵抗抗浮設(shè)計水位產(chǎn)生的浮力.覆土4m封閉段結(jié)構(gòu)斷面見圖2.

隧道底板下設(shè)8cm厚C20細(xì)石混凝土保護(hù)層和20cm厚C20混凝土墊層，各邊寬出20cm.

結(jié)構(gòu)配置采用HPB300級和HRB400級鋼筋，擬定鋼筋布置見表2.受力主筋迎水面保護(hù)層厚度50mm，背水面保護(hù)層厚度40mm，構(gòu)造鋼筋保護(hù)層厚度25mm.主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用時間100年[6].

不同覆土厚度時，結(jié)構(gòu)鋼筋布置相似，隨覆土厚度增加，主要受力鋼筋直徑增大.頂板與底板鋼筋布置相對稱.覆土厚度4m時，頂板中墻處配筋“2排28、1排25;1排28”表示：中墻處頂板上方采用2排直徑28mm和1排直徑25mm的HRB400鋼筋，中墻處頂板下方采用1排直徑28mm的HRB400鋼筋.側(cè)墻外側(cè)（近土側(cè)）配筋多于內(nèi)側(cè)（近凈空側(cè)），中墻左右兩側(cè)鋼筋布置相同.覆土4m封閉段結(jié)構(gòu)鋼筋布置見圖3.

3 箱涵結(jié)構(gòu)計算模型及荷載

隧道箱涵采用支承在彈性地基上的框架結(jié)構(gòu)模型，水土分算，采用有限元分析軟件midas進(jìn)行二維計算分析.計算模型見圖4.

鋼筋混凝土容重取25kN/m3，結(jié)構(gòu)自重在計算過程中由程序自動計算.頂板覆土壓力根據(jù)覆土厚度計算均布土壓力.覆土2m厚時為40kN/m，覆土4m厚時為80kN/m.側(cè)墻均布土壓力為梯形分布的土壓力，數(shù)值為不同深度的豎向自重土壓力乘以側(cè)壓力系數(shù)0.5.隧道內(nèi)鋪裝厚度70cm，鋪裝層自重為18kN/m.

汽車荷載按照城市-A級計算，分別模擬隧道內(nèi)的汽車荷載及隧道頂面的汽車荷載，隧道內(nèi)每孔布置3列車.地面堆載20kPa，轉(zhuǎn)化為左右側(cè)墻的活載土壓力為10kN/m.

計算考慮10年的混凝土收縮徐變.數(shù)值模擬劃分兩個施工階段，施工階段一是立模板、綁扎鋼筋、現(xiàn)澆混凝土，施工階段二是收縮徐變分析.

4 箱涵結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果分析

4.1 持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗算

4.1.1 正截面抗彎承載力驗算

覆土4m箱涵框架正截面抗彎承載力驗算結(jié)果見圖5.圖中最外側(cè)矩形框為結(jié)構(gòu)能承受的最大彎矩，內(nèi)側(cè)曲線為箱涵結(jié)構(gòu)實際承受的彎矩.結(jié)構(gòu)最大彎矩值3202kN·m，位于底板與中墻相交處，此處最大承載力5871kN·m，箱涵結(jié)構(gòu)正截面抗彎承載力均滿足規(guī)范要求[7].依同樣方法驗算可得，覆土2m箱涵結(jié)構(gòu)正截面抗彎承載力也滿足規(guī)范要求.

4.1.2 斜截面抗剪承載力驗算

覆土4m箱涵框架斜截面抗剪承載力驗算結(jié)果見圖6.圖中最外側(cè)矩形框為結(jié)構(gòu)能承受的最大剪力，內(nèi)側(cè)斜線為箱涵結(jié)構(gòu)實際承受的剪力.結(jié)構(gòu)最大剪力值1205kN，位于底板與中墻相交處，此處最大抗剪承載力1521kN，箱涵結(jié)構(gòu)斜截面抗剪承載力均滿足規(guī)范要求[7].依據(jù)同樣方法驗算可得，覆土2m箱涵結(jié)構(gòu)正截面抗彎承載力也滿足規(guī)范要求.

4.2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗算

持久狀況正常使用極限狀態(tài)主要進(jìn)行裂縫寬度驗算，覆土4m裂縫寬度驗算結(jié)果見圖7.圖中最上方水平線表示裂縫寬度限值0.2mm，下方曲線表示箱涵結(jié)構(gòu)各單元裂縫計算寬度.箱涵結(jié)構(gòu)計算裂縫寬度最大值0.143mm，小于0.2mm的限值，裂縫寬度滿足限值要求.依據(jù)同樣的方法驗算可得，覆土2m箱涵結(jié)構(gòu)裂縫寬度也滿足不超過0.2mm的要求.

5 結(jié)語

航興路隧道主線封閉段采用鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)，采用有限元分析軟件midas，驗算了該結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性：

（1）根據(jù)隧道頂板覆土厚度不同，將主體箱涵結(jié)構(gòu)按覆土2m和覆土4m分別設(shè)計.頂、底板結(jié)構(gòu)隨覆土厚度增加而增厚，頂、底板厚度最大，側(cè)墻次之，中墻最小.

（2）不同覆土厚度時，結(jié)構(gòu)鋼筋布置相似，隨覆土厚度增加，主要受力鋼筋直徑增大.頂板與底板鋼筋布置相對稱.

（3）箱涵采用支承在彈性地基上的框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計算分析.結(jié)構(gòu)彎矩和剪力最大值位于底板與中墻相交處.箱涵結(jié)構(gòu)正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力和裂縫寬度均滿足規(guī)范要求.

參考文獻(xiàn)：

〔1〕李鵬.軟土地基中市政箱式隧道施工技術(shù)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015，（6）：129.

〔2〕郭瑞，馮忠居.公路特長箱涵結(jié)構(gòu)受力特性及施工方案分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，43（1）：340-348.

〔3〕陳宜健.箱涵設(shè)計中的車輛荷載計算探討[J].城市道橋與防洪，2018（12）：87-88.

〔4〕王志海，王志剛.有限元和彈性應(yīng)力配筋法在箱涵設(shè)計中的應(yīng)用[J].人民長江，2017，48（增刊1）：181-183.

〔5〕鄭州市市政工程勘測設(shè)計研究院.鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合實驗區(qū)濱河西路快速化工程（四港聯(lián)動大道南～林灣北路）施工圖設(shè)計（送審稿）—航興路隧道（隧道主體結(jié)構(gòu)）[Z]，2016.1.

〔6〕中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).CJJ221-2015城市地下道路工程設(shè)計規(guī)范[S].中國建筑工業(yè)出版社，2015.5-7.

〔7〕中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTG3362-2018公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].人民交通出版社股份有限公司，2018.26-35.