過水隧洞結(jié)構(gòu)受力分析與配筋設(shè)計(jì)

王 濤， 楊戰(zhàn)營(yíng)， 和穎秋， 張 軍

（1.河北撫寧抽水蓄能有限公司，河北 秦皇島 066300；2.遼寧清原抽水蓄能有限公司，遼寧 撫順 113399）

過水隧洞的混凝土襯砌承擔(dān)著圍巖壓力、灌漿壓力、內(nèi)部輸水壓力和外部地下水壓力等施工期荷載和使用期荷載；合理確定作用在混凝土襯砌上的荷載組合，準(zhǔn)確計(jì)算混凝土襯砌的內(nèi)力，對(duì)保證混凝土襯砌結(jié)構(gòu)使用安全和降低工程成本極其重要。

為研究混凝土襯砌開裂前后圍巖-襯砌混凝土-鋼筋的聯(lián)合作用，李寧等[1]建立了二維非線性有限元數(shù)值仿真分析模型，模擬分析了混凝土襯砌中鋼筋應(yīng)力、襯砌混凝土拉應(yīng)力、襯砌裂縫、裂縫寬度的分布規(guī)律；汪基偉等[2]采用有限單元法數(shù)值模擬量混凝土襯砌的受力特性，計(jì)算結(jié)果表明，隧洞襯砌的內(nèi)力隨襯砌開裂區(qū)域增加而減小；何敏等[3]在剖析現(xiàn)有計(jì)算方法基本假定的基礎(chǔ)上，建立了一套數(shù)值模擬方法，模擬鋼筋與混凝土相互作用及跨縫處作用機(jī)制，研究混凝土鋼筋應(yīng)力及裂縫寬度問題。在進(jìn)行隧洞混凝土襯砌設(shè)計(jì)前，必須進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘探，為設(shè)計(jì)計(jì)算提供準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，包括隧洞圍巖分類、彈性模量、密度、滲透系數(shù)、地下水位、外水壓力折減系數(shù)、斷層破碎帶等。本文采用有限元方法，模擬混凝土襯砌中的內(nèi)力分布特性，研究灌漿壓力和地下水壓力對(duì)混凝土襯砌內(nèi)力分布的影響，基于數(shù)值模擬的混凝土襯砌內(nèi)力分布，完成襯砌截面配筋設(shè)計(jì)并且驗(yàn)算混凝土襯砌的裂縫寬度。

1 隧洞混凝土襯砌內(nèi)力計(jì)算

某過水隧洞寬4.4 m，直墻高3 m，上部為半圓拱，總高度5.2 m；初步擬定采用C30 混凝土，襯砌厚度400 mm?；炷量箟簭?qiáng)度設(shè)計(jì)值為14.3 MPa；隧洞環(huán)向布置的主筋采用HRB335 鋼筋，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值300 MPa。

在有限元計(jì)算模型中，隧洞周圍巖石單元為二維實(shí)體單元，即PLANE82 單元，選擇平面應(yīng)變類型。隧洞混凝土襯砌為梁?jiǎn)卧狟EAM188；由于該單元為三維梁?jiǎn)卧?，因此施加約束時(shí)，需要在梁?jiǎn)卧鲜┘覼方向位移約束，隧洞頂部施加垂直圍壓，兩側(cè)施加水平圍壓，底部為X和Y方向位移約束。見圖1和表1。

圖1 有限元計(jì)算模型

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

為使混凝土襯砌周圍的單元僅僅傳遞垂直和水平圍壓荷載，而基本不與襯砌分擔(dān)圍壓荷載，隧洞底板以上圍巖的彈性模量取值比襯砌小多個(gè)數(shù)量級(jí)，例如1 MPa。為了比較準(zhǔn)確模擬隧洞底板以下圍巖對(duì)襯砌底板的反作用力，底板以下圍巖的彈性模量取實(shí)際勘探值；另外，也可以取消底板以下圍巖，替代的是維克爾彈性地基梁模型；圍巖的彈性抗力系數(shù)根據(jù)地質(zhì)報(bào)告確定。除此之外，隧洞混凝土襯砌還承受灌漿壓力和地下水壓力，灌漿壓力作用在混凝土襯砌梁?jiǎn)卧?80°圓弧范圍內(nèi)，地下水壓力作用在混凝土襯砌梁?jiǎn)卧姆忾]一圈。

對(duì)II類和III類圍巖，作用在隧洞頂部的垂直荷載與巖石密度、隧洞截面寬度和垂直巖石壓力系數(shù)有關(guān)，與隧洞埋深無關(guān)，圍巖垂直壓力荷載的標(biāo)準(zhǔn)值為[4]

式中：Pvk——圍巖垂直壓力的標(biāo)準(zhǔn)值；

ρ——巖石密度；

g——重力加速度；

B——隧洞寬度；

kv——垂直壓力系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告取0.3。

作用于隧洞的圍巖水平壓力荷載標(biāo)準(zhǔn)值為[4]

式中：Phk——圍巖水平壓力壓力標(biāo)準(zhǔn)值；

H——隧洞高度；

kh——水平壓力系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告取0.05。

作用在混凝土襯砌上的外水壓力標(biāo)準(zhǔn)值為[4]

式中：Pe——外水壓力標(biāo)準(zhǔn)值；

βe——外水壓力折減系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，取0.2；

ρw——水的密度；

He——地下水位線至隧洞中心的作用水頭，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告取55 m。

計(jì)算得到的荷載標(biāo)準(zhǔn)值需要乘以荷載分項(xiàng)系數(shù)（γ=1.2），得到荷載的設(shè)計(jì)值[5]，荷載計(jì)算工況及其組合見表2。

表2 荷載計(jì)算工況及其組合

1）工況1，僅考慮巖石圍壓作用。隧洞襯砌彎矩最大值位于拱頂，為37 kN·m，使得混凝土襯砌內(nèi)側(cè)受拉；次最大彎矩位于襯砌拱肩，為30 kN·m，使得混凝土襯砌外側(cè)受拉。見圖2。

圖2 僅有巖石圍壓作用下隧洞襯砌彎矩分布

2）工況2，圍壓和480 kPa灌漿壓力共同作用。隧洞襯砌拱頂?shù)膹澗貫?9 kN·m，直墻與底板相交處的彎矩為59 kN·m。灌漿壓力作用在混凝土襯砌梁?jiǎn)卧?80°圓弧范圍內(nèi)。見圖3。

圖3 圍壓和480 kPa灌漿壓力共同作用下隧洞襯砌彎矩分布

3）工況3，圍壓和132 kPa 地下水壓力共同作用。地下水壓力作用在混凝土襯砌梁?jiǎn)卧姆忾]一圈，盡管靜水壓力遠(yuǎn)小于灌漿壓力，但其引起的襯砌彎矩較大，最大值已經(jīng)達(dá)到163 kN·m；在襯砌直墻中間位置，也產(chǎn)生了136 kN·m的彎矩。見圖4。

圖4 圍壓和132 kPa地下水壓力共同作用下隧洞襯砌彎矩分布

圍壓和132 kPa 地下水壓力共同作用下，隧洞襯砌最大軸力為467 kN。見圖5。

圖5 圍壓和132 kPa地下水壓力共同作用下隧洞襯砌軸力分布

有限元模擬的襯砌內(nèi)力分布為襯砌截面配筋設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 隧洞混凝土襯砌截面配筋設(shè)計(jì)

對(duì)比3 種工況組合內(nèi)力計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在圍壓和132 kPa 地下水壓力共同作用下隧洞彎矩最大，位置處于直墻與底板相交處；因此，選取該工況進(jìn)行混凝土襯砌截面配筋設(shè)計(jì)。

將隧洞混凝土襯砌簡(jiǎn)化為偏心受壓柱，取偏心距增大系數(shù)為1。根據(jù)有限元計(jì)算的襯砌不同斷面位置彎矩和內(nèi)力數(shù)值，計(jì)算軸向壓力對(duì)截面重心的偏心距

式中：e0——軸向壓力對(duì)截面重心的偏心距；

M——襯砌所承擔(dān)的彎矩設(shè)計(jì)值；

N——襯砌所承擔(dān)的軸力設(shè)計(jì)值。

從圖4 和圖5 可以得到，M=163（kN·m），N=467（kN），則直墻與底板相交拐角處e0=349（mm）＞0.3h0=108（mm），屬于大偏心受壓斷面。

對(duì)于大偏心受壓斷面，假設(shè)受拉區(qū)和受壓區(qū)鋼筋都達(dá)到屈服狀態(tài)，當(dāng)采用對(duì)稱配筋時(shí)，該斷面力和彎矩的平衡方程為[6]

式中：k——安全系數(shù)，取1.35[7]；

b——混凝土襯砌的截面寬度，取1 m；

h——截面高度，取0.4 m；

h0——截面有效高度，h0=h－as=360（mm）；

as——鋼筋中心到襯砌表面的距離，取40 mm；

x——計(jì)算受壓區(qū)高度；

e——軸力作用點(diǎn)到受拉鋼筋中心的距離；

fc——混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，對(duì)于C30 混凝土，fc=14.3（MPa）；

fy——鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，對(duì)于HRB335 鋼筋，fy=300（MPa）。

對(duì)于大偏心受壓處，根據(jù)式（5）～（7）計(jì)算得到x=44（mm），e0=349（mm），e=509（mm），在求出x之后，得到對(duì)稱配筋單側(cè)鋼筋的面積表達(dá)式

選取?20 mm 的HRB335 鋼筋，單根鋼筋面積314 mm2，4根鋼筋的總面積為1 256 mm2；則隧洞直墻與底板相交處混凝土襯砌的單側(cè)配筋率

滿足混凝土結(jié)構(gòu)單側(cè)最小配筋率要求，同時(shí)滿足大于全部縱筋最小配筋率0.60%的要求。

混凝土襯砌除了滿足正截面承載力之外，還必須滿足斜截面承載力要求，剪力平衡表達(dá)式為[8]

式中：K=1.35；

ft——混凝土抗拉強(qiáng)度，C30混凝土ft=1.43（MPa）；

fyv——箍筋抗拉強(qiáng)度；

n——箍筋支數(shù)；

Asv——單肢箍筋的面積。

選取HPB300 鋼筋作為箍筋，fyv=270（MPa），h0=360（mm），則

式中：λ——剪跨比，當(dāng)λ＜1時(shí)，取λ=1；當(dāng)λ＞3時(shí)，λ=3。

剪力最大位置為直墻與底板相交處，與最大彎矩位置一致，最大剪力V=319（kN）。將以上數(shù)據(jù)代入到公式（10），得

因此，混凝土襯砌的箍筋采用構(gòu)造配筋，即取直徑8 mmHPB300鋼筋，箍筋間距300 mm。

隧洞混凝土襯砌除了滿足承載力要求外，還需要滿足裂縫寬度要求。考慮裂縫寬度分布不均勻性及荷載長(zhǎng)期作用影響后，最大裂縫寬度為

式中：ωmax——最大裂縫寬度；

σs—— 襯砌結(jié)構(gòu)正常使用情況受力受拉鋼筋應(yīng)力；

Es——鋼筋的彈性模量；

ψ——裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)，當(dāng)ψ＜0.3時(shí)，取0.3；

lf——平均裂縫間距。

經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)采用4 根直徑20 mmHRB335 鋼筋時(shí)，混凝土襯砌的裂縫最大寬度為0.24 mm，不滿足規(guī)范要求0.20 mm［4］。當(dāng)混凝土襯砌主筋采用5 根直徑20 mmHRB335 鋼筋時(shí)，混凝土襯砌的裂縫最大寬度為0.16 mm，滿足規(guī)范要求［4］。

3 結(jié)果與討論

1）有限元數(shù)值方法為確定混凝土襯砌的內(nèi)力提供了比較準(zhǔn)確的依據(jù)。作用在混凝土襯砌上荷載的組合方式，將會(huì)直接影響到襯砌彎矩最大值，進(jìn)而影響到混凝土襯砌的配筋設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果表明，截面配筋設(shè)計(jì)的控制工況為圍壓和132 kPa地下水壓力共同作用工況。

2）根據(jù)作用在混凝土襯砌上的荷載最不利組合，基于混凝土襯砌極限承載力準(zhǔn)則，確定襯砌環(huán)向鋼筋采用4根直徑20 mmHRB335鋼筋，沿著隧洞縱向的箍筋直徑8 mmHPB300鋼筋，箍筋間距300 mm。

3）混凝土襯砌除了滿足正截面和斜截面極限承載力要求外，還需要驗(yàn)算混凝土襯砌裂縫寬度。計(jì)算結(jié)果表明，只有當(dāng)混凝土襯砌主筋采用5 根直徑20 mmHRB335鋼筋時(shí)，裂縫最大寬度滿足規(guī)范要求?；炷烈r砌裂縫寬度成為確定截面配筋的決定性因素。