覆土回填時明洞襯砌在荷載結(jié)構(gòu)模式下內(nèi)力特征分析

陸澤西

（核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610042 ）

0 引言

隨著我國交通事業(yè)的不斷發(fā)展，為了節(jié)約資源，有效利用土地，明洞襯砌結(jié)構(gòu)越來越多。同時為了更好的利用明洞上方的空間，明洞襯砌的覆土厚度也越來越大。當(dāng)明洞上方填土較高時，即使對明洞斷面進行整體優(yōu)化，依舊不可避免地會對明洞襯砌內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)力。如果一味增加襯砌厚度，既造成大量圬工浪費，又會因為大體積混凝土水化熱無法有效消除而產(chǎn)生較大溫度裂縫，導(dǎo)致明洞襯砌耐久性無法得到保障。

大量結(jié)構(gòu)工程表明：采用中空鋼筋混凝土的承壓構(gòu)件比普通鋼筋混凝土承壓構(gòu)件約可節(jié)約混凝土50%，減輕結(jié)構(gòu)自重50%左右，中空鋼筋混凝土具有良好的經(jīng)濟效果。在合理設(shè)計的情況下，采用相同的混凝土截面尺寸，中空混凝土的承載力一般不低于相應(yīng)實心鋼筋混凝土的承載力，且可具有和實心鋼筋混凝土類似的力學(xué)性能。

本文利用ANSYS10.0 有限元分析程序，對不同孔徑開孔襯砌明洞結(jié)構(gòu)進行分析，對比分析空心型式襯砌內(nèi)力的優(yōu)劣性。

1 有限元分析

1.1 幾何模型

本次計算采用荷載—結(jié)構(gòu)模式進行計算。為更好的分析大小空心開孔模式下的應(yīng)力情況，縱向?qū)挾冉?m，并采用地基彈簧模擬地基土等抗力作用，所建的模型如圖2-1～圖2-4 所示。

圖2-1 實心襯砌模型圖

圖2-2 20cm 孔徑襯砌模型圖

圖2-3 1/6h 孔徑襯砌模型圖

圖3-4 50cm 孔徑襯砌模型圖

混凝土參數(shù)及圍巖彈性反力系數(shù)均依照公路隧道規(guī)范選取。圍巖彈性反力系數(shù)按Ⅴ級圍巖取200MPa/m，明洞襯砌采用C35 混凝土，見表2-1

表2-1 混凝土參數(shù)

上述計算模型在豎直（Y）方向不進行約束，在明洞上方施加豎直方向荷載及襯砌底部進行豎向彈簧限制；對于襯砌前后（Z 方向）進行相應(yīng)約束，而對襯砌左右兩側(cè)（X 方向）施加相應(yīng)計算出的水平節(jié)點荷載。

為能更明確的對明洞襯砌內(nèi)力進行分析，在此采用“荷載——結(jié)構(gòu)”模式對明洞受力進行數(shù)值分析，荷載采用公路規(guī)范明洞荷載計算方法計算得出。本次分析明洞上方荷載實際覆土高度取為30m，明洞地表為水平覆土。

1.2 計算結(jié)果及分析

1.2.1 1.8m 襯砌

圖2-5 實心襯砌σ1應(yīng)力（Pa）

圖2-6 20cm 孔徑襯砌σ1 應(yīng)力（Pa）

圖2-7 1/6h 孔徑襯砌σ1 應(yīng)力（Pa）

圖2-8 50cm 孔徑襯砌σ1 應(yīng)力（Pa）

1.2.2 2.0m 襯砌

圖2-9 實心襯砌σ1 應(yīng)力（Pa）

圖2-10 20cm 孔徑襯砌σ1 應(yīng)力（Pa）

圖2-11 1/6h 孔徑襯砌σ1 應(yīng)力（Pa）

圖2-12 50cm 孔徑襯砌σ1 應(yīng)力（Pa）

表2-2 上覆土荷載下不同孔徑的最大主應(yīng)力

對于1.8m 厚襯砌不同開孔條件下第一主應(yīng)力（σ1）分析得知，各工況最大主應(yīng)力主要出現(xiàn)在拱頂內(nèi)側(cè)、拱腳外側(cè)、仰拱內(nèi)側(cè)。50cm 開孔襯砌最大拉應(yīng)力為3.13MPa，大于C35 混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值2.45MPa，會出現(xiàn)裂縫。

對于2.0m 厚襯砌不同開孔條件下第一主應(yīng)力（σ1）分析得知，各工況最大主應(yīng)力主要出現(xiàn)在拱頂內(nèi)側(cè)、拱腳外側(cè)、仰拱內(nèi)側(cè)。50cm 開孔襯砌最大拉應(yīng)力為3.03MPa，大于C35 混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值2.45MPa，會出現(xiàn)裂縫。

襯砌開孔后，拱頂孔洞洞周發(fā)生應(yīng)力集中，拱頂孔洞洞周第一主應(yīng)力增加。此外，隨著孔徑的增加，拱頂內(nèi)側(cè)、拱腳外側(cè)、仰拱內(nèi)側(cè)的第一主應(yīng)力也在增加，特別當(dāng)孔徑增加到50cm 時，拱腰和拱腳外側(cè)主應(yīng)力達到了3MPa，達到了混凝土極限抗拉強度，會產(chǎn)生裂縫。

2 結(jié)論

1 各開孔襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力主要出現(xiàn)在拱頂內(nèi)側(cè)、拱腳外側(cè)、仰拱內(nèi)側(cè)。在回填土階段應(yīng)注意觀察這些部位裂縫發(fā)展。

2 隨著孔徑的增加，拱頂內(nèi)側(cè)、拱腳外側(cè)、仰拱內(nèi)側(cè)的第一主應(yīng)力也在增加，特別當(dāng)孔徑增加到50cm 時，拱腰和拱腳外側(cè)主應(yīng)力達到了3MPa，達到了混凝土極限抗拉強度，會產(chǎn)生裂縫。且隨著襯砌孔徑的增加，襯砌內(nèi)部應(yīng)力也在相互協(xié)調(diào)“轉(zhuǎn)移分散”，混凝土最大主應(yīng)力逐漸向拱腰處孔洞附近擴散。

3 對于不同襯砌厚度，相同孔徑下其最大主應(yīng)力基本相同，差異在5%以內(nèi)。說明增大襯砌厚度并不能有效降低結(jié)構(gòu)在回填土階段所受的最大主應(yīng)力。

4 僅受上覆土結(jié)構(gòu)荷載的情況下，開孔襯砌降低了結(jié)構(gòu)的剛度，且隨著孔徑的增大，其整體剛度下降越大，當(dāng)孔徑大于1/6h 時，最大主應(yīng)力就超過了混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，會產(chǎn)生裂縫。開孔襯砌能有效解決大體積混凝土水化熱問題，但是孔徑并不是越大越好，綜合考慮結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)，其孔徑不應(yīng)大于1/6h。