某工程A隧洞5类围岩衬砌及配筋计算书.docx
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某工程A隧洞5类围岩衬砌及配筋计算书
某工程A隧洞5类
（桩号干0+156.00~干1+111.00）
衬砌内力和配筋计算书
2014年5月16日
1基本资料3...
1.1等别3...
1.2断面尺寸3...
1.3荷载3...
1.4计算工况和荷载组合3..
2计算方法4...
2.1参数取值4...
2.2计算简图6...
3理正计算结果6...
4衬砌配筋计算9...
4.1计算情况9...
4.2偏心受压计算1..0.
4.2.1取值1..0.
4.2.2配筋计算11
4.3受弯计算1..3.
4.4计算结果1..3.
5抗裂验算1..4.
5.1计算公式1..4.
5.2计算情况1..5.
5.3偏心受压计算1..5.
5.4受弯计算1..5.
6斜截面抗剪验算1..6.
6.1计算公式1..6.
6.2计算情况1..6.
6.3偏心受压计算1..7.
6.4受弯计算1..7.
7配筋结果1..7.
1基本资料
1.1等别
根据SL252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》和GB50288—99《灌溉与排水工程设计规范》的规定，该工程属Ⅲ等（中型）工程。
渠系建筑物按5级设计。
渠系建筑物设计洪水重现期为10年（P=10%）
1.2断面尺寸
净断面尺寸2.0m×2.4m（宽×高），底板、侧墙及顶拱衬砌厚度均为0.3m。
1.3荷载
按5级建筑物设计，安全级别为Ⅲ级。
结构重要性系数00.9，设计状况系数持久1.0、短暂0.95、偶然0.85，永久荷载分项系数G1.05（0.95），可变荷载分项系数Q1.20，偶然作用分项系数A1.0，结构系数d1.2。
按承载能力极限状态计算时荷载分项系数：
衬砌自重作用分项系数
1.05（有利）、0.95（不利）
围岩压力作用分项系数
1.0
外水压力作用分项系数
1.0
灌浆压力作用分项系数
1.3
1.4计算工况和荷载组合
检修期：
围岩压力+衬砌自重+外水压力施工期：
围岩压力+衬砌自重+外水压力+灌浆压力注：
以检修期作为控制工况，施工期灌浆时采取必要的支护措施。
2计算方法
首先采用理正岩土计算软件进行受力分析计算，然后在软件计算结果的基础上进行配筋计算
2.1参数取值
⑴基本参数
衬砌断面类型：
底板半宽：
底板厚度：
侧墙高度：
侧墙厚度：
顶拱半中心角：
顶拱拱脚厚度：
顶拱拱顶厚度：
底板围岩弹抗系数：
侧墙围岩弹抗系数：
顶拱围岩弹抗系数：
衬砌的弹性模量：
外水压力折减系数（β）：
混凝土等级：
纵筋等级：
⑵围岩压力计算
①垂直、水平均布围岩压力
圆拱直墙形
1.150（m）
0.300（m）
1.550（m）
0.300（m）
90.000（度）
0.300（m）
0.300（m）
100.000（MN/m3）
100.000（MN/m3）
100.000（MN/m3）
25500.000（MPa）
0.400
C20
Ⅲ级
根据地质资料，隧洞围岩物理力学参数值见下表：
隧洞围岩参数建议值表2.1-1
隧洞名称
A隧洞
围岩类别
III
IV
V
围岩重度（KN/m3）
25
25
25
坚固系数fk
2.5
1.75
0.5
围岩似内摩擦角（°）
70
65
60
围岩单位抗力系数（MPa/cm）=100MN/m3
5
3
1
根据《水工隧洞设计规范SL279-2002》6.2.4规定和表2.1-1计算围岩压力：
垂直方向
qv（0.2~0.3）rB
水平方向qh（0.05~0.1）rH
式中qv——垂直均布围岩压力，kN/m2；qh——水平均布围岩压力，kN/m2；r——岩体重度，kN/m3；B——隧洞开挖宽度，m；H——隧洞开挖高度，m。
计算表格如下表：
围岩压力计算表表2.1-2
序号
已知参数
计算结果
围岩类别
断面尺寸（m×m）
开挖宽度
B（m）
开挖高度
H（m）
重度γ（kN/m3）
均布垂直山岩压力qv（kN/m2）
均布水平山岩压力qh
（kN/m2）
1
Ⅴ
2.0×2.4
2.6
3
25
19.5
7.5
2
Ⅳ
2.0×2.4
2.6
3
25
19.5
7.5
3
Ⅲ
2.0×2.4
2.6
3
25
19.5
7.5
注：
式qv（0.2~0.3）rB、qh（0.05~0.1）rH中，系数分别取为0.3、0.1。
②底部围岩压力
按整体计算隧洞单位米长断面受力情况，则
底部围岩压力=qv+1m长衬砌自重/计算宽度
2=19.5+（π×1.15+2×1.55+2.3）×0.3×25/2.3=48.89kN/m2
⑶外水压力：
取5m计。
⑷灌浆压力：
200kPa。
2.2计算简图
图2.2-1计算简图
3理正计算结果
理正软件计算得出的弯矩、轴力、剪力图如下：
图3-1轴力图（单位：
kN）
图3-1剪力图（单位：
kN）
图3-1弯矩图（单位：
kN·m）
4衬砌配筋计算
4.1计算情况
取1m长断面进行计算，按下列几种情况分别进行计算，取最大值最为最终
结果
配筋参数
表4.1-1
序号
M（KN·m）
N（KN）
e0=M/N（m）
位置
备注
1
3.6
33.7
0.107
拱顶
偏心受压
2
1.1
52.2
0.021
侧墙顶部
偏心受压
3
18.2
63.2
0.288
侧墙底部
偏心受压
4
18.2
30.3
底板端点
受弯
5
18.1
30.3
底板跨中
受弯
注：
弯矩和轴力均为设计值。
计算参数：
22
C20砼，fc=9.6N/mm2；HRB400钢筋，fy=fy'=360N/mm2；
断面b×h=1000mm×300mm，h0=h-a=300-50=250mm；as=as'=50mm。
4.2偏心受压计算
4.2.1取值
计算偏心距增大系数值时，将无压隧洞衬砌的顶拱连同侧墙近似作为一个无铰拱结构考虑，其拱轴线长度S采用顶拱长加一个侧墙长。
根据《水工混凝土结构设计规范（DL/T5057-2009）》9.3.9规定，按下式进行计算：
11
1400e0/h0
l0212h12
（4.2.1-1）
0.5fcA
1
1dN
（4.2.1-2）
l0
21.150.010
（4.2.1-3）
h
式中：
e0——轴向力对截面重心的偏心距，在式（4.2.1-1）中，当e0h0/30时，取e0h0/30；
l0——构件的计算长度，无铰拱结构l00.36S；
h——截面高度，300mm；
h0——截面有效高度，h0ha30050250mm；
A——构件的截面面积，1000×300=3×105mm2；
1——考虑截面应变对截面曲率的影响系数，当1>1时，取1=1.0；
2——考虑构件长细比对截面曲率的影响系数，当l0/h15时，当构件长细比l0/h（或l0/d）≤8时，可取=1.0。
故
S=π×1.15+1.55=5.16m
l0=0.36S=0.36×5.16=1.86m
l0/h1860/3006.28，短柱，取=1.0
1、e01.0107107mm0.3h078mm，大偏心受压
2、e01.02121mm0.3h078mm，小偏心受压
3、e01.0288288mm0.3h078mm，大偏心受压
2=1.0。
4.2.2配筋计算
1、大偏心受压：
h
ee0has=107+150-50=207mm
2
3
取NudN=1.2×33.7×103=40400N，ξ=ξb=0.518
dNefcbh02（10.5）
As
fy（h0as）
404020079.6100025200.518（10.50.51）8<0
360250
按最小配筋率：
Asminbh00.20%1000250500mm2
dNefyAs（2h0as）404001073605020200<0
fcbh029.610002502
ξ<0
h
则：
ee0has=107-150+50=7mm
2
As
dNe
fy（h0as）
4040072
=3.9mm360200min0
按最小配筋率：
Asminbh00.20%1000250500mm2
2、小偏心受压：
h
ee0has=21+150-50=121mm
2
取Asminbh00.20%1000250500mm2
3
取NudN=1.2×52.2×103=62640N，
BB24AC
2Ah0
其中：
A=0.5fcb=0.5×9.6×1000=4800mm2
BfcbasfyAs（1as/h0）9.6100050360500150/250
csys0.8b0.80.518
=30638
CdN（0.5he0as）fyAs0.8（h0as）0.8b
=-62640×（0.5×300-21-50）-360×500×0.8×200/（0.8-0.518）
8
=-1.1×108
则：
BB24AC30638306382448001.1108
2Ah024800250
=0.59<1.6-ξbdNefcbh02（10.5）
As
fy（h0as）
626401219.6100025020.59（10.50.59）<0
360250<0
按最小配筋率：
Asminbh00.20%1000250500mm2
3、大偏心受压：
ee0has=288+150-50=388mm
02s
取NudN=1.2×63.2×103=75840N，ξ=ξb=0.518
dNefcbh02（10.5）
fy（h0as）
758430889.6100025200.518（10.50.51）8<0
360250<0
按最小配筋率：
Asminbh00.20%1000250500mm2
dNefyAs（h0as）75840388360500200s22<0sfcbh029.610002502
ξ<0
则：
ee0has=288-150+50=188mm
02s
dNe758401882
Asd=198.0mm2fy（h0as）360200
按最小配筋率：
Asminbh00.20%1000250500mm2
4.3受弯计算
取底板弯矩最大设计值计算：
112s1120.0360.037<ξb=0.518
2
=246.7mm2按最小配筋率：
Asminbh00.20%1000250500mm2
4.4计算结果
侧墙、顶拱和底板均按照最小配筋率选配钢筋，选配的单侧受力钢筋截面面积不得小于500mm2。
5抗裂验算
5.1计算公式
根据《水工混凝土结构设计规范（DL/T5057-2009）》10.1.1规定，按下式进行计算：
偏心受压构件：
NkmctftkA0W0（5.1-1）
e0A0W0
受弯构件：
MkmctftkW0（5.1-2）
式中：
Nk、Mk——按标准组合计算的轴向力值、弯矩值；
ct——混凝土拉应力限制系数，ct=0.85；
ftk——混凝土轴心抗拉强度标准值，C20砼，ftk=1.54N/mm2；
m——截面抵抗矩塑性系数，矩形截面为1.55，考虑截面高度影响，进行
修正m（0.7300/h）1.55（0.7300/300）1.552.6351.11.551.705；
A0——换算截面面积，A0AcEAsEAs=1000×300+7.84×500+7.84×500=307840mm2，As、As为受拉、受压钢筋截面面积；
e0——轴向力对截面重心的偏心距；
E——钢筋弹性模量Es与混凝土弹性模量Ec之比，HRB400钢筋，Es=2.0
5242
×105N/mm2，C20砼，Ec=2.55×104N/mm2，即EEs/Ec=7.84；
W0——换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩，W0I0/（hy0）=2.33×
97
109/（300-146.8）=1.52×107；
y0——换算截面重心至受压边缘的距离，y0AcycEAsh0EAsas=（300
AcEAsEAs
×1000×300/2+7.84×500×250+7.84×500×50）/307840=146.8mm；
I0——换算截面对其重心轴的惯性矩，
2223
I0IcAc（y0yc）2EAs（h0y0）2EAs（y0as）2=1000×300/12+1000
×300×（146.8-150）2+7.84×500×（250-146.8）2+7.84×500×（146.8-50）2=2.33×109mm4；
Ac——混凝土截面面积，1000mm×300mm；
h——截面全高，300mm。
5.2计算情况
表5.2-1
取1m长断面进行计算，按下列几种情况分别进行计算
序号
M（KN·m）
N（KN）
e0=M/N（m）
位置
备注
1
3.7
34.9
0.106
拱顶
偏心受压
2
1.2
53.1
0.023
侧墙顶部
偏心受压
3
18.3
63.5
0.288
侧墙底部
偏心受压
4
18.3
30.3
底板端点
受弯
5
18.2
30.3
底板跨中
受弯
抗裂验算参数
注：
弯矩和轴力均为标准值。
5.3偏心受压计算
按最不利组合即e0取最大值时计算：
mctftkA0W0e0A0W0
1.7050.851.543078401.52107
7142.2kNNk63.5kN
2883078401.52107k
满足抗裂要求，可不再进行裂缝宽度验算。
5.4受弯计算
mctftkW01.705×0.851.541.5210733.9kNmMk
满足抗裂要求，可不再进行裂缝宽度验算。
6斜截面抗剪验算
6.1计算公式
偏心受压构件如能符合
根据《水工混凝土结构设计规范（DL/T5057-2009）》9.5.9和9.5.3之规定：
Vc0.07N时，则不需要进行斜截面受剪承载力计
1
算；受弯构件如能符合V1Vc时，则不需要进行斜截面受剪承载力计算。
d
式中：
V——构件斜截面上的剪力设计值；
1
N——与剪力设计值V相应的轴向压力设计值，当N1（0.3fcA）时，取d
1
N（0.3fcA）=1/1.2×0.3×9.6×1000×300=720kN，A为构件的截面面积；
d
Vc——混凝土的受剪承载力，
Vc0.7ftbh0=0.7×1.10×1000×250=192.5kN；
t——混凝土轴心抗拉强度设计值，C20砼，ft=1.10N/mm2
6.2计算情况
取1m长断面进行计算，按下列几种情况分别进行计算
抗剪验算参数
表6.1-1
序号
V（KN）
N（KN）
位置
备注
1
0
33.7
拱顶
偏心受压
2
7.1
52.2
侧墙顶部
偏心受压
3
30.3
63.2
侧墙底部
偏心受压
4
63.2
30.3
底板端点
受弯
5
0
30.3
底板跨中
受弯
注：
弯矩和轴力均为设计值。
6.3偏心受压计算
1
1、Vc0.07N=1/1.2×192.5+0.07×33.7=162.8kN>V=0kNdc
满足抗剪要求。
0.07N=1/1.2×192.5+0.07×52.2=164.1kN>V=7.1kN
满足抗剪要求
1
3、1Vc0.07N=1/1.2×192.5+0.07×63.2=164.8kN>V=30.3kNdc
满足抗剪要求。
6.4受弯计算
1
4、Vc=1/1.2×192.5=160.4kN>V=63.2kNd
满足抗剪要求。
1
5、Vc=1/1.2×192.5=160.4kN>V=0kNd
满足抗剪要求。
7配筋结果
根据计算结果，受力筋选用C14@150（单侧），实配AsAs1026mm2，
分布筋选用A10@200。
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