市政隧道框架箱涵结构设计研究

2019-09-10王一鸣王浩璇

赤峰学院学报·自然科学版 2019年6期

王一鸣王浩璇

摘要：航兴路隧道主线封闭段采用双孔矩形钢筋混凝土整体箱涵结构.箱涵按覆土2m和4m设计为两种结构尺寸形式.顶、底板结构随覆土厚度增加而增厚，顶、底板厚度最大，侧墙次之，中墙最小.不同覆土厚度的结构钢筋布置相似，随覆土厚度增加，主要受力钢筋直径增大，顶板与底板钢筋对称布置.箱涵采用支承在弹性地基上的框架结构模型进行计算分析.计算表明，结构弯矩和剪力最大值位于底板与中墙相交处，正截面抗弯承载力、斜截面抗剪承载力和裂缝宽度满足规范要求.

关键词：框架箱涵;覆土厚度;结构设计;配筋验算

中图分类号：TU997 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2019）06-0100-03

城市快速路与其他道路相交处，除采用立交桥方案外，下穿隧道也是常见的设计形式.由于箱涵整体性好、受力分布合理，下穿隧道多采用箱涵结构.学者对不同地质条件下箱涵结构施工技术[1]和施工中受力特性[2]进行了较多的研究.在箱涵结构设计方面，学者探讨了车辆荷载的取用[3]，研究了有限元和弹性应力配筋法在箱涵结构设计中的应用[4].上述实体有限元模型的实际应用较为复杂，而基于结构力学法的框架结构计算模型，由于计算分析简便和计算结果可靠，在工程设计中应用广泛.以航兴路隧道工程为依托，采用有限元分析软件midas，对双孔箱涵结构进行计算分析，对配筋设计验算进行探讨.

1 工程概况

滨河西路（四港联动大道南～林湾北路）位于郑州航空港经济综合实验区中部，南水北调工程西侧，规划为南北向城市快速路，主线计算行车速度60km/h，项目全长26177米.滨河西路与沿线17条跨南水北调主干路相交处，采用滨河西路下穿的分离式交叉形式，沿线共设置下穿隧道12座.

航兴路隧道是滨河西路从南向北的第二座下穿隧道，为下穿航兴路而设.依据地质勘查报告，拟建场地最上层为人工堆积杂填土，层底平均埋深1.2m;往下为粉质粘土、粉土、粉砂、细砂，层底平均埋深20.6m;之下均为粉质黏土.隧道抗浮设计水位标高按现自然地面下1.5m考虑，即123.5m.建筑场地类别为Ⅱ类，属对建筑抗震一般地段地段.

隧道全长681m，其中主线隧道封闭段长240m，南侧引坡敞口段长210m，北侧引坡敞口段长231m.隧道标准段为双向六车道布置，采用双孔矩形钢筋混凝土整体箱涵结构，单孔净宽为13.75m.隧道设计净空5米，单孔横断面布置为[5]：0.25m（余宽）+0.75m（检修通道，含0.25m安全带）+0.5m（路缘带）+11.25m（机动车道）+0.5m（路缘带）+0.25m（安全带）+0.25m（余宽）.隧道标准段断面布置见图1.

2 箱涵结构设计

本隧封闭段采用钢筋混凝土矩形框架箱涵结构，顶板最小覆土厚度0.5m，最大覆土厚土3.6m.以覆土厚度2m为界设计为两种结构尺寸形式，最大覆土厚度按4m计算.为适应地基变形，减小不均匀沉降和混凝土收缩裂缝，封闭段纵向以30m为一节段，节段之间设2cm宽变形缝.主隧道封闭段中隔墙厚度1.0m，顶、底板和侧墙厚度随埋深变化而变化，其中顶板厚度变化范围1.1m～1.2m，底板厚度变化范围1.1m～1.2m，侧墙厚度1.1m.两种结构尺寸形式见表1.

主体结构采用C40混凝土.隧道结构自重可抵抗抗浮设计水位产生的浮力.覆土4m封闭段结构断面见图2.

隧道底板下设8cm厚C20细石混凝土保护层和20cm厚C20混凝土垫层，各边宽出20cm.

结构配置采用HPB300级和HRB400级钢筋，拟定钢筋布置见表2.受力主筋迎水面保护层厚度50mm，背水面保护层厚度40mm，构造钢筋保护层厚度25mm.主体结构设计使用时间100年[6].

不同覆土厚度时，结构钢筋布置相似，随覆土厚度增加，主要受力钢筋直径增大.顶板与底板钢筋布置相对称.覆土厚度4m时，顶板中墙处配筋“2排28、1排25;1排28”表示：中墙处顶板上方采用2排直径28mm和1排直径25mm的HRB400钢筋，中墙处顶板下方采用1排直径28mm的HRB400钢筋.侧墙外侧（近土侧）配筋多于内侧（近净空侧），中墙左右两侧钢筋布置相同.覆土4m封闭段结构钢筋布置见图3.

3 箱涵结构计算模型及荷载

隧道箱涵采用支承在弹性地基上的框架结构模型，水土分算，采用有限元分析软件midas进行二维计算分析.计算模型见图4.

钢筋混凝土容重取25kN/m3，結构自重在计算过程中由程序自动计算.顶板覆土压力根据覆土厚度计算均布土压力.覆土2m厚时为40kN/m，覆土4m厚时为80kN/m.侧墙均布土压力为梯形分布的土压力，数值为不同深度的竖向自重土压力乘以侧压力系数0.5.隧道内铺装厚度70cm，铺装层自重为18kN/m.

汽车荷载按照城市-A级计算，分别模拟隧道内的汽车荷载及隧道顶面的汽车荷载，隧道内每孔布置3列车.地面堆载20kPa，转化为左右侧墙的活载土压力为10kN/m.

计算考虑10年的混凝土收缩徐变.数值模拟划分两个施工阶段，施工阶段一是立模板、绑扎钢筋、现浇混凝土，施工阶段二是收缩徐变分析.

4 箱涵结构验算结果分析

4.1 持久状况承载能力极限状态验算

4.1.1 正截面抗弯承载力验算

覆土4m箱涵框架正截面抗弯承载力验算结果见图5.图中最外侧矩形框为结构能承受的最大弯矩，内侧曲线为箱涵结构实际承受的弯矩.结构最大弯矩值3202kN·m，位于底板与中墙相交处，此处最大承载力5871kN·m，箱涵结构正截面抗弯承载力均满足规范要求[7].依同样方法验算可得，覆土2m箱涵结构正截面抗弯承载力也满足规范要求.

4.1.2 斜截面抗剪承载力验算

覆土4m箱涵框架斜截面抗剪承载力验算结果见图6.图中最外侧矩形框为结构能承受的最大剪力，内侧斜线为箱涵结构实际承受的剪力.结构最大剪力值1205kN，位于底板与中墙相交处，此处最大抗剪承载力1521kN，箱涵结构斜截面抗剪承载力均满足规范要求[7].依据同样方法验算可得，覆土2m箱涵结构正截面抗弯承载力也满足规范要求.

4.2 持久状况正常使用极限状态验算

持久状况正常使用极限状态主要进行裂缝宽度验算，覆土4m裂缝宽度验算结果见图7.图中最上方水平线表示裂缝宽度限值0.2mm，下方曲线表示箱涵结构各单元裂缝计算宽度.箱涵结构计算裂缝宽度最大值0.143mm，小于0.2mm的限值，裂缝宽度满足限值要求.依据同样的方法验算可得，覆土2m箱涵结构裂缝宽度也满足不超过0.2mm的要求.

5 结语

航兴路隧道主线封闭段采用钢筋混凝土箱涵结构，采用有限元分析软件midas，验算了该结构设计的合理性：

（1）根据隧道顶板覆土厚度不同，将主体箱涵结构按覆土2m和覆土4m分别设计.顶、底板结构随覆土厚度增加而增厚，顶、底板厚度最大，侧墙次之，中墙最小.

（2）不同覆土厚度时，结构钢筋布置相似，随覆土厚度增加，主要受力钢筋直径增大.顶板与底板钢筋布置相对称.

（3）箱涵采用支承在弹性地基上的框架结构模型进行计算分析.结构弯矩和剪力最大值位于底板与中墙相交处.箱涵结构正截面抗弯承载力、斜截面抗剪承载力和裂缝宽度均满足规范要求.

参考文献：

〔1〕李鹏.软土地基中市政箱式隧道施工技术[J].山东工业技术，2015，（6）：129.

〔2〕郭瑞，冯忠居.公路特长箱涵结构受力特性及施工方案分析[J].广西大学学报（自然科学版），2018，43（1）：340-348.

〔3〕陈宜健.箱涵设计中的车辆荷载计算探讨[J].城市道桥与防洪，2018（12）：87-88.

〔4〕王志海，王志刚.有限元和弹性应力配筋法在箱涵设计中的应用[J].人民长江，2017，48（增刊1）：181-183.

〔5〕鄭州市市政工程勘测设计研究院.郑州航空港经济综合实验区滨河西路快速化工程（四港联动大道南～林湾北路）施工图设计（送审稿）—航兴路隧道（隧道主体结构）[Z]，2016.1.

〔6〕中华人民共和国行业标准.CJJ221-2015城市地下道路工程设计规范[S].中国建筑工业出版社，2015.5-7.