傍山棚洞结构分析计算

发布于：2024-10-25 13:45:25 来自：建筑结构/MIDAS [复制转发]

傍山棚洞结构分析计算

MIDAS技术中心张老师

1引言

棚洞是由边坡、回填土石和棚洞结构共同组成的共同受力体系，属于明洞隧道工程。近年来国内高速公路中频现棚洞结构的身影，诸如宁淮高速公路老山公路隧道[1]、江罗高速公路金中山棚洞[2]等。在原始地形较陡、植被较完好的山区高速公路路段，采用棚洞结构可有效减小边坡高度、降低公路建设对原生植被的破坏、避免长大隧道或隧道群导致的高额运营费用，且由于其自身构造能较好的防止落石与坍塌、增加行车的安全性，棚洞方案具有明显的优势。本文主要介绍棚洞结构设计计算中常用分析方法及傍山棚洞结构在midas岩土软件中的实现步骤。

图1 棚洞结构概念图

2 棚洞结构形式及荷载结构法计算

受地形、地质条件及公路等级等因素限制，棚洞结构显现出诸多结构形式，依据棚洞主体结构横断面内轮廓形状可为全拱式棚洞、半拱式棚洞及门式棚洞[3]，其结构简图如图2。

图2 各类型棚洞结构简图

依据结构简图，棚洞结构的基本构造有内拱墙、顶板支撑及外侧支撑结构。当地基条件较弱时，还需在棚洞底部设置支撑结构，或对地基采用诸如桩基础等形式进行处理。内墙可做成钢筋混凝土板墙和外部支撑共同构成桩板式支挡墙。外墙支撑结构可根据地形和地质情况的不同做成刚架式、柱式和墙式。外板可采用T形梁、I型梁或空心板梁截面预制安装构件。

目前，棚洞结构设计中常用的计算方法为荷载结构法[2]。荷载结构法忽略了回填土石、边坡与棚洞结构的相互作用，仅将回填土石时视为外加荷载。借助于midas GTS NX及midas Soilworks可建立棚洞结构的二维荷载结构法计算模型，其整体模型如图3所示。

图3 荷载结构法计算模型简图

由图3，棚洞结构荷载结构法模型与传统隧道结构分析类似，其核心步骤可分为以下三步，即：结构单元定义（材料参数输入）、地基弹簧设置及荷载计算。

2.1 结构单元定义

由图4结构参数定义窗口，棚洞结构各类单元按照线弹性材料考虑，其主要输入参数为弹性模量、泊松比及容重均可由《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中查表。

由图5结构属性定义窗口，主要输入为间距及截面特性。棚洞立柱沿纵向上有一定间隔，而平面应变计算标准厚度为1m，柱子相关力学参数可在GTS NX中通过“添加/修改属性-1D-梁单元-间距”中输入纵向间距值。

间距功能仅适用于项目设置为2D时，激活1D单元属性。在2D模型中当用户需要沿着水平轴向（厚度方向）定义1D单元时，这个选项用于考虑每个单元的一维单元内力。如未勾选间距选项，间距将被视为项目设置中定义的平面应变厚度。在GTS NX中，间距用于计算每个单元刚度以及输出各单元的内力。

（式1）

式中，n=间距；L=长度；A=面积；K’=考虑间距后的结构刚度，则内力计算公式为：

?=??=??(??)?/?，f’=nf （式2）

式中，f’ =考虑间距后的结构内力。

2.2 地基弹簧定义

各级围岩的物理力学参数及结构面抗剪强度，应通过室内或现场试验获得。如无实测数据，可按《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）附录A的表格选用。其中，荷载结构法的地基弹簧弹性抗力系数值，即为软件输入的弹性地基反力系数。

进行土弹簧设置时，可使用软件中“网格-单元-建立-其他-曲面弹簧”功能，设置为[弹性连接]，地基反力系数输入数值即表1中弹性抗力系数值；弹性连接长度选项一般默认输入1即可，可按显示需要进行调整，勾选[仅受压]选项。

2.3 荷载计算

自重荷载在midas GTS NX中可直接进行设置，无需单独计算；

垂直土压力及侧向土压力计算可参照《公路隧道设计规范》（JTG-D70-2004）附录G明洞设计荷载的计算公式。棚洞结构上某一点所受的垂直荷载=上覆土石高度×等效容重，棚洞结构上某一点的水平荷载=侧压力系数×垂直荷载。其余荷载，如地震力、落石冲击力等，可按正常使用极限状态或承载力极限状态，视工况需要进行荷载组合。

在完成以上分析步骤后需进行分析工况定义，求解类型应设置为[非线性静力]。根据棚洞结构构件的位移及内力结果，可依据《公路隧道设计规范》（JTG-D70-2004）对主要控制截面进行承载能力验算、裂缝宽度验算及挠度验算。

值得一提的是，在GTS NX中也可考虑空间作用建立三维荷载结构法模型。三维计算模型的荷载计算及弹簧施加与二维模型中基本一致。需要注意的是对应的结构单元定义，可考虑采用板单元或实体单元进行构件建立。值得注意的是，若使用实体单元建模（如图8），优势在于可反应棚洞结构真实构件形式，缺点在于结构内力的提取，但这一缺点可通过GTS NX提供的后处理功能[局部方向合力]，对实体单元应力进行积分，得到对应断面上的内力输出。

图8 三维半拱直柱式棚洞荷载结构法模型

3 棚洞结构地层结构法分析计算

地层结构法一定程度上可弥补荷载结构法的不足，可考虑施工全过程的模拟，反映边坡、回填土石和棚洞结构的共同作用。因此，本节以半拱直柱式棚洞结构二维平面应变模型说明地层结构法的分析思路。

3.1 物理力学参数

棚洞结构内侧边坡岩土体采用摩尔-库伦弹塑性本构，平面应变单元；棚洞衬砌、喷射混凝土采用线弹性本构，梁单元模拟；其选定的材料力学参数如下表。

3.2 计算模型概况

计算边界的确定应结合实际地形条件，并参考边坡稳定性分析的边界取值范围进行，本次傍山侧岩体采用2倍棚洞宽度，顶部取地表面，底部边界取2倍棚洞高度，外侧取1.5倍棚洞宽度作为模型边界建立依据，则整体模型尺寸为100m×40m。模型的左右边界为水平方向约束，底部为竖向约束，顶部为自由边界，不进行约束。

依据棚洞施工过程，可使用GTS NX中的[施工阶段管理]功能定义施工阶段，总共分为4步：①原状边坡：初始应力场按自重应力场方式进行考虑；②边坡开挖及支护；③棚洞结构施工；④回填土石。其计算结果主要关注棚洞结构的受力及位移。施工阶段分步网格图如下：

3.3 计算结果分析

由图10可知，半拱直柱式棚洞结构的合位移最大值发生在顶板与内墙连接位置区间，棚洞结构整体表现为受压状态，其轴力、剪力、弯矩最大值均位于立柱位置处。因此，在此分析案例中，棚洞结构立柱为设计过程中需注意的核心位置处。若有需要，可采用加强配筋，减小立柱布置间距等形式进行处理。

棚洞结构的位移及内力分布特征，会受到荷载释放系数（LDF）设置的影响。前述数值计算中并未考虑这一影响，依据图9，结合软件可对边坡开挖阶段岩土体应力释放过程进行多施工阶段的设置，以更加真实反应其开挖对于棚洞结构（内拱墙、顶板及立柱等构件）的受力及变形影响。LDF的敏感性分析过程可参考文献[5]，本文不再赘述。

另外，实际工程中的棚洞形式不仅仅局限于本文所提及的几种形式，例如当棚洞结构为双向多车道双跨结构时（如图11），依据所抵抗侧压力大小，主要采用外斜腿中立柱平顶内拱墙式与双立柱平顶内拱墙式两种棚洞形式[5]。其模型实现过程与前述处理思路一致。