本帖最后由 旭日东升 于 2015-8-25 13:52 编辑
目前公路隧道通常采用水泥混凝土路面结构形式,但尚缺乏针对公路隧道的设计方法,往往是参照普通水泥混凝土路面的板厚进行设计.但普通水泥混凝土路面的厚度计算基于板的刚度半径在0•8m左右的情况下得到,而隧道内的基岩强度要远高于普通路基,其刚度半径与0•8m相距甚远,直接采用已有的方法会造成较大的误差.因此需要建立针对隧道高基岩情况下的水泥混凝土路面设计方法.通过调研,隧道内由于施工受限,基层的质量和平整度往往不能保证,同时由于车辆行驶速度较低,使得隧道内容易出现由于板底脱空导致的板角断裂现象.鉴于此,本文提出考虑了板底脱空的公路隧道水泥混凝土路面的设计方法.
1设计指标
普通水泥混凝土路面的设计指标为板纵缝边中点底部拉应力,以控制该关键设计点位在荷载和温度的联合作用下的弯拉强度不超过混凝土板的抗拉疲劳强度.因此首先可以确定的是在荷载作用下的板边缘中部底面仍然是设计关键荷位,其拉应力是第一个设计指标.针对隧道内板角断裂出现较多的情况,重点考虑了在脱空状况下的板角表面的拉应力状况.将它作为公路隧道水泥混凝土路面设计的第二个指标.在普通水泥混凝土路面设计中需要考虑板底温度应力.由于隧道的封闭特性,路面不直接受到太阳的辐射,通过调查隧道内的温度变化幅度要远小于隧道外部.利用水泥混凝土路面设计中计算温度应力的方法,根据隧道内气温的调研资料,运用有限元模型进行计算后可以发现由于温度变化产生的温度疲劳应力一般不会超过0•2MPa,可以在路面设计中忽略.
2应力分析
2•1板边缘中部底面拉应力
2•1•1路面结构和分析模型公路隧道水泥混凝土路面的结构（图略）.通过对不同尺寸、不同约束条件的三维有限元模型的分析比较,采用如图2所示的模型.其基岩底部固定而四边自由.通过比较发现当水泥混凝土板与基层为光滑时受力最为不利,所以有限元模型中假定板间光滑.
2•1•2应力计算结果考虑了如表1所示的因素和相应的水平,并采用多元非线性回归技术,得到板底拉应力.（式略）式中:σ为任意轴载作用下板中纵边底面拉应力,MPa;P为轴载,kN;h为水泥混凝土板厚度cm;E1,E0为分别为基层和基岩模量,MPa.
2•2脱空情况下板角表面拉应力
2•2•1分析模型考虑了单块板脱空以及板间有横向连接的两块板脱空情况,其示意图分别如图3和图4所示.其三维有限元模型分别如图5和图6所示.板间接缝采用剪切弹簧模型,其剪切刚度采用80MPa,模拟板间设置传力杆的一般粘合强度.（图略）
2•2.2应力计算结果1)单块板脱空板角顶面最大拉应力式中:σt为脱空板角顶面最大拉应力,MPa;B为脱空宽度,m;其余符号同上.2)两块板脱空板角顶面最大拉应力（式略）
3轴载换算
3•1板底拉应力疲劳等效的轴载换算疲劳等效为（式略）式中:Ni,Ns分别为轴载Pi和标准轴载Ps在同一路面结构中的作用次数;Di,Ds分别为轴载Pi和标准轴载Ps在同一路面结构中作用一次造成的损伤;σi,σs分别为轴载Pi和标准轴载Ps在同一路面结构中产生的应力;b材料疲劳方程指数,根据水泥混凝土路面设计规范取0•057.结合式(1),可以得到基于板底拉应力疲劳等效的轴载换算方程为（方程略）
3•2板角脱空顶面拉应力疲劳等效的轴载换算由式(2)和式(3)可以看出,轴载P的指数都为0•915.将式(2)或式(3)带入式(4),可得:（方程略）根据目前对水泥混凝土的疲劳关系的研究,式(4)中的疲劳系数b取值为0•057,从而得到基于板角脱空顶面拉应力疲劳等效的轴载换算式为（方程略）比较两个轴载换算式可以统一采用指数为16•0的轴载换算式进行换算
4设计方法
4•1设计标准为了保证水泥混凝土板在使用期内不会出现板底或板角的疲劳断裂,需要满足如下的设计标准:（方式略）式中:fr,γr分别为水泥混凝土板的弯拉设计强度和可靠度系数,其取值见文献[4];σpr为标准轴载作用下板底或板角疲劳拉应力（方程略）式中:σps为标准轴载作用下板底与板角顶面拉应力,按式(1)、(2)或(3)计算.kf为考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数,可按文献进行计算;kc为考虑偏载、动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合安全系数,其取值参照文献.
4•2设计步骤考虑板底脱空下的公路隧道水泥混凝土路面设计步骤（图略）
5设计实例
5•1设计参数某公路隧道,路面宽9m,可靠度系数取1•2,综合安全系数取1•2.试计算板厚.(1)交通等级.本文考虑重交通等级,标准轴载累计作用次数取1000×104.(2)路面结构.路面结构采用分离式水泥混凝土路面,分为三层:水泥混凝土板、基层和基岩.采用普通水泥混凝土铺筑路面,并考虑横缝间采用传力杆钢筋和不采用传力杆钢筋两种情况.基层厚度确定为15cm,模量取2000MPa.基岩模量分别考虑JTJ026-90《公路隧道设计规范》中关于隧道围岩分类中Ⅴ~Ⅰ类围岩弹性模量的中间约值30000MPa、15000MPa、5000MPa、1000MPa和500MPa.
5•2计算结果讨论由,随着基岩模量的增加,基于板底拉应力疲劳的板厚在减小,而基于板角脱空的板厚却有一定程度的增加,这是由于基于模量增加,相当于基层成为了一个软弱夹层,不利于板角受力;在板间设传力杆可以有效降低板的厚度.同时可以发现,由于基于模量较高,公路隧道内的板厚要低于普通水泥混凝土路面板厚.因此,在公路隧道内可以减薄面层厚度,这对降低隧道综合造价极有价值.可以看出,基于板底拉应力指标设计的板厚曲线与基于板角脱空设计的板厚曲线存在交点.对于设置传力杆的情况,交点位于基岩模量约为15000MPa处,当基岩模量超过该数值,则基于板角脱空的板厚要超过基于板底拉应力的设计板厚,从而此时板角脱空成为设计控制指标;而基于模量小于该数值时,板底拉应力指标成为板厚设计指标.对于不设置传力杆的情况,交点位于约2000Mpa处,当基岩模量超过该数值,则基于板角脱空的板厚要超过基于板底拉应力的设计板厚,从而此时板角脱空成为设计控制指标;而基于模量小于该数值时,板底拉应力指标成为板厚设计指标.
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只看楼主 我来说两句 抢板凳