王登城

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230000)

近年来，随着城镇化不断推进，城市人口不断增加，仅靠地面交通已无法满足城市发展的要求。城市地下隧道作为解决城市交通发展问题的一种方法，被广泛利用在道路改造[1]及大型商业综合体开发项目中。

城市地下隧道属于埋设在土层中的建筑物，按其埋深被划分为浅埋式结构[2]，其中矩形闭合框架结构因具有空间利用率高、开挖断面经济，且易于施工的优点，被广泛用于各类城市地下隧道，如图1所示。将详细介绍浅埋式闭合框架结构的设计方法，并结合工程实例探讨计算机软件在城市地下隧道设计中的应用。

图1 矩形闭合框架结构

1 工程概况

本文所研究的城市地下隧道位于平原地区，为某城市中心地下环形隧道，周边为待开发商业中心，通过地下车库联络道将商业中心地下空间与地下环形隧道相接，起到交通沟通的作用。环形隧道暗埋段标准断面双向四车道矩形断面，采用矩形闭合框架结构，如图2所示。

图2 暗埋段标准断面图

2 荷载计算

2.1 恒载

1)覆土压力：浅埋式闭合框架结构，由于是浅埋，不考虑土层自身承载能力，覆土压力考虑结构范围内顶板以上各土层范围内所有材料自重，除以顶板面积即可得到覆土压力。

式中：γi为第i层材料重度，hi为第i层材料厚度。

2)结构自重：结构自重为结构材料重度乘以结构体积，浅埋式矩形闭合框架结构一般为普通钢筋混凝土结构，其材料重度一般取值为25kN/m2。

3)水、土压力：水压力包括底板和侧墙受水压力。土压力为土层对结构侧墙产生的压力。对于底板水压力，即为水浮力；对于侧墙水、土压力，计算方式包含水土合算和水土分算两种方式，计算水压力公式表示如下：

qw=γwhw(kN/m2)

式中：γw为水重度，hw为地下水面至结构计算位置的距离。

计算土压力公式表示如下：

式中φ为结构埋置土层的内摩擦角，γi为第i层材料浮重度。

(4)顶板承受特殊荷载：包括隧道内吊顶装饰等荷载，根据实际情况计算即可。

2.2 活载

1)地面超载；指地面汽车荷载作用于结构顶板的荷载，由于其轮压数值大且作用位置的不确定性，考虑不同覆土深度扩散范围不同，精确计算比较困难，本文顶面活载根据参考文献[3]取最不利值为20kN/m2。

2)侧面活载：即地面超载对侧墙产生的作用，计算公式如下：

3)行车荷载：指隧道内行驶汽车荷载，由于底板顶面与路面间存在混凝土垫层及路面结构，因此计算荷载取值同样参考文献给定的值，取最不利值为20kN/m2。

3 杆件内力计算方法

3.1 计算模型

城市地下隧道由于纵向方向尺寸较长，横向方向尺寸较短，且结构所受荷载在纵向方向基本不变，符合平面应变模型基本假定，因此，浅埋式闭合框架结构可当做平面应变模型分析，计算模型可取纵向长度为单位长度1m的闭合框架模型，且为方便计算，杆件均为等截面，不考虑腋角的影响,按图3所示建立荷载-结构模型。

图3 简化计算模型

3.2 计算方法

由3.1节建立荷载-结构模型，浅埋式闭合框架结构内力分析采用荷载结构法。该方法将地下结构周边的土体等对结构的作用仅为荷载作用，在上述荷载作用下进行静力分析，闭合框架按温克尔弹性地基上的框架进行计算。

由3.1节建立模型可知，为方便计算，未考虑腋角部位截面变化的影响，因此，可对模型计算所得内力进行折减，折减公式如下所示。

图4 设计弯矩计算简图

图5 设计剪力计算简图

式中，Mi为设计弯矩，Mp为计算弯矩，Qp为计算剪力，b为支座宽度，Qi为设计剪力，q为作用在杆件上的均布荷载。

由图5可知，根据计算剪力计算设计剪力，需计算两个位置的设计剪力，一为侧墙边缘位置，二为腋角与顶底板相交位置。其中，侧墙边缘位置设计剪力进行截面设计时，截面计算高度取值为h+S/3，且不得超过h1，如图6所示。

图6 支托框架结构

4 闭合框架结构实例分析

本节将采用通用有限元分析软件，对一实际下穿隧道闭合框架结构进行分析，并根据得到的内力结果进行配筋设计。计算模型相关参数见表1所示。

表1 参数表

1)建立模型。采用梁单元建立闭合框架模型，侧墙、底板与土体的接触模型采用仅受压土弹簧模拟。对于结构底板弹簧刚度大小取所在土层垂直基床系数，侧墙弹簧刚度大小取所在土层水平基床系数加权平均。因此，根据地勘报告可知，底板土弹簧刚度取20MPa/m，侧墙土弹簧刚度20MPa/m。

2)读取内力计算结果并配筋设计。根据软件计算结果，并进行包络组合设计，分别读入承载能力极限状态和正常使用极限状态下杆件剪力、弯矩包络图。

表2 抗剪强度验算表

3)根据内力包络图，结合4.2节进行弯矩、剪力折减，按《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)[4]相关内容，编制相关Excel表格，进行配筋设计，设计结果如表3。

表3 结构配筋计算表

根据表2和表3计算结果可知，闭合框架结构各板件厚度满足抗剪强度验算要求，按折减后设计弯矩进行配筋设计，裂缝宽度均小于0.2mm，满足规范要求，可按上述表格结论进行施工图绘制[5]。

5 结语

通过对浅埋式闭合框架结构的分析，介绍了闭合框架结构的实用分析方法，包括简化计算方法荷载-结构法、作用荷载计算及构件内力分析设计等，并利用有限元软件对一实际工程实例进行截面配筋设计，展示了浅埋式闭合框架结构的实用设计方法，为相关工程提供借鉴之处。另外，本文方法未充分考虑结构施工过程的复杂性，因此，若设计有需要时，需结合施工过程进行更详细的设计。