蒋正平
(中铁上海设计院集团南通晟大有限公司,江苏 南通 226000)
本文结合南通市海门区某一级公路下穿U型槽设计工程,比选机动车道与非机动车道U型槽底板齐平与错位方案,通过分析其受力及造价确定最终方案,相关经验可为同类型项目提供有效参考借鉴。
南通市海门区某一级公路下穿U型槽设计工程起点为桩号k0+520,路线由西向东,项目终点桩号k1+380,路线全长0.86km,采用一级公路标准建设。
U型槽周边环境简单空旷,采用双向六车道一级公路标准建设,设计时速60km/h,全长340m,全线采用明挖顺做法,分离式结构断面。
隧道建筑机动车道净宽12.75m,净高4.5m;非机动车及人行通道净宽6.5m,净高2.5m;路面设计年限为15年,U型槽主体结构设计使用年限为100年;结构抗渗等级为P8。
U槽横断面设计需综合考虑建筑限界、设备安装空间、装修空间、施工误差和结构变形等因素。在满足建筑限界的基础上,机动车U槽左右两侧各增加15cm宽度作为装修空间。
图1 机动车道与非机动车道底板齐平
分离式U型槽结构形式具体可分为两种,第一种是机动车道与非机动车道U槽底板齐平的结构形式,第二种是机动车道与非机动车道U槽底板错位的结构形式,横断面布置如图1所示。
U型槽采用C40钢筋混凝土,以最深处距离计算,底板厚1m,机动车道外侧墙厚1m,非机动车道外侧墙厚1m,机动车道内侧墙厚0.6m。
图2 机动车道与非机动车道底板错位
U型槽采用C40钢筋混凝土,以最深处距离计算,机动车底板厚1m,非机动车道底板厚0.8m,机动车道内外侧墙厚1m,非机动车道外侧墙厚0.6m。
非机动车、机动车纵断面均采用V字坡设计,机动车进口坡率-3%,出口坡率3%,人非进口坡率-1.4%,出口坡率1.4%。
该项目U型槽主体结构采用明挖法施工,基坑常规段采用“放坡+坡面防护”的围护结构形式,同时在基坑外侧布置止水帷幕。
结构自重;侧墙水土压力;地面超载侧压力;底板水浮力;土重及铺装;不考虑汽车荷载;温度考虑整体升温35℃、整体降温25℃。
该结构采用MIDAS/Civil2021计算(选取1m计算)。
1.机动车道与非机动车道底板齐平状况下的恒载
结构自重按25kN/m3计算;
侧墙水土压力:土压力系数取K0=0.65。
机动车道外侧侧墙底(按水土分算):
水压力:(4.42 +1.0-0.5)×10=49.2kPa;
土压力:[(4.42+1.0)×(18.81-10)]×0.65=31.0 kPa;
图3 机动车道与非机动车道底板齐平计算模型
非机动车及人行通道外侧侧墙底(按水土分算):
水压力:(5.62+1-1.7×10=49.2kPa;
土压力:[(5.62+1.0-0.9)×(18.81-10)]×0.65=32.8kPa;
底板水浮力:(4.42+1.0-0.5)×10=49.2 kPa;
机动车道底板铺装:0.45×26+0.12×23=14.72kPa;
非机动车及人行通道底板填土及铺装:(2.624-0.75)×16+0.4×26+0.1×23=42.7kPa;
非机动车及人行通道侧墙土压力:0.5×16=8kPa;
2.机动车道与非机动车道底板齐平状况下的活载
顶板活载标准值:按20kPa计算,机械荷载按10kPa计算;
底板活荷载取0kPa;
机动车道侧墙活载标准值:qH=0.65×20=13kPa;
非机动车及人行通道侧墙活载标准值:qH=0.65×30=19.5kPa;
温度变化影响:取施工时温度与最低和最高月平均气温之差。
图4 承载能力极限状态下弯矩设计值
弯矩最大值位于非机动车道下底板处,弯矩值为1160kN·m。
图5 正常使用极限状态弯矩设计值
弯矩最大值位于非机动车道下底板处,弯矩值为967kN·m。
图6 机动车道与非机动车道底板错位计算模型
3.机动车道与非机动车道底板错位状况下的恒载
结构自重:按25kN/m3;
侧墙水土压力:土压力系数取K0=0.65。
机动车道外侧侧墙底(按水土分算):
水压力:(5.58 +1.0-0.5)×10=60.8 kPa;
土压力:[(5.58 +1.0)×(18.81-10)]×0.65=37.7 kPa;
机动车道内侧侧墙底(按水土分算):
水压力:(5.58+1.0+0.5-0.5)×10=65.8kPa;
土压力:[(5.58+1.0+0.5)×(18.81-10)]×0.65=40.5kPa;
非机动车及人行通道外侧侧墙底(按水土分算):
水压力:(4.324+1.0-1.7)×10=36.2kPa;
土压力:[(4.324+1.0-0.9)×(18.81-10)]×0.65=25.3kPa;
机动车道底板水浮力:(5.58+1.0-0.5)×10=60.8 kPa;
非机动车及人行通道底板水浮力:(4.324+1.0-1.7) ×10=36.2 kPa;
底板铺装:0.5×26+0.12×23=15.76kPa;
4.机动车道与非机动车道底板错位状况下的活载
顶板活载标准值:按20kPa计,机械荷载按10kPa计;
底板活荷载取0kPa;
机动车道侧墙活载标准值:qH=0.65×20=13kPa。
非机动车及人行通道侧墙活载标准值:qH=0.65×30=19.5kPa;
温度变化影响:取施工时温度与最低和最高月平均气温之差。
图7 承载能力极限状态下弯矩设计值
弯矩最大值位于机动车道下底板处,弯矩值为1647kN·m。
图8 正常使用极限状态弯矩设计值
弯矩最大值位于机动车道下底板处,弯矩值为1354kN·m。
经过计算表明,在同等埋深高度下,机动车道与非机动车道底板齐平受力更合理,弯矩值更小,钢筋量及混凝土量更小,实际效果较底板错位更经济合理。
本文结合南通市海门区某一级公路下穿U型槽设计工程,通过比选机动车道与非机动车道U型槽底板平齐与错位方案,分析两种方案的受力及造价,最终确定底板齐平方案最佳,经济效益较合理。