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摘要：城市下穿隧道引坡段多采用挡土墙和U型槽结构，U型槽结构常在引坡路面结构低于地下水位段采用。为研究U槽结构的配筋设计方法和优化方案，基于Midas软件，U型槽采用支承在弹性地基上的结构模型进行计算分析，对配筋方案进行验算。拟定U型槽按侧墙高度6m、8m和10m设计为三种结构尺寸形式。侧墙、底板结构随侧墙高度增加而增厚，侧墙根部厚度最大，悬臂端厚度最小，中间以1∶12.5的斜率变化。不同侧墙高度的结构钢筋布置相似，随侧墙高度增加，主要受力钢筋直径从25mm增大到32mm。计算表明，结构弯矩和剪力最大值位于底板与侧墙相交处，U型槽拟定的结构设计方案的正截面抗弯承载力、斜截面抗剪承载力和裂缝宽度均满足规范要求。侧墙高8m～10m的U型槽结构主受力钢筋直径从32mm降为28mm，结构验算符合规范要求。直径过大的钢筋现场加工困难，在结构验算符合规范的前提下，可适当减小钢筋直径。
关键词：U型槽；侧墙高度；结构设计；配筋验算
1引言
城市快速路以隧道下穿其他道路，是目前除立交桥方案外常见的设计形式。从地面道路到隧道暗埋段大多采用挡土墙和U型槽结构组成的引坡进行过渡。目前对下穿隧道主体结构受力特征[1]和施工方案[2]进行了较多的研究，对引坡的线形设计[3]和挡土墙结构设计[4]有所研究，而对U型槽结构的受力特征和配筋设计研究较少。相比于挡土墙，U型槽结构侧墙与底板刚接，能够承受较大的侧向土压力，能够抵抗一定的地下水浮力。在尚未进入暗埋部分而高差较大的引坡地段，采用U型槽结构具有较大优势，研究U槽结构受力特征的配筋设计具有重要意义。文章以某城市下穿隧道工程为依托，采用有限元分析软件midas，对U型槽结构进行计算分析，对配筋设计验算进行探讨。
2工程概况
某城市快速路下穿隧道呈南北走向，全长681m，主线计算行车速度60km/h。该下穿隧道的地质勘察报告表明，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。该隧道主线封闭段长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。引坡采用挡土墙、U型槽结构形式，路面结构低于地下水位段采用U槽结构，路面结构高于地下水位段采用挡土墙形式。引坡敞口段横断面布置为：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）+1.5m（分隔带）+0.25m（安全带）+0.5m（路缘带）+11.25m（机动车道）+0.5m（路缘带）+0.75m（检修通道，含0.25m安全带）+0.25m（余宽）。
3U型槽结构设计
本隧引坡敞口段U型槽结构侧墙最低处4m，最高处9.6m。以侧墙高度6m和8m为界设计为三种结构尺寸形式，侧墙最高按10m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。底板和侧墙厚度随侧墙高度变化而变化，变化范围均是0.8m～1.2m。侧墙根部和底板等厚，以1∶12.5的斜率向悬臂端厚度逐渐减小，悬臂端厚度50cm。U槽结构采用C40混凝土，结构自重可抵抗抗浮设计水位产生的浮力。侧墙高4m～6m引坡U槽段结构断面如图2所示，图中H表示侧墙高度。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。主体结构设计使用年限100a[6]。同样侧墙高度时，结构钢筋布置相似，随侧墙高度增加，主要受力钢筋直径增大。侧墙高度4m～6m时，底板侧墙处配筋“1排25；2排25”表示：侧墙处底板上方采用1排直径25mm的HRB400钢筋，下方采用2排直径25mm的HRB400钢筋。跨中处底板上下方钢筋布置相同，侧墙外侧（近土侧）配筋多于内侧（近净空侧）。覆土4m封闭段结构钢筋布置如图3所示，图中H表示侧墙高度。
4U型槽结构计算模型及荷载
隧道U型槽采用支承在弹性地基上的悬臂结构模型，水土分算，采用有限元分析软件midas进行二维计算分析。钢筋混凝土容重取25kN/m3，结构自重在计算过程中由程序自动计算。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，模拟隧道内的汽车荷载，U型槽内每侧布置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。
5U型槽结构验算结果分析
5.1持久状况承载能力极限状态验算
①正截面抗弯承载力验算。侧墙4m～6m高U槽正截面抗弯承载力验算结果如图5所示。图中最外侧矩形框为结构能承受的最大弯矩，内侧曲线为U槽结构实际承受的弯矩。结构最大弯矩值2102kN•m，位于底板与侧墙相交处，此处最大承载力4326kN•m，U槽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，侧墙6m～8m高、8m～10m高U槽正截面抗弯承载力也满足规范要求。②斜截面抗剪承载力验算。侧墙4m～6m高U槽斜截面抗剪承载力验算结果如图6所示。图中最外侧矩形框为结构能承受的最大剪力，内侧斜线为U槽结构实际承受的剪力。结构最大剪力值1003kN，位于底板与侧墙相交处，此处最大抗剪承载力1467kN，U槽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，侧墙6m～8m高、8m～10m高U槽结构斜截面抗剪承载力也满足规范要求。
5.2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，侧墙4m～6m高U槽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U槽结构各单元裂缝计算宽度。U槽结构计算裂缝宽度最大值0.158mm，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，侧墙6m～8m高、8m～10m高U槽结构裂缝宽度也满足不超过0.2mm的要求。
6结构优化设计探讨
对当前的U型槽结构设计验算表明，结构设计较为保守，安全性富余较大。侧墙高8m～10m时，结构布置直径32mm的HRB400主受力钢筋，直径偏大，钢筋加工较为困难。考虑将此种情况下的直径32mm钢筋降为直径28mm钢筋进行布置。减小钢筋直径，侧墙高8～10m的U槽结构采用直径28mm的主受力钢筋，结构的正截面抗弯承载力、斜截面抗剪承载力、裂缝宽度仍然满足规范要求。类似工程结构设计时，从结构设计优化考虑，避免直径过大的钢筋现场加工困难，在结构验算符合规范的前提下，可适当减小钢筋直径。
7结语
该下穿隧道引坡段采用U型槽结构，采用有限元分析软件midas，验算了该结构设计的合理性。①根据侧墙高度不同，将U槽结构按侧墙高度4m～6m、6m～8m、8m～10m分别设计。侧墙、底板结构随侧墙高度增加而增厚。侧墙根部厚度最大，悬臂端厚度最小。②不同侧墙高度时，结构钢筋布置相似，随侧墙高度增加，主要受力钢筋直径增大。③U槽采用支承在弹性地基上的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侧墙相交处。U槽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。④直径过大的钢筋现场加工困难，从结构设计优化考虑，在结构验算符合规范的前提下，可适当减小钢筋直径。
参考文献
[1]罗鑫.城市下穿隧道封闭段结构受力分析[J].山西建筑，2018，44（12）:165-167.
[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]凌定祥，郭丽苹，何瑶.纵坡对城市下穿隧道入口段照明设计的影响[J].现代交通技术，2018，15（6）：35-39.
[4]于德湖，李善娇，杨淑娟，等.扶壁式挡土墙受力特性及有限元分析[J].低温建筑技术，2017，39（11）:123-124.
[5]郑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].郑州：郑州市市政工程勘测设计研究院，2016.
[6]CJJ221-2015，城市地下道路工程设计规范[S].
[7]JTG3362-2018，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
作者:王一鸣 皇民 王浩璇 单位:河南工程学院土木工程学院 云南农业大学机电工程学院
