连拱隧道明洞衬砌的优化设计模型

《连拱隧道明洞衬砌的优化设计模型》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、http://www.paper.edu.cn连拱隧道明洞衬砌的优化设计模型宁培淋，史宏彦，曾锦标广东工业大学建设学院，广州（510006）E-mail：ningbeilin@163.com摘要：连拱隧道衬砌造价占总造价的1/3—1/2多，本文针对明洞衬砌，建立以衬砌造价为目标函数，用罚函数内点方法（SUT）求解的优化设计模型，其不仅满足结构要求，还降低衬砌的造价，并运用该模型对工程实例进行分析，取得理想效果。关键词：连拱隧道，明洞衬砌，优化设计1．引言限于地形条件许多连拱隧道都不可避免地需要接筑明洞，长的有数

2、百米，短的也有几米，如日本小束山隧道、广州黄浦大道隧道等。连拱隧道明洞常采用全明洞、双明洞和半明半暗三种形式,为了方便与暗洞衔接，连拱隧道一般采用拱形明洞，其衬砌采用等截面整体式衬[1]砌，但造价较高，本文试从经济的角度，建立以连拱隧道明洞衬砌造价为目标函数，以罚函数方法求解的化设计模型，其不当满足结构要求，还降低衬砌的造价。2．目标函数外轮廓线内轮廓线θθααββ图1直中墙连拱隧道本文讨论的是《规范》推荐的两车道隧道标准内轮廓断面，连拱隧道的形式有多种，具有代表性的为整体式直中墙（图1）（其他形式可例出相应目

3、标函数），根据公路等级的技术标准确定隧道的内部建筑限界后，结构断面几何形状可通过有关方法确定，由于优化设计的目的是在符合工程要求的情况下使造价最小，因此采用单位长度衬砌造价作为目标函数。这里只考虑影响衬砌造价因素的可比性，即只计人主筋和混凝土的价值，其他因素如中墙、仰拱、箍筋、模板及施工费等，认为在设计方案选定中均为相等，可不计入最优目标函数内，这是比较符合实践经验的，因此，所求问题的目标函数可写成：f(X)C=+C（1）cs式中，f(X)为每延米长隧道衬砌钢筋混凝土的造价，C和C分别为每延米混凝土和主cs筋的

4、造价，其中：-1-http://www.paper.edu.cnhhhCc=+2Ch[(Rθαβ)+(R+)+(R+)]h123222Cs=+2CA[(Rθαβh)+(R+h)+(R+h)]（2）gg102030''++2CA[(Ra)(Ra)(Ra)]θαβ++++gg123'式中C为单位体积混凝土的价格，C、C分别为受拉区钢筋、受压区钢筋单位体积hgg价格,A为钢筋面积。h为拱圈的厚度，h。为拱圈的有效高度，a和a’为钢筋保护层厚度。g由于隧道衬砌结构正负弯矩变化较大的特点，一般采用对称配筋，且保护层一般也

5、对称''相等，即A=A，C=C，a=a’。把(2)式代入(1)后目标函数可写成：gggg2f(h,A)A*h=+++B*hC*AhD*A（3）ggg其中AC(=θ++αβ)hB=+2CRRRh()θαβ123+CC=+2(θαβ+)gDCRRR=+4g()θαβ123+由上式可知，只要衬砌内轮廓线确定，R、R、R、θ、α、β都可以确定，而C、123gC为常数，所以A、B、C、D均为常数，设计变量仅为h和A。cg3．约束条件连拱隧道明洞衬砌多采用整体式衬砌，整体式隧道衬砌截面为偏心受压结构，按《公路[2]规范》规

6、定应按破损阶段计算构件截面强度。3.1强度条件3.1.1小偏心受压KN小偏心受压时（x=>055.h，x为混凝土受压区高度），将规范上的约束公式转0bRW化为含有设计变量h和A的表达式，即：g'2⎡⎤Rb(ha)a−'g(h,A)KNe=−⎢⎥+RAh()−≤20a（4）1ggg⎣⎦2N——轴力e——轴力作用点到钢筋重心Ag的距离，ee.ha=+−05；00e——轴力作用点到钢筋截面重心的距离；0K——为截面安全系数；Ra——混凝土抗压强度；Rg——钢筋抗拉或抗压极限强度；b——截面宽度，b=1.0m-2-ht

7、tp://www.paper.edu.cn3.1.2大偏心受压小偏心受压时（x≤055.h），将规范上的约束公式转化为含有设计变量h和A的表0g达式，即：⎧''−−≤

8、面厚度与宽度之比h/b≤8，按《规范》规定，偏心距增大系数η=1，因此可不考虑偏心距增大对结构的影响。另外结构还应满足变形或裂缝限制的规定，但根据长期的实践经验以及各类结构的计算分析均表明剪力Q对结构强度的影响不大，只需按构造要求配置箍筋即可满足设计要求。3.2配筋率约束为使受拉钢筋能得到充分利用还应满足最大配筋率的限制，将规范上的约束公式转化为含有设计变量h和A的表达式，即：gARg