一种用于加筋土挡墙的整体式面板结构设计方法与流程

本发明涉及交通路基设施，特别涉及一种用于加筋土挡墙的整体式面板结构设计方法。

背景技术：

1、加筋土挡墙在我国铁路、公路、水利、建筑、煤矿等部门已得到广泛应用，主要用于路基、站台、桥台、堤坝、护岸、水运码头等土工建筑物领域。加筋土挡墙作为支挡结构具有施工简便，占地少，外形美观，造价较低等优点。加筋土挡墙主要由墙面板、拉筋和填料组成，利用填料与拉筋间的摩擦作用，把侧向土压力传递给拉筋，使土体保持稳定，并以这一复合结构抵挡加筋土体后部的土压力，从而保持整个结构的稳定。

2、目前我国铁路基本上都采用钢筋混凝土面板，当面板与拉筋直接连接时，因其受墙背水平土压力和拉筋抗力作用，故需进行结构设计。常用面板的种类根据墙面结构形式分为：组合式面板和整体式面板，也可采用空心混凝土模块、挂网喷护等轻型墙面。其中，整体式面板由于采用了包裹加筋，被认为在理论上不承受土压力作用，故采用c30钢筋混凝土并按构造要求布筋，用于美化墙面、保护拉筋免受机械损伤及防止拉筋材料受日照老化。

3、在实际工程中，整体式面板具有较强的抗变形能力，但是由于加筋材料的蠕变，面板仍然受到较大的土压力，故按照构造要求进行整体式面板设计并不合理，易造成面板破坏及变形过大。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有的整体式面板结构设计不合理，容易造成面板破坏及变形过大的问题，提供一种用于加筋土挡墙的整体式面板结构设计方法。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种用于加筋土挡墙的整体式面板结构设计方法，包括以下步骤：

4、s1.计算整体式面板的土压力，所述整体式面板的土压力介于双楔法确定的主动土压力和静止土压力之间；

5、s2.将所述整体式面板的土压力与作用于加筋土挡墙顶部的荷载作为外力，计算所述整体式面板的内力；将所述整体式面板当作连续梁，将所述整体式面板的加筋材料作为弹簧支点，计算所述整体式面板及所述加筋材料的作用组合设计响应值，计算所述整体式面板的结构受力及所述加筋材料的受力；

6、s3.进行所述加筋材料的拉拔设计；

7、s4.计算所述整体式面板的配筋。

8、本发明提供的用于加筋土挡墙的整体式面板结构设计方法，建立了一套完整有效的加筋土挡墙的整体式面板结构设计方法，充分考虑了加筋土的土压力特点及加筋材料的柔性蠕变特征，该方法将整体式钢筋混凝土面板概化为一端简支一端自由的弹性支撑连续梁，将加筋材料假设为一系列可伸长变形的弹簧支撑，便于后续计算出整体式面板及加筋材料的荷载；该方法有效解决了加筋土挡墙的整体式面板结构设计不合理，容易造成面板破坏及变形过大的问题。

9、可选地，s1中双楔法确定的静止土压力系数通过公式一计算，公式一为：

10、

11、式中：

12、k0—双楔法确定的静止土压力系数；

13、kh—水平地震系数；

14、—加筋土挡墙的墙背内摩擦角，单位：°。

15、可选地，s1中双楔法确定的主动土压力计算如下：

16、假设各作用力处于极限平衡状态，定义所述加筋土挡墙靠近填方一侧区域为b区，所述加筋土挡墙靠近所述整体式面板一侧加筋的区域为f区，则所述b区的反力计算如下：

17、公式二：

18、公式三：

19、所述f区的反力计算如下：

20、公式四：

21、公式五：

22、公式二～公式五中：

23、wb—楔体b的重量，单位：kn/m；

24、wf—楔体f的重量，单位：kn/m；

25、lb—作用于楔体b上的荷载，单位：kn/m；

26、lf—作用于楔体f上的荷载，单位：kn/m；

27、pf—土压合力，单位：kn/m；

28、pbf—楔体b的土压合力，单位：kn/m；

29、rf—楔体f的底面反力，单位：kn/m；

30、rb—楔体b的底面反力，单位：kn/m；

31、—加筋土挡墙的墙背内摩擦角，单位：°；

32、—楔体间的内摩擦角，单位：°；

33、—楔体b填料的内摩擦角，单位：°；

34、—楔体f填料的内摩擦角，单位：°；

35、θb—楔体b破裂面与水平线夹角，单位：°；

36、θbf—楔体b与垂直线夹角，单位：°；

37、θf—楔体f破裂面与水平线夹角，单位：°；

38、θfw—加筋土挡墙的墙背与垂直线夹角，单位：°；

39、所述加筋土挡墙的等效均布应力通过公式六计算，公式六为：

40、

41、式中：

42、pfx—整体式面板所受双楔体水平土压力，单位：kn；

43、h—加筋土挡墙高度，单位：m；

44、m—加筋土挡墙弯矩，单位：kn.m；

45、q1—加筋土挡墙顶部均布应力，单位：kpa；

46、q2—加筋土挡墙底部均布应力，单位：kpa。

47、可选地，s2中，所述加筋材料的弹簧系数通过公式七计算，公式七为：

48、ks＝as×ts/(0.05×l)

49、式中：

50、ks—加筋材料的弹簧系数；

51、ts—空气中加筋材料拉长5％应变时的抗拉强度；

52、l—加筋材料的标准长度，单位：m；

53、as—加筋材料考虑约束的修正系数。

54、可选地，s2中，计算所述整体式面板的结构受力及所述加筋材料的受力方法为：

55、按照弹性支撑连续梁建立2n+1个方程，形成公式八，求取所述加筋材料与所述整体式面板交接处2n+1个弯矩及变形数值，公式八为：

56、

57、式中，

58、mi—第i点加筋材料与整体式面板交界处的弯矩，单位：kn/m；

59、vi—第i点加筋材料的变形，单位：kn/m；

60、ei—整体式面板刚度，单位：kn/m2；

61、qi—第i点加筋材料处所受到的土压荷载应力，单位：kpa；

62、ks—加筋材料的弹簧系数。

63、可选地，s3包括以下步骤：

64、根据公式九对所述加筋材料进行裂缝承载能力极限状态检算，公式九为：

65、γ0sd≤rd

66、式中：

67、γ0—结构重要性系数；

68、sd—作用组合设计响应值；

69、rd—结构抗力设计值；

70、所述加筋材料的作用组合设计响应值及所述加筋材料的结构抗力设计值表达式如下所示：

71、公式十：sdi＝ksi·vi

72、公式十一：rdi＝ti＝min(tp,tk)

73、公式十、公式十一中：

74、rdi—第i点加筋材料的结构抗力设计值；

75、sdi—第i点加筋材料的作用组合设计响应值；

76、ksi—第i点加筋材料的弹簧系数；

77、ti—加筋材料的设计拉力，单位：kn/m；

78、tp—加筋材料的抗拉力，单位：kn/m；

79、tk—加筋材料的抗拔力，单位：kn/m；

80、根据公式十二、公式十三对所述加筋材料进行变形正常使用设计：

81、公式十二：sd≤c

82、公式十三：sd＝vi

83、式中：

84、c—变形规定的限值。

85、可选地，s4中计算所述整体式面板的配筋，是对所述整体式面板每个截面上的钢筋混凝土构件的抗弯、抗剪、裂缝进行设计，包括以下步骤：

86、s41.进行抗弯检算，所述钢筋混凝土构件根据公式九进行裂缝承载能力极限状态检算；

87、s42.进行抗剪检算，所述钢筋混凝土构件根据公式九进行抗剪承载能力极限状态检算；

88、s43.进行裂缝检算，所述钢筋混凝土构件正常使用极限状态设计采用公式十二。

89、可选地，s41中sd的计算公式为：

90、在一般地区和浸水地区常水位时，采用公式十四：

91、sd＝γgsgk+γqsqk

92、式中：

93、sgk—土压力产生的弯矩或剪力；

94、sqk—动荷载产生的弯矩或剪力；

95、γg—采用极限状态设计的土压力作用效应系数；

96、γq—采用极限状态设计的荷载作用系数；

97、在浸水工况洪水位时，采用公式十五：

98、sd＝γgsgk+swk+γqsqk

99、式中：

100、swk—水压力产生的弯矩或剪力；

101、在地震工况时，采用公式十六：

102、sd＝γgsgk+γisek+γqsqk

103、式中：

104、sek—地震力产生的弯矩或剪力；

105、γi—采用极限状态设计的地震作用系数；

106、s41中rd的计算公式为公式十七：

107、

108、混凝土受压区高度x按公式十八确定，公式十八：

109、α1fcbx＝fyas-f′ya′s

110、混凝土受压区高度x符合公式十九和公式二十的条件：

111、公式十九：x≤ξbh0

112、公式二十：x≥2a′s

113、公式十七～公式二十中：

114、a1—系数，取1.0；

115、fc—混凝土轴心抗压强度设计值；

116、fy—普通钢筋强度设计值；

117、as—受拉区纵向普通钢筋的截面面积，单位：n/mm2；

118、as′—受压区纵向普通钢筋的截面面积，单位：n/mm2；

119、b—整体式面板单位宽度，单位：mm；

120、h0—整体式面板截面有效高度，单位：mm；

121、a′s—受压区纵向受力钢筋合力点至截面受压边缘的距离，单位：mm；

122、ξb—相对界限受压区高度，单位：mm。

123、可选地，s42中，作用组合设计响应值按照公式十四、公式十五计算；

124、s42中rd的计算公式为：

125、公式二十一：rd＝0.025βcfcbh0

126、式中：

127、βc—混凝土强度影响系数，取1.0；

128、当配置箍筋或弯起钢筋时，钢筋混凝土受弯构件的斜截面剪力抗力设计值的计算公式为：

129、公式二十二：rd＝vcs+vbs

130、公式二十三：

131、公式二十四：vbs＝0.8fyvasbsinαs

132、公式二十二～公式二十四中：

133、vcs—构件斜截面上混凝土和箍筋的剪力抗力设计值；

134、vbs—构件斜截面上弯起钢筋抗拉设计值；

135、αcv—斜截面混凝土剪力抗力系数；

136、asv—配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积；

137、s—沿构件长度方向的箍筋间距；

138、fyv—箍筋或弯起钢筋的抗拉强度设计值；

139、asb—同一平面内弯起钢筋的截面面积；

140、αs—斜截面上弯起钢筋与构件纵轴线的夹角。

141、可选地，s43中，最大裂缝宽度的计算公式如下：

142、公式二十五：

143、公式二十六：

144、公式二十七：

145、公式二十八：

146、公式二十九：

147、公式二十五～公式二十九中：

148、αcr—构件受力特征系数；

149、ψ—裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；

150、σsq—按荷载准永久组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉钢筋应力，单位：n/mm2；

151、es—钢筋的弹性模量，单位：n/mm2；

152、cs—最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离，单位：mm；

153、deq—受拉区纵向钢筋的等效直径，单位：mm；

154、ρte—按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率；

155、ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值，单位：n/mm2；

156、as—受拉区纵向普通钢筋截面面积，单位：n/mm2；

157、h0—整体式面板截面有效高度，单位：mm；

158、ate—有效受拉混凝土截面面积，单位：n/mm2；

159、di—受拉区第i种纵向受拉钢筋的公称直径，单位：mm；

160、ni—受拉区第i种纵向受拉钢筋的根数；

161、vi—受拉区第i种纵向钢筋的相对粘结特征性系数；

162、公式二十七中，mq采用标准组合时，

163、sd＝sgk+sqk

164、公式二十七中，mq采用准永久组合时，

165、sd＝sgk+ψqsqk

166、式中：

167、ψq—可变作用的准永久值系数，ψq≥0.6。

168、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

169、1.本发明提供的用于加筋土挡墙的整体式面板结构设计方法，建立了一套完整有效的加筋土挡墙的整体式面板结构设计方法，充分考虑了加筋土的土压力特点及加筋材料的柔性蠕变特征，该方法将整体式钢筋混凝土面板概化为一端简支一端自由的弹性支撑连续梁，将加筋材料假设为一系列可伸长变形的弹簧支撑，便于后续计算出整体式面板及加筋材料的荷载；该方法有效解决了加筋土挡墙的整体式面板结构设计不合理，容易造成面板破坏及变形过大的问题。

170、2.本发明提供的用于加筋土挡墙的整体式面板结构设计方法，针对土工合成材料的特点，充分考虑了各层加筋材料与整体式面板接头处的抗拉、抗拔以及变形特性，设置各层土工合成材料拉拔承载能力小于等于加筋材料抗拉及抗拔力的最小值；根据土工合成材料拉拔试验，将变形限值取标准加筋材料长度在空气中拉长5％的变形值作为限值，建立了极限状态方程。