软土地区地铁盾构隧道管片的设计.doc

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1、_软土地区地铁盾构隧道衬砌的设计姓 名： 班 级：学 号：指导老师： 土木工程学院岩土施工教研室 2013年6月目 录一、荷载计算-31.1、结构尺寸级地层示意图-31.2、隧道外围荷载标准值计算-3二、内力计算-6三、标准管片的荷载计算-93.1、截面及内力确定-93.2、环向钢筋计算-93.3、环向弯矩平面承载力验算-12四、抗浮验算-12五、纵向接缝验算-135.1、接缝强度计算-135.2、接缝张开裂度验算-15六、裂缝张开验算-17七、环向接缝验算-18八、管片局部抗压验算-20九、构造说明-21十、参考文献-21一、 荷载计算1.1、结构尺寸及地层示意图由任务书知：灰色淤泥质粉质粘

2、土上层厚度进行调整：1.2、隧道外围荷载标准值计算1.1.1自重计算1.1.2均布竖向地层荷载h=1.5+1.0+3.5+8.195=14.195mD=6.2m 即属深埋隧道竖向地层荷载： 地面超载：近似均布拱背土压力：即：所以：1.1.3水平地层均布荷载其中：所以: 1.1.4按三角形分布的水平地层压力由： 1.1.5拱底反力 1.1.6侧向土层抗力 且由混凝土结构设计规范知：衬砌圆环抗弯刚度:衬砌圆环抗弯刚度折减系数: 即取：1.1.7荷载示意图圆环外围荷载示意图二、内力计算（用荷载-结构法按均质圆环计算衬砌内力）取一米长度圆环进行计算，其中荷载采用设计值，即考虑荷载组合系数。计算结果如下

3、表（已考虑荷载组合系数）： 隧道圆环内力计算表截面/度弧度内力 荷 重自重轴线半径均布竖向地层荷载水压水平均布荷载底部反力水平压力Pk引起的圆环内力每米内力g(kN/)RH(m)q(kN/)q(kN/)P1(kN/)PR(kN/)P2(kN/)Pk(kN/)10.52.925187.527114.82187.52739.4510.0307400M(Kn.m)44.917031252.925479.7187961-62.56300781-245.5892156-78.61612378-35.440436-0.03129699102.3957472100.17444444442.878847642

4、.925452.9725201-40.92683795-230.7932342-76.03502816-33.8321079-0.029885588114.234274200.34888888936.908722132.925375.7237911-21.84643079-188.188113-68.3700873-29.06259635-0.025694225105.1395915300.52333333327.433040822.925256.5896797-5.900948659-122.9075025-55.85396107-21.32857955-0.01885012578.0128

5、7867400.69777777815.139766362.925108.79689736.425602894-42.81730739-38.86656112-11.04518785-0.00956103137.62364919500.8722222220.9454038192.925-51.377694814.7590665342.43210515-17.923519121.0660843410.001891355-10.09666273601.046666667-14.04931162.925-206.521866318.84649018122.56871476.33946458213.9

6、26304630.014626447-58.87557734701.221111111-28.61315962.925-340.128780318.56380513187.936561533.1859169126.12794720.02684971-102.9008594801.395555556-41.44536372.925-438.519578513.91959192230.659229361.8009467436.067238910.036123288-137.481812901.57-51.24113952.925-492.41814365.054819959245.58890429

7、1.3159799842.174008440.039791803-159.48577881001.744444444-56.75908262.925-497.8090844-7.76143149230.9266536120.653688343.201518570.077767458-110.71088791101.918888889-56.88750522.925-454.3405987-24.14014084188.4391872146.576834138.514392360.022031228-161.81579991202.093333333-50.70684032.925-363.33

8、21191-43.58415248123.2459785162.043592728.30305066-0.00066821-144.03115831302.267777778-37.5453482.925-227.5460963-65.5032672843.20240103156.986815213.66188621-0.030787483-116.77439671402.442222222-17.02558982.925-51.10414835-89.23215744-42.04679528119.7760642-3.505340637-0.064994292-83.202961571502

9、.61666666710.900532012.925160.638046-114.0505616-122.22961638.99053092-20.751486080.14217556-46.360379221602.79111111145.929947992.925401.2533123-139.2051476-187.6845333-94.72206797-35.481565640.149043041-9.7610111551702.96555555687.401090842.925663.4380695-163.9323788-230.5246394-286.9392535-45.403

10、265650.15325932524.19288231803.14134.30178292.925939.234021-187.4816905-245.5879697-538.1333835-48.941260810.15469643153.5461958300-15.356252.925-58.1427463548.87121875335.848558.1427463536.118376780.031793767405.5136393100.174444444N(kN)-14.193314972.925-40.7371202548.13152064325.731589657.26032053

11、5.563668210.031311237411.787975200.348888889-10.768034562.9259.46203092947.47919902296.599882854.639827933.843955030.029878292431.2867394300.523333333-5.2681978492.92586.6422348746.93405433251.963567950.3608103830.836608730.027538429461.4966168400.6977777782.0023860052.925181.889470746.51263377197.2

12、01041444.5531522826.468881430.02436267498.6519283500.87222222210.637263992.925284.25054546.22772903138.910844837.3931379220.865763490.020279891538.3055641601.04666666720.145315262.925382.036992646.0879880584.1165818329.0981007614.473042020.014551846575.9725724701.22111111129.972610092.925464.2138732

13、46.097652539.420618219.919826468.1028284650.007997478607.7354063801.39555555639.527277342.925521.706716546.2564290210.2085376410.136910272.8683550420.002396181630.7066219901.5748.206381122.925548.469826546.559498140.0002129740.0463006220.0058257355.69859E-08643.28804511001.74444444455.423720342.9255

14、50.313057146.9976605910.02568341.3520153870.6150960910.003011982664.73024491101.91888888960.637419012.925535.452036447.5576164639.07694252-12.214045.3784016870.012984798675.90136091202.09333333363.376172532.925504.338026348.2223689983.65349547-36.0533436714.329224530.030298419677.89624251302.2677777

15、7863.263055752.925457.915454448.97174044138.3841467-62.8797704426.7373940.053862383672.44588321402.44222222260.035881832.925397.593420949.78298455196.6741955-83.8216491341.1523733-0.024330105661.39287681502.61666666753.56322322.925325.202927150.631477251.5000558-89.6619161755.61000595-0.027513087646

16、.81825981602.79111111143.855363532.925242.941297651.49146284296.2555548-72.1518929467.96792144-0.029860944630.32984631702.96555555631.069637072.925153.305483252.33683827325.547935-25.2342180576.30160479-0.031302409613.29597791803.1415.509821592.92559.0162689753.14194294335.847648153.9793729179.27555

17、133-0.031793727596.7388121由以上表格知：，在度时轴力最大，弯矩最大。三、标准管片的配筋计算3.1 截面及内力确定由上述内力计算，取，进行内力计算，衬砌管片同时受到较大的正弯矩与负弯矩，采用对称配筋。简化模型为b=1000mm，h=350mm，保护层厚度取50mm。根据修正惯用法中的-法，由于纵缝接头的存在而导致结构整体刚度降低，取圆环整体刚度为：最大负弯矩时：最大正弯矩时：3.2 环向钢筋计算3.2.1按最大负弯矩配筋（假设为大偏心构件）取：，采用对称配筋： 其中：，钢筋选用HRB335钢，则：由：知：得： 近似取：所以：确定为大偏心受拉构件对取矩： 所以：（配筋率满

18、足要求）选配的HRB335的钢筋（）3.2.2按最大正弯矩配筋（ 假设为大偏心构件）取：，采用对称配筋： 其中：，钢筋选用HRB335钢，则：由：知：得： 近似取：所以：确定为大偏心受拉构件对取矩： 所以：（配筋率满足要求）选配的HRB的钢筋（）所以：从安全角度考虑按最大负弯矩配筋。3.3环向弯矩平面承载力验算（按偏心受压验算）所以：确定为大偏心构件对取矩。 （纵向钢筋配筋率满足要求）所以选配的HRB的钢筋（）（构件截面面积）所以：满足要求 四、抗浮验算盾构隧道位于含地下水的土层中时受到地下水的浮力作用，故需验算隧道的抗浮稳定性，用抗浮系数：式中：隧道自重G拱背土压力P垂直荷载F水浮力且：水压

19、力：则： 抗浮稳定性满足要求五. 纵向接缝验算5.1接缝强度计算近似地把螺栓看作受拉钢筋，假设选用2根螺栓。按偏心受压钢筋混凝土截面尽行计算:5.1.1.负弯矩接头（截面） 取5.8级的M30细螺纹，则螺栓预应力引起的轴向力由：得：所以：确定为大偏心受压构件则： 所以：负弯矩接缝强度满足要求5.1.2正弯矩接头（截面） 取5.8级的M30细螺纹，则螺栓预应力引起的轴向力由：得：所以：确定为大偏心受压构件则： 所以：正弯矩接缝强度满足要求5.2接缝张开裂度验算（选取不利接缝截面）管片拼装之际由于受到螺栓（5.8级），在接缝上产生预应力：其中：螺栓预应力引起的轴向力，取M30细螺纹( )螺栓与重心

20、轴偏心距（取25mm）衬砌截面面积和截面距即：当接缝受到外荷载，由外荷载引起的应力：其中：外荷载，由外荷载引起的内力衬砌截面面积和截面距即：由此可得接缝变形量：其中：E防水涂料抗拉弹性模量（取4MPa）l涂料厚度（取4mm）n螺栓个数所以满足要求即：所以1只螺栓不满足要求又所以2个螺栓满足要求根据以上接缝强度计算每延米宽度需要2只螺栓才能满足要求。考虑安全问题，所以取2只螺栓。六、裂缝张开验算(偏心受压构件)取最大弯矩处进行裂缝验算（即截面），此处满足要求，则其他位置亦可满足。 即： 由以上计算知配筋为的HRB335的钢筋（），查混凝土结构设计规范GB50010-2002知：， 由所以：管片裂

21、缝张开宽度满足要求。七、环向接缝验算管片弯矩取最大值，即为时弯矩最大混凝土面积：按环形断面计算： 混凝土：所以管片伸长量：计算纵向螺栓（M30，45钢），螺栓长度为160mm。 且：即：所以：又：即：所以：所以纵向螺栓伸长量：故环峰的综合伸长量： 所以：环缝的伸长量满足要求八、管片局部抗压验算由于管片连接时在螺栓上施加预应力，故需验算螺栓与混凝土连接部位的局部抗压强度。圆形衬砌外径为6200mm，内径5500mm，盾构外径6340mm，盾构千斤顶中心线直径5815mm，盾构千斤顶共24台，每台最大顶力为1500Kn，顶块受力面积尺寸为。由规范混凝土结构设计规范-GB50010-2002知:且：

22、 局部受压面上作用的局部荷载或局部压力设计值,取1500kN；混凝土轴心抗压强度设计值，取23.1N/mm2。混凝土强度（C50）影响系数,取1.0；混凝土局部受压时的强度提高系数；混凝土局部受压面积，取混凝土局部受压净面积，取局部受压的计算底面积；即：又： 所以：局部抗压满足要求九、构造说明9.1混凝土保护层厚度：地下结构的特点是外侧与土、水相接触，内测相对湿度较高。故受力钢筋保护层厚度最小厚度比地面机构增加510mm。本设计中c=50mm。9.2、横向受力钢筋：为便于施工，将横向钢筋与纵向分布钢筋制成焊网。外侧横向钢筋为一闭合钢筋圈，内侧钢筋则沿横向通常配置。9.3、分布钢筋由于考虑混凝土

23、的收缩、温差影响、不均匀沉降等因素的作用，必须配置一定数量的纵向分布钢筋。纵向分布钢筋的配筋率：顶、底板应大于0.15%，对侧墙应大于0.20%。 9.4、箍筋：断面厚度足够，不用配置箍筋。9.5、刚性节点构造：框架转角处的节点构造应保证整体性。9.6、锚固长度：根据公路隧道设计规范-JTG D70-2004取:受压钢筋：la25d=2518=450mm；受拉钢筋（直端）：la30d=3018=540mm，la30d=3012=360mm；受拉钢筋（弯钩端）：la25d=3018=450mm。9.7端部钢筋弯起:根据根据公路隧道设计规范-JTG D70-2004,并考虑施工方便，端部钢筋弯起均取为50mm。十、参考文献1.混凝土结构基本原理 顾祥林主编 同济大学出版社2.地下建筑结构 朱合华主编 中国建筑工业出版社3.盾构隧道衬砌设计指南 国际隧协编写 翟进营 译4. 混凝土结构设计规范-GB50010-200222_