(10.2.1)--10-2沉管结构的设计.ppt

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1、地下建筑结构地下建筑结构地下建筑结构地下建筑结构第第第第10101010章章章章 沉管结构沉管结构沉管结构沉管结构知识点知识点知识点知识点2 2 2 2 沉管结构的设计沉管结构的设计沉管结构的设计沉管结构的设计10.2.1 沉管结构的类型沉管结构的类型钢壳沉管钢壳沉管和和钢筋混凝土沉管钢筋混凝土沉管。钢壳沉管钢壳沉管为外壁或内外壁均为钢壳，中间为钢筋混凝土或为外壁或内外壁均为钢壳，中间为钢筋混凝土或混凝土，混凝土，钢壳和混凝土共同受力钢壳和混凝土共同受力的复杂结构。的复杂结构。钢壳沉管钢壳沉管的优点的优点p钢壳在船坞内预制，下水后浮在水面浇灌钢壳内的大部分混凝钢壳在船坞内预制，下水后浮在水面浇

2、灌钢壳内的大部分混凝土，土，钢壳既是浇灌混凝土的外模板又是隧道的防水层钢壳既是浇灌混凝土的外模板又是隧道的防水层，省去了，省去了钢筋混凝土管段预制所需的干坞工程。钢筋混凝土管段预制所需的干坞工程。10.2 10.2 沉管结构的设计沉管结构的设计沉管结构的设计沉管结构的设计钢壳沉管钢壳沉管和和钢筋混凝土沉管钢筋混凝土沉管。钢壳沉管钢壳沉管的缺点：的缺点：p隧道隧道耗钢量大耗钢量大，钢壳制作的，钢壳制作的焊接工作量大焊接工作量大，防水质量防水质量难以保证；钢壳的难以保证；钢壳的防腐防腐蚀、钢壳与混凝土组合结构受蚀、钢壳与混凝土组合结构受力等问题不易得到较好解决，且力等问题不易得到较好解决，且施工工

3、序复杂施工工序复杂；钢壳；钢壳沉管由于制造工艺及结构受力等原因，断面沉管由于制造工艺及结构受力等原因，断面一般为一般为圆圆形形，每孔一般只能容纳两车道，每孔一般只能容纳两车道，断面利用率很低断面利用率很低，不不经济经济。10.2.1 10.2.1 沉管结构的类型沉管结构的类型沉管结构的类型沉管结构的类型钢壳沉管钢壳沉管和和钢筋混凝土沉管钢筋混凝土沉管。钢筋混凝土沉管钢筋混凝土沉管主要由钢筋混凝土组成，外涂防水涂料。主要由钢筋混凝土组成，外涂防水涂料。缺点缺点：p沉管预制一般在干坞内进行，临时干坞沉管预制一般在干坞内进行，临时干坞工程量较大工程量较大；管段预制；管段预制时须采取严格的施工措施时须

4、采取严格的施工措施防止防止混凝土产生混凝土产生裂缝裂缝。优点优点：p钢筋混凝土沉管用钢量少，钢筋混凝土沉管用钢量少，造价造价相对较低。钢筋混凝土管段一相对较低。钢筋混凝土管段一般采用矩形断面，般采用矩形断面，断面利用率高断面利用率高，多管孔可随意组合。，多管孔可随意组合。10.2.1 10.2.1 沉管结构的类型沉管结构的类型沉管结构的类型沉管结构的类型作用在沉管结构上的作用在沉管结构上的荷载荷载有：有：p结构自重结构自重；水压力水压力；土压力土压力；浮力浮力；施工；施工荷载；预应力；波浪和水流压力；沉降摩荷载；预应力；波浪和水流压力；沉降摩擦力；车辆活载；沉船荷载；地基反力；擦力；车辆活载；

5、沉船荷载；地基反力；混凝土收缩影响；变温影响；不均匀沉陷混凝土收缩影响；变温影响；不均匀沉陷影响；地震荷载等影响；地震荷载等。10.2.10.2.2 2 沉管结构的沉管结构的沉管结构的沉管结构的荷载荷载荷载荷载10.2.10.2.2 2 沉管结构的沉管结构的沉管结构的沉管结构的荷载荷载荷载荷载沉管结构沉管结构沉管结构沉管结构荷载表荷载表荷载表荷载表 表表表表10-210-210-210-2只有结构只有结构自重自重及其相应的及其相应的地基反力地基反力是是恒载恒载。水压力是主要荷载之一水压力是主要荷载之一。设计时要按各种荷载组合情况分别。设计时要按各种荷载组合情况分别计算正常的计算正常的高、低潮水

6、位高、低潮水位的水压力，以及的水压力，以及台风台风时或若干年一时或若干年一遇（如遇（如100年一遇）的特大年一遇）的特大洪水洪水位的水压力。位的水压力。土压力是另一主要荷载土压力是另一主要荷载，且常不是恒载。要考虑，且常不是恒载。要考虑河床变迁河床变迁所所产生的附加土荷载。作用在管段侧边上的水平土压力，在隧产生的附加土荷载。作用在管段侧边上的水平土压力，在隧道刚建成时，侧向土压力往往较小，以后逐渐增加，最终可道刚建成时，侧向土压力往往较小，以后逐渐增加，最终可达静止土压力。设计时应按不利组合分别取用其最小值与最达静止土压力。设计时应按不利组合分别取用其最小值与最大值。大值。10.2.10.2.

7、2 2 沉管结构的沉管结构的沉管结构的沉管结构的荷载荷载荷载荷载浮力浮力也不是个常量。浮力应等于排水量，但作用于沉也不是个常量。浮力应等于排水量，但作用于沉设在设在黏黏性土层性土层中的管段上的浮力，有时也会由于中的管段上的浮力，有时也会由于“滞滞后现象后现象”的作用而大于排水量。的作用而大于排水量。施工荷载施工荷载主要是端封墙、定位塔、压载等重量。主要是端封墙、定位塔、压载等重量。波浪力波浪力一般不大，不致影响配筋。一般不大，不致影响配筋。水流压力水流压力对结构设计影响亦不大，但必须进行水工模对结构设计影响亦不大，但必须进行水工模拟试验予以确定，以便据以设计沉设工艺及设备。拟试验予以确定，以便

8、据以设计沉设工艺及设备。10.2.10.2.2 2 沉管结构的沉管结构的沉管结构的沉管结构的荷载荷载荷载荷载沉降摩擦力沉降摩擦力是在覆土回填之后，沟槽底部受荷不均，是在覆土回填之后，沟槽底部受荷不均，沉降亦不均的情况下发生的。在沉管侧壁防水层之沉降亦不均的情况下发生的。在沉管侧壁防水层之外再喷涂一层外再喷涂一层软沥青软沥青，则可使此项沉降摩擦力大为，则可使此项沉降摩擦力大为减小。减小。10.2.10.2.2 2 沉管结构的沉管结构的沉管结构的沉管结构的荷载荷载荷载荷载图图10-4 沉降摩擦力沉降摩擦力车辆活载车辆活载在进行横断面结构分析、道路隧道的纵在进行横断面结构分析、道路隧道的纵断面结构分

9、析时，常略去不计。断面结构分析时，常略去不计。沉船荷载沉船荷载是船只失事后恰巧沉在隧道顶上时，所是船只失事后恰巧沉在隧道顶上时，所产生的产生的特殊荷载特殊荷载。应视船只的类型、吨位、装载。应视船只的类型、吨位、装载情况、沉设方式、覆土厚度、隧顶土面是否突出情况、沉设方式、覆土厚度、隧顶土面是否突出于两侧河床底面等等许多因素而定，常假定为于两侧河床底面等等许多因素而定，常假定为50130kN/m2左右左右，其发生的机率其发生的机率比较比较小小。10.2.10.2.2 2 沉管结构的沉管结构的沉管结构的沉管结构的荷载荷载荷载荷载地基反力地基反力的分布规律，有不同的的分布规律，有不同的假定假定 1.

10、反力按反力按直线分布直线分布；2.反力强度与各点地基沉降量成正比（反力强度与各点地基沉降量成正比（文克尔文克尔假定假定）3.假定地基为假定地基为半无限弹性体半无限弹性体，按弹性理论计算，按弹性理论计算反力。反力。10.2.10.2.2 2 沉管结构的沉管结构的沉管结构的沉管结构的荷载荷载荷载荷载10.2.10.2.2 2 沉管结构的沉管结构的沉管结构的沉管结构的荷载荷载荷载荷载图图10-5 地基反力假设的一例（日本东京港第一巷道水底道路隧道）地基反力假设的一例（日本东京港第一巷道水底道路隧道）混凝土收缩混凝土收缩影响影响是是由施工缝两侧不同龄期混凝土的由施工缝两侧不同龄期混凝土的（剩余）收缩差

11、所引起，应按初步的施工计划，规（剩余）收缩差所引起，应按初步的施工计划，规定龄期差并设定收缩差。定龄期差并设定收缩差。变温变温影响主要由沉管影响主要由沉管外壁外壁的内外侧温差所引起。设的内外侧温差所引起。设计时可按持续计时可按持续57天的最高气温或最低气温计算。天的最高气温或最低气温计算。计算时可采用计算时可采用日平均气温日平均气温，不必按昼夜最高或最低，不必按昼夜最高或最低气温计算。计算变温应力时，还应考虑气温计算。计算变温应力时，还应考虑徐变徐变影响。影响。10.2.10.2.2 2 沉管结构的沉管结构的沉管结构的沉管结构的荷载荷载荷载荷载管段计算应根据管段在预制、浮运、沉设管段计算应根据

12、管段在预制、浮运、沉设和运营等各不同阶段进行和运营等各不同阶段进行荷载组合荷载组合，一般，一般考虑以下三种：考虑以下三种：基本荷载；基本荷载；基本荷载基本荷载+附加荷载；附加荷载；基本荷载基本荷载+偶然荷载。偶然荷载。10.2.10.2.2 2 沉管结构的沉管结构的沉管结构的沉管结构的荷载荷载荷载荷载浮力设计的内容浮力设计的内容包括包括干舷干舷的选定和的选定和抗浮安全系数抗浮安全系数的验算，的验算，其目的是最终确定沉管结构的高度和外其目的是最终确定沉管结构的高度和外轮廓轮廓尺寸。尺寸。（一）（一）干舷干舷管段在浮运时，为了保持稳定，必须使其管顶露出水面，管段在浮运时，为了保持稳定，必须使其管顶

13、露出水面，露出的高度就称作为露出的高度就称作为干舷干舷。具有一定干舷的管段，遇到。具有一定干舷的管段，遇到风风浪浪而发生而发生倾侧倾侧后，它就会自动产生一个后，它就会自动产生一个反倾力矩反倾力矩M，使管，使管段恢复平衡。段恢复平衡。10.2.3 10.2.3 沉管结构的浮力设计沉管结构的浮力设计沉管结构的浮力设计沉管结构的浮力设计图图10-6 管段的干弦与反倾力矩管段的干弦与反倾力矩（一）（一）干舷干舷p一般一般矩形矩形断面的管段，干舷多为断面的管段，干舷多为1015cm，而圆形、八角，而圆形、八角形或花篮形断面的管段，则因顶宽较小，故干舷高度多采形或花篮形断面的管段，则因顶宽较小，故干舷高度

14、多采用用4050cm。p干舷干舷高度不宜过小高度不宜过小，否则稳定性差。，否则稳定性差。p也不宜过大也不宜过大，因为管段沉设时，首先要灌注一定数量的压，因为管段沉设时，首先要灌注一定数量的压载水，以消除上述干舷所代表的浮力而下沉。干舷越大，载水，以消除上述干舷所代表的浮力而下沉。干舷越大，所需压载水罐所需压载水罐(或水柜或水柜)的容量就越大，就不经济。的容量就越大，就不经济。10.2.3 10.2.3 沉管结构的浮力设计沉管结构的浮力设计沉管结构的浮力设计沉管结构的浮力设计（一）（一）干舷干舷10.2.3 10.2.3 沉管结构的浮力设计沉管结构的浮力设计沉管结构的浮力设计沉管结构的浮力设计图

15、图10-7 圆形、八角形和花篮形断面圆形、八角形和花篮形断面（一）（一）干舷干舷p极个别的情况下，由于沉管的极个别的情况下，由于沉管的结构厚度较大结构厚度较大，无法自浮无法自浮（即没有干舷），则须于顶部（即没有干舷），则须于顶部设置浮筒助浮设置浮筒助浮，或在管段顶，或在管段顶上上设置钢围堰设置钢围堰，以产生必要的干舷。，以产生必要的干舷。p在制作管段时，混凝土的在制作管段时，混凝土的重度重度和模板和模板尺寸尺寸，总不免有一定，总不免有一定幅度的变动和幅度的变动和误差误差；在涨潮、落潮以及各不同施工阶段中，；在涨潮、落潮以及各不同施工阶段中，河水比重河水比重也会有一定幅度的也会有一定幅度的变动变

16、动。应按最大的混凝土重度，应按最大的混凝土重度，最大的混凝土体积和最小的河水比重来计算干舷最大的混凝土体积和最小的河水比重来计算干舷。10.2.3 10.2.3 沉管结构的浮力设计沉管结构的浮力设计沉管结构的浮力设计沉管结构的浮力设计（二）抗浮安全系数（二）抗浮安全系数p K管段总重管段总重/管段排水重管段排水重p K=1.051.10 管段管段沉放沉放阶段阶段p K=1.21.5 管段管段使用使用阶段阶段p设计计算时，应按设计计算时，应按最小的混凝土容重和体积最小的混凝土容重和体积，最最大的河水比重大的河水比重来计算各阶段的抗浮安全系数。来计算各阶段的抗浮安全系数。10.2.3 10.2.3

17、 沉管结构的浮力设计沉管结构的浮力设计沉管结构的浮力设计沉管结构的浮力设计（三）沉管结构的外轮廓尺寸（三）沉管结构的外轮廓尺寸p根据沉管隧道使用阶段的根据沉管隧道使用阶段的通风要求通风要求及及行车限界行车限界等确定隧孔等确定隧孔的内净宽度，以及车行道净空高度。的内净宽度，以及车行道净空高度。p沉管结构的沉管结构的全高全高以及其它以及其它外廓尺寸外廓尺寸的确定必须的确定必须满足沉管的满足沉管的抗浮设计要求抗浮设计要求，必须经过浮力计算和结构分析的，必须经过浮力计算和结构分析的多次试多次试算算与复算，才能予以确定。与复算，才能予以确定。10.2.3 10.2.3 沉管结构的浮力设计沉管结构的浮力设

18、计沉管结构的浮力设计沉管结构的浮力设计图图10-8 沉管的结构截面沉管的结构截面10.2.4 10.2.4 沉管结构计算与配筋沉管结构计算与配筋沉管结构计算与配筋沉管结构计算与配筋（一）（一）横向结构计算横向结构计算p横截面多是横截面多是多孔多孔（单孔的极少）箱形框架。（单孔的极少）箱形框架。p管段横断面内力一般按管段横断面内力一般按弹性支承箱形框架结构弹性支承箱形框架结构计算。计算。p由于荷载组合的种类较多，而箱形框架的结构分析必须经过由于荷载组合的种类较多，而箱形框架的结构分析必须经过“假定构假定构件尺寸件尺寸分析内力分析内力修正尺寸修正尺寸复算内力复算内力”的几次循环，而且即使在的几次循

19、环，而且即使在同一节管段（一般为同一节管段（一般为100m长）中，因隧道纵坡和河底标高变化的关长）中，因隧道纵坡和河底标高变化的关系，各处断面所受水、土压力不同（尤其是接近岸边时，荷载常急剧系，各处断面所受水、土压力不同（尤其是接近岸边时，荷载常急剧地变化）。地变化）。p不能仅按一个横断面不能仅按一个横断面的结构分析结果来进行整节管段的横向配筋。的结构分析结果来进行整节管段的横向配筋。（二）纵向结构计算（二）纵向结构计算p施工阶段施工阶段的沉管纵向受力分析，主要是计算的沉管纵向受力分析，主要是计算浮运浮运、沉设沉设时时施工荷载（定位塔、端封墙等）所施工荷载（定位塔、端封墙等）所引起的内力引起的

20、内力。p使用阶段使用阶段的纵向受力分析，一般按的纵向受力分析，一般按弹性地基梁理论弹性地基梁理论进行计进行计算。算。p沉管隧道纵断面设计需要沉管隧道纵断面设计需要考虑温度荷载和地基不均匀沉降考虑温度荷载和地基不均匀沉降以及其他各种荷载，根据隧道性能要求进行合理组合。以及其他各种荷载，根据隧道性能要求进行合理组合。10.2.4 10.2.4 沉管结构计算与配筋沉管结构计算与配筋沉管结构计算与配筋沉管结构计算与配筋（三）（三）结构验算及配筋结构验算及配筋p沉管结构的截面和配筋设计，应遵照交通部沉管结构的截面和配筋设计，应遵照交通部公路桥涵设计通用公路桥涵设计通用规范规范(JTG D60-2015)

21、进行。进行。p沉管结构的混凝土沉管结构的混凝土28d强度强度等级，宜采用等级，宜采用C30C45。p采用较高的强度等级，主要是为了采用较高的强度等级，主要是为了抗剪抗剪的需要。的需要。p设计时可根据施工进度计划的安排，尽量充分利用设计时可根据施工进度计划的安排，尽量充分利用后期强度后期强度。在。在干坞规模较小，需分批浇筑时，可按更长的龄期计算。干坞规模较小，需分批浇筑时，可按更长的龄期计算。p沉管结构在外防水层保护下的沉管结构在外防水层保护下的最大容许裂缝宽度为最大容许裂缝宽度为0.150.2mm，不宜采用不宜采用III级或级或III级以上的钢筋。级以上的钢筋。10.2.4 10.2.4 沉管

22、结构计算与配筋沉管结构计算与配筋沉管结构计算与配筋沉管结构计算与配筋（三）（三）结构验算及配筋结构验算及配筋钢筋的钢筋的容许应力容许应力一般限于一般限于135160MPa，设计时采用的容许，设计时采用的容许应力可按不同的应力可按不同的荷载组合条件荷载组合条件，分别加以相应的，分别加以相应的提高率提高率：A 结构自重保护层、路面、压载重量覆土荷载十土压力结构自重保护层、路面、压载重量覆土荷载十土压力高潮水压力高潮水压力 0%B 结构自重保护层、路面、压载重量覆土荷载土压力结构自重保护层、路面、压载重量覆土荷载土压力低潮水压力低潮水压力 0%10.2.4 10.2.4 沉管结构计算与配筋沉管结构计

23、算与配筋沉管结构计算与配筋沉管结构计算与配筋（三）（三）结构验算及配筋结构验算及配筋p钢筋的钢筋的容许应力容许应力一般限于一般限于135160MPa，设计时采用的容许应力可按，设计时采用的容许应力可按不同的荷载组合条件，分别加以相应的不同的荷载组合条件，分别加以相应的提高率提高率：C 结构自重保护层、路面、压载重量结构自重保护层、路面、压载重量覆土荷载土压力覆土荷载土压力台风时或台风时或特大洪水位水压力特大洪水位水压力 30%D A变温影响变温影响 15E A十十特殊荷载特殊荷载（如沉船、地震等）混凝土的主拉应力（如沉船、地震等）混凝土的主拉应力 30p其他应力其他应力 50p沉管结构的纵向钢

24、筋，一般沉管结构的纵向钢筋，一般不应少于不应少于0.25。10.2.4 10.2.4 沉管结构计算与配筋沉管结构计算与配筋沉管结构计算与配筋沉管结构计算与配筋当隧孔当隧孔跨度较大跨度较大（例如车道数较多，达三车道以上），而且（例如车道数较多，达三车道以上），而且水、土压力水、土压力又较大又较大（例如达到（例如达到300400kN/m2）时，沉管结构的顶、底板受到的）时，沉管结构的顶、底板受到的剪剪力力相当可观，必须相当可观，必须放大支托放大支托。只能相应地只能相应地增加沉管结构的全高度增加沉管结构的全高度（常需为此而增加覆土（常需为此而增加覆土11.5m）。必）。必然导致：然导致：增加沉管的排

25、水量增加沉管的排水量。但为保证规定的抗浮安全系数，又要相应地增加压。但为保证规定的抗浮安全系数，又要相应地增加压载混凝土的数量；载混凝土的数量；增加水底沟槽的开挖深度增加水底沟槽的开挖深度，亦即增加挖土方量；，亦即增加挖土方量；增加引道深度增加引道深度。不但使引道的支挡结构受到更大的土压力，从而增加这。不但使引道的支挡结构受到更大的土压力，从而增加这部分结构的工程量，有时更会遇到其他水文地质上的困难；部分结构的工程量，有时更会遇到其他水文地质上的困难；增加增加隧道隧道全长全长、总工程量和总造价总工程量和总造价。10.2.5 10.2.5 预应力的应用预应力的应用预应力的应用预应力的应用采用采用预应力混凝土预应力混凝土结构可得到较结构可得到较经济的解决经济的解决。有两种做法：一。有两种做法：一种是种是全预应力全预应力，一种是，一种是部分预应力部分预应力。比较多的是采用比较多的是采用部分预应力部分预应力。但一般仍配置一定数量的普通非。但一般仍配置一定数量的普通非预应力钢筋，以作临时抗衡之用，数量可少些。预应力钢筋，以作临时抗衡之用，数量可少些。10.2.5 10.2.5 预应力的应用预应力的应用预应力的应用预应力的应用临时预应力拉筋临时预应力拉筋临时预应力拉筋临时预应力拉筋图图图图10-10 10-10 10-10 10-10 勒方汀隧道断面勒方汀隧道断面勒方汀隧道断面勒方汀隧道断面