地下建筑结构设计说明书aoliyun.docx

《地下建筑结构设计说明书aoliyun.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地下建筑结构设计说明书aoliyun.docx（23页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、目录1.天津城建大学课程设计任务书2451011164. 盾构标准管片配筋与裂缝计算1718张开度验算1920212324天津城建大学课程设计任务书2013 2014 学年第 1 学期 土木工程 学院 城市地下空间工程 专业 10地下1、2 班级课程设计名称： “地下混凝土结构设计”课程设计 设计题目： 盾构法隧道衬砌管片设计 完成期限：自2014 年 1 月 6 日 至 2014 年 1 月 17 日共 2 周设计依据、要求及主要内容（可另加附页）：指导教师（签字）： 鹿群、李岩 系（教研室）主任（签字）： 批准日期： 年 月 日附页任务书一、设计题目 盾构法隧道衬砌管片设计二、如图所示，为

2、一软土地区地铁盾构隧道横断面，有一块封顶块K，两块邻接块L，两块标准块B以及一块封底块D六块管片组成，衬砌外D0=6200mm，厚度t=350mm，采用通缝拼装，地层基床系数k=20000kN/m3。混凝土强度为C50，环向螺栓为级（可用级）M30，管片裂缝宽度允许值为mm，接缝张开允许值为3mm。地面超载为20kPa。试计算衬砌受到的荷载，并用荷载-结构法按均质圆环计算衬砌内力，画出内力图，并进行隧道抗浮、管片局部抗压、裂缝、接缝张开等验算及一块标准管片配筋计算，并绘制设计施工图。说明：1、 灰色淤泥质粉质粘土上层厚度1355mm，根据后3位学号ABC调整，1350+ABC*50 （mm）2

3、、 同济曙光等软件进行本题的荷载结构法计算（能增加地层-结构法计算更好！）参考资料：1混凝土结构基本原理 刘文锋主编 高等教育出版社2地下建筑结构 朱合华主编 中国建筑工业出版社3地下结构设计 刘增荣主编 中国建筑工业出版社三、设计成果设计结束后，必须上交计算书及图纸。要求计算书干净整洁，条理清晰，内容全面，图纸版面安排合理，比例大小适中，计算书及图纸要符合以下统一要求：（一） 课程设计说明书规范1、说明书（论文）基本格式说明书（论文）手写，用黑或蓝黑墨水，书写工整。文中标题采用宋体加粗。2、说明书（论文）结构及要求（1）封面包括：题目、系别、班级、完成日期、成绩及指导教师（签字）、学生姓名等

4、项。（2）目录要求层次清晰，给出标题及页次。最后一项为参考资料。（3）正文正文应按照目录所确定的顺序依次撰写，要求计算准确，论述清楚、简练、通顺，插图清晰整洁。文中图、标及公式应规范地绘制和书写。 （二） 图纸要求： 衬砌圆环构造图天津城建大学土木工程学院 设计图纸包括以下内容：（1）衬砌圆环构造图。（2）标准管片构造图。（三）图签：如右图所示四、其他要求1、考勤： 设计必须在教室完成，每天按上课时间到校，迟到、早退及旷课均在设计成绩内减分成绩不合格者将重修。2、设计如发现抄袭，抄袭人及被抄袭人均将重修。第二章 荷载计算荷载计算主要考虑基本使用阶段的情况进行计算，其中作用在盾构隧道管片上的荷载

5、主要包括管片自重g（假设初衬的防水效果良好，不需要设置二次衬砌）、竖向土压力q、拱背土压力G（在内力计算时，将其简化为作用在拱背上的均布荷载）、地面超载q（在内力计算时，将其叠加到作用在拱背上的竖向土压力中）、侧向均匀主动土压力p1、侧向三角形主动土压力p2、侧向土层抗力qk、作用在盾构管片上的水压力、拱底反力PR（在内力计算中，不需要使用）。土压力计算时，采用水土分算法则进行计算，不考虑静水压力的折减系数。其中由于在计算荷载与衬砌内力时，所使用公式是建立在线弹性体系的理论基础上，所计算得出的内力值与荷载成线性相关，所以可以在进行荷载内力组合之前的荷载计算时就考虑荷载的分项系数，从而使得在计算

6、各个分项荷载所产生的内力值时，就已经考虑了荷载的分项系数，则在荷载的组合效应分析中，可以直接将荷载所产生的内力值进行组合，不需要再次考虑荷载的分项系数！在拱顶部土压力计算时，采用太沙基公式进行计算时，公式中使用了荷载分项系数，为了统一计算，故在荷载计算时也统一采用相应的分项系数，以后在内力计算与荷载组合时便不需要再次使用荷载分项系数。计算时，统一单位：kN、m ;水的重度为：w=10kNm3 ;其中C50混凝土的弹性模量取：E=3.45107kPa，=26kNm3 ；衬砌圆环厚度取：h=350mm ，衬砌圆环弯刚度: EJ=3.4510710.35312=1.233105kNm21、管片自重g

7、计算：由设计题目可知，设计管片厚度为：=350mm 其中管片重度取：=26kNm3则，管片自重为：g=1.2=1.2260.35=10.92kNm22、竖向土压力q计算：由设计题目可知，该盾构隧道埋深为：h=1.5+1.0+3.5+12.755=18.755m其中隧道埋深h=18.755m远大于隧道二倍直径2D=12.4m ，同时隧道顶部具有一层较厚的灰色淤泥质粉质粘土，该土层具有一定的抗剪强度：=18kNm3 ,c=12.2kPa ，=8.9。此时作用在拱顶部的土压力q值小于拱顶部覆土层的自重，土压力值q可以根据太沙基理论计算拱顶部松动土压力q为： 其中： H=h=18.755m , c=1

8、.64512.2+2.925+1.2812.11.645+2.925+1.28=12.1kPa , =1.6458.9+2.925+1.287.21.645+2.925+1.28=7.7 ，Po=20kNm2由于土层位于地下水位以下：土压力计算采用水土分算法则，取土的浮重度：=8kNm3 其中B1的值，通过三角函数关系得：B1=D2cot45+22=6.22cot45+8.922=6.73m 则，竖向土压力值q为：q=1.26.738-12.16.73tan7.71-e-18.7556.73tan7.7+1.420e-18.7556.73tan7.7=135.52kNm2若，不考虑土层的成拱效

9、应，则作用在拱顶部的土压力q为：q=1.2ihi+1.4Po=1.20.518+1.08+1.09.1+3.58.7+12.7558+1.420=218.31kNm2135.52kNm2可见考虑土层的成拱效应，将会使得作用在拱顶部的土压力值极大的减小，从而在保证设计安全的同时，为工程设计带来巨大的经济效益！故，在拱顶部荷载计算时，需要考虑拱顶部土层的成拱效应，设计时取拱顶部荷载为：q=135.52kNm23、地面超载q计算（其中在拱顶部土压力计算时，应考虑了地面超载的影响，故在内力计算时，不需要再次进行叠加）：由设计题目可知，地面超载值为：Po=20kNm2 考虑分项系数，作用在拱顶部的地面超

10、载为：q=1.420=28kNm24、拱背土压力G计算：由设计题目可知，衬砌圆环的计算半径取：RH=6.2-0.352=2.925m ，拱背处土层浮重度为：=8kNm3 。则，拱背土压力值G为：G=1.221-4RH2=1.221-42.92528=35.25kNm则，作用在拱顶部的均布土压力为：pe1=135.52+35.256.2=141.21kNm25、侧向均匀主动土压力p1计算：由设计题目可知，计算侧向土压力时需要考虑拱侧土层的抗剪强度指标，其中拱侧具有两层不同性质的土层，需要使用等效抗剪强度指标： c=1.64512.2+2.925+1.2812.11.645+2.925+1.28=

11、12.1kPa , =1.6458.9+2.925+1.287.21.645+2.925+1.28=7.7侧向均匀主动土压力p1为：p1=qtan45-22-2ctan45-2 式中第一项在计算拱顶部土压力时已考虑了荷载分项系数，故在此只需对第二项考虑荷载分项系数。则，侧向均匀主动土压力p1为： p1=qtan45-22-21.2ctan45-2=135.52tan45-7.722-21.212.1tan45-7.72=78.12kNm26、侧向三角形主动土压力p2计算：由设计题目可知，在拱底部的土层内摩擦角为：=7.2 ，土层的浮重度为：=7.1kNm3 ，衬砌圆环的计算半径取：RH=2.9

12、25m 则，侧向三角形主动土压力p2为： p2=21.2RHtan45-22=21.22.9257.1tan45-7.222=38.74kNm2则，作用在拱侧的梯形主动土压力为：qe1=78.12kNm2qe2=78.12+38.74=116.86kNm27、作用在盾构管片上的水压力计算（不考虑水压力的折减系数）：由设计题目可知，地下水位的位置为：h=-0.5m 则，作用在拱顶部的静水压力pw1为：qw1=1.2101.0+1.0+3.5+12.755=219.06kNm2 侧向三角形静水压力pw2为：qw2=1.2102RH=1.21022.925=70.20KNm2则，作用在拱侧的梯形静水

13、压力为：qw1=219.06kNm2qw2=219.06+70.20=289.26kNm2 作用在拱顶部的静水压力为：pw1=219.06kNm28、侧向土壤抗力qk计算：由设计题目可知,衬砌圆环刚度折减系数为：=0.7 ，衬砌圆环侧向地层基床系数为：k=20000kNm3 ，衬砌圆环的抗弯刚度: EI=1.233104kNm2 ，衬砌圆环计算半径为：Rc=2.925m衬砌圆环在水平直径处的变形量为：式中：pe1=141.21kNm2 ，pw1=219.06kNm2 ，qe1=78.12kNm2 ，qe2=116.86kNm2 ，qw1=219.06kNm2 ，qw2=289.26kNm2则，

14、衬砌圆环在水平直径处的变形量为：=2pe1+pw1-qe1+qw1-qe2+qw2RH424EI+0.0454kRH4=2141.21+219.06-78.12+219.06-116.86+289.262.9254240.71.233105+0.0454200002.9254 =1.02910-3m则，衬砌圆环所受到的侧向土层的侧向抗力qk为： qk=k=200001.02910-3=20.57kNm29、拱底反力PR计算：由设计题目与计算图示可知：作用在拱底部的拱底反力PR（作用在衬砌圆环上的荷载竖向平衡原理）为：PR=pw1+pe1+g则，作用衬砌圆环的拱底反力PR为：PR=pw1+pe1

15、+g-2RHw+0.2146RH=219.06+141.21+10.92-22.92510+0.21462.9257.1=353.09 kNm2综上所述，如下计算图示中，各荷载值分别为：g=10.92kNm2 ，pe1=141.21kNm2 ，qe1=78.12kNm2 ，qe2=116.86kNm2，qw1=219.06kNm2 ，qw2=289.26kNm2 ，pw1=219.06kNm2 ，qk=20.57kNm2 ，PR=353.09kNm2第三章 盾构管片内力计算在以上计算出衬砌圆环所受到的荷载后，可以采用惯用修正法进行衬砌圆环的内力计算。其中衬砌圆环内力计算公式如下： 1、惯用修正

16、法计算：使用惯用修正法，假设衬砌圆环为均质圆环，同时考虑接头对于衬砌圆环刚度的影响，则对衬砌圆环的刚度取为：EJ=EJ=0.73.4510710.35312=8.631104kNm2 ，对均质衬砌圆环内力计算结构，考虑接头影响，进行一下处理： 接头处内力：Mj=1-M ,Nj=N 非接头（管片）处内力：Mj=1+M ,Nj=N （其中=0.3）运用Excel2007计算衬砌圆环内力：其中为了能够更加精确地描述圆环内力的变化，对于接头处内力、以及管片内每5度作为一个内力计算点进行计算；同时由于对称性，可以考虑只计算角度为0180度的范围内内力值。内力计算点内力项（单位：kN、m）度数弧度MNQ0

17、048131823283338434853586368737883889398103108113118123128133138143148153158163168173180利用对称性，可以得出180360度的内力值：内力计算点内力项（单位：kN、m）内力计算点内力项（单位：kN、m）度数弧度MNQ度数弧度MNQ00187419281971320218207232122821733222382274323248237532425824763252682577326278267832728827793282982871032921082971133021183071233121283171333

18、221383271433321483371533421583471633521683561733600180 根据计算结果，做出衬砌圆环的弯矩图、轴力图、剪力图：将弯矩图、轴力图、剪力图描于同一图得：2、同济曙光荷载结构法进行计算：其中均质圆环半径为： ；作用在均质圆环上的单向受压弹簧：Kn=1kNm3（将弹性抗力作为为荷载施加在结构上，同时减少地层对衬砌的影响），圆环采用各项同性的直梁（壳）单元：E=3.45107kPa ，A=0.35m2 ，Y=-31.2kN/m3 ，I=3.57310-3m4 ；作用在均质圆环上的均布Y方向荷载分别为：q1=320.54kPa ，q2=320.54kPa

19、 ；作用在均质圆环上的X方向梯形荷载分别为：q1=243.75kPa ，q2=313.59kPa ；同时考虑地基抗力作用在45范围内的三角形地基抗力，大小为qk=20.57kPa ；均质圆环采用单位长度为0.25m的线单元进行网格划分处理！荷载图如下： 经过分析求解，求解内力结果如下：轴力图：剪力图：弯矩图：3、惯用修正法计算结果与同济曙光软件荷载结构法计算结果进行比较：经过比较分析发现：两种方法内力计算结果具有较好的一致性，两种计算方法互相验证，说明计算结果具有较高的准确性！但是，在比较中国也发现，两种方法计算结果的轴力图与弯矩图最为相近，剪力图有一定的差异！分析其差异性的产生原因可能是：经

20、验公式在其推导过程中忽略了剪力项对于内力功的影响，从而导致了剪力值计算结果有一定的差异！但是其差异在工程可以接受的范围内！在进行标准管片的设计时，采用修正惯用法计算结果进行标准管片设计，以及管片、接头的抗裂、开裂度验算，同时进行管片的局部受压验算！第四章 盾构标准管片配筋与裂缝计算标准管片B2的配筋计算中，由于管片所受到的内力轴力比较大、而弯矩相对较小，试算（偏心距eo与0.3ho的比较）结果发现其多为小偏心受压状态，取标准管片的内力最不利组合（轴力最大、弯矩最大），则所得标准管片的控制截面为83方向的内力组合为组不利组合，此截面内力值为：M=1.3-24.9076=32.38kNm ，N=1

21、102.83kN ，Q=25.83kN （外侧受拉）其中标准管片的截面参数（取单位长度的标准管片进行计算）为：h=350mm ，b=1000mm ，I=3.57310-3mm4 ，取标准管片的外侧保护层厚度为：c=50mm ；取标准管片的内侧保护层厚度为：c=35mm ，即ho=290mm 。其中标准管片所使用材料的材料参数为：C50混凝土的材料参数为：fc=2.31104KPa ，ft=1.89103kPa ，Ec=3.45107kPa ;标准管片所使用HRB335主筋材料参数为：fy=fy=3.00105kPa ，Es=2.0108kPa ；标准管片所使用Q235箍筋材料参数为：fy=fy

22、=2.10105kPa ，Es=2.1108kPa 。 其中，考虑到一些特殊情况荷载作用的不确定性，对于管片配筋采取对称配筋的原则：As=As。截面的临界状态时相对受压区高度为：b=0.81+fyEscu=0.81+3.001052.01080.0033=0.5581、标准管片配筋计算： 判断截面状态：eo=MN=32.381102.83=0.029m ，取：eo=0.020m ，则计算偏心距为：e=0.029+0.020=0.049m 按对称配筋判断截面受压状态： =N1fcbho=1102.831.02.3110410.29=0.165b=0.558 ，截面处于大偏心受压状态。故按大偏心受

23、压理论计算管片配筋： 此时，ho=0.1650.29=0.048m2as=20.045=0.090m ，则可以按照公式 ：As=Ne-1fcbho21-2fyho-as=1102.830.18-1.02.3110410.2920.5581-0.55823.001050.29-0.045=-0.0081050mm2）3、标准管片的裂缝验算（As=As=1676）： 管片的裂缝验算，取标准管片的内力最不利组合（轴力最大、弯矩最大），则所得标准管片的控制截面为83方向的内力组合为组不利组合，此截面内力值为：M=1.3-24.9076=32.38kNm ，N=1102.83kN ，Q=25.83kN

24、（外侧受拉） 其中裂缝计算公式为： Wmax=acr.skEs.1.9c+0.08deqte （此处统一使用单位N、mm）其中：acr=2.1 ， c=50mm ， Es=2.0105MPa te=AsAte=11310.51000350=0.0060.01 则te=0.01sk=Mk0.87.h0.As=32.381060.872901131=113.47MPa=1.1-0.65ftkte.sk=1.1-0.651.890.01113.47=1.666 deq=ni.di2ni.i.di=16216=16mm 则，管片的最大裂缝宽度为：Wmax=acr.skEs.1.9c+0.08deqte

25、=2.10.338113.472.01051.950+0.08160.01=0.07mm0.2mm 即：在此配筋条件下，管片的裂缝验算不满足要求！ 综上所述：标准管片B1（B2）在满足强度条件以及裂缝要求（刚度条件）的条件下的配筋可以取为：12200 （As=As=1131mm2）第五章 盾构纵向接头设计与张开度验算 盾构管片纵向接头的验算，由于对称性可以只考虑对其半边的三个接头进行一定的验算，其角度分别为：8 、 73 、138 三个接头的内力就算值如下（单位：kN、m）：接头角度内力项度数弧度MNQ-3.46-考虑使用惯用修正法，需要对接头的计算弯矩值进行适当的折减，则计算修正计算结果如下

26、（单位：kN、m）：接头角度内力项度数弧度MNQ-m ，则每一纵向接头的承担内力值计算结果如下：接头角度内力项度数弧度MNQ-8.92其中先拟设计接头为：3高强度弯螺栓；螺栓的净截面积为：Ag=3560.6=1681.8mm2 ；螺栓的设计强度：Rg=530 N/ mm2 ；螺栓的预应力设计值：Rg=50-100 N/ mm2 ，设计每个螺栓的预拉力为：N=42.00kN （此时螺栓承受的预应力为Rg=75N/ mm2）；接头截面积为：F=1200350=4.2105mm2 ；接头的截面距为：W=1612003502=2.45107mm3 ；螺栓距内侧的厚度为：d=150mm ，即偏心距为：e

27、o=3502-3503=58.33mm ；防水材料按照它的极限强度： 1.2N/ mm2和极限拉升率：200%，算出一个：E=0.6 N/ mm2。强度与张开度验算时，统一使用单位：N、mm1、验算封顶块K与邻接块L的接头（即8方向的接头，不考虑螺栓有利作用）强度与张开度： 此接头内力值为：M=38.88kNm ，N=1185.41kN ，Q=-4.15kN （内侧受拉）。 初始截面边缘内力为：c1c2=NoFMW=3420004.210534200058.332.45107=0.63-0.03Nmm2 （此时施工期间，接缝截面外侧虽然存在一定的拉应力：但 c2=-0.03Nmm21.2Nmm

28、2 同时=0.030.6=0.052 即此时接缝满足要求） 由于外荷载作用引起的内力值为：a1a2=NFMW=1185.4110004.210538.881062.45107=4.411.23Nmm2 则，此时接头处截面外边缘内力为：a1a2=c1c2+a1a2=5.041.20Nmm2 ，即此时截面不存在拉应力的情况，接头不会发生张开现象！2、验算标准块B与邻接块L的接头（即73方向的接头，不考虑螺栓有利作用）强度与张开度： 此接头内力值为：M=-28.63kNm ，N=1313.82kN ，Q=12.14kN （外侧受拉）。 初始截面边缘内力为：c1c2=NoFMW=3420004.210

29、534200058.332.45107=0.63-0.03Nmm2 （此时施工期间，接缝截面外侧虽然存在一定的拉应力：但 c2=-0.03Nmm21.2Nmm2 同时=0.030.6=0.052 即此时接缝满足要求） 由于外荷载作用引起的内力值为：a1a2=NFMW=1313.8210004.2105-28.631062.45107=1.964.30Nmm2 则，此时接头处截面外边缘内力为：a1a2=c1c2+a1a2=2.594.27Nmm2 ，即此时截面不存在拉应力的情况，接头不会发生张开现象！3、验算标准块B与封底块D的接头（即138方向的接头，不考虑螺栓有利作用）强度与张开度： 此接头

30、内力值为：M=8.92kNm ，N=1265.28kN ，Q=38.18kN （外侧受拉）。 初始截面边缘内力为：c1c2=NoFMW=3420004.210534200058.332.45107=0.63-0.03Nmm2 （此时施工期间，接缝截面外侧虽然存在一定的拉应力：但 c2=-0.03Nmm21.2Nmm2 同时=0.030.6=0.051.2 满足混凝土的局部受压要求！2、补充施工中千斤顶作用时的局部受压验算：施工设计中，一个千斤顶工作推力中心与管片衬砌矩心之间的偏心距为：eo=10mm ；两千斤顶之间的间距为：L=100mm ；衬砌管片厚度为：t=350mm ；盾构千斤顶数量为：

31、Nj=24mm ；即一个千斤顶的垫板与衬砌管片的接触面积为：A=Bt=2RcNj-L=2292520-100350=2.866105mm2 ；其中衬砌管片截面抗弯模量：I=1122RcNj-L=2292520-1003503=2.926109mm4 ；设计盾构推进中，每一个千斤顶承受的压力为：P=3000kN则，施工盾构推进中，衬砌管片所受到的最大压应力max为： max=PA+Peot2I=30001032.866105+30001031035022.926109=12.26Nmm21.2衬砌管片在施工过程中满足局部受压要求！综上所述：接头设计不仅满足接头张开度要求，具有较好的防水性能；而且

32、接头处满足衬砌管片的局部受压条件！接头的拟设计方案可取！同时，对衬砌管片在施工过程中的千斤顶作用局部受压验算成立！第七章 盾构隧道抗浮验算对盾构隧道抗浮验算，可以取单位长度的隧道进行抗浮验算：其中隧道外径为：Do=6.2m 。在隧道的抗浮验算中，不考虑拱顶土层的成拱效应，作用在拱顶的土压力按拱顶上覆盖的上覆土层进行计算：不考虑土层的成拱效应，则作用在拱顶部的土压力q为： q=ihi=0.518+1.08+1.09.1+3.58.7+12.7558=158.59kNm2盾构自重为：G=6.20.3526=177.2kNm2其中盾构隧道受到的水的浮力大小为：F=wV=1046.22=301.9kNm2其中盾构隧道受到的隧道周围土层的摩擦力大小（取单位面积受到的摩擦力为fo=15kPa）Rf，则简化计算隧道受到的土层摩擦力为：Rf=1516.22=186kNm2不考虑盾构与拱侧土层的摩擦作用，进行抗浮验算，计算其抗浮安全系数K： K=q+G+RfF=158.59+177.2+186301.9=1.731.2 即该盾构隧道满足抗浮设计要求！