地下建筑结构设计课程设计-盾构管片设计.docx
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《地下建筑结构设计》课程设计
题目:
盾构管片设计
院部:
专业:
班级:
组员及学号:
2016年10月4日
1盾构管片设计
1.1隧道功能
该段隧道为城市地铁区间段。
1.2衬砌方式
根据设计要求盾构管片类型为平面型。
平面型管片的抗弯刚度和强度相对较大,且管片混凝土截面削弱小,对盾构推进装置的顶力具有较大的抵抗能力。
故决定采用C50钢筋混凝土平面型管片,管片厚度的选择,取决于土质条件、覆盖土层的厚度、施工荷载状况、隧道的使用目的及管片施工条件等多种因素。
本工程的管片厚度选择为300mm,管片形心半径为(2350+100*5)mm,管片的每环长度为1000mm。
但是对管片是否能承受荷载,还需要进行管片内力的计算。
由于错缝拼装可使接缝均匀分布,提高管片的整体刚度,减少接缝及衬砌圆环的变形。
考虑本工程盾构区段对地面沉降要求较高及其它工程条件,故决定采用错缝拼接方式。
1.3管片条件
管片类型:
平面型;管片外直径:
D=6000mm;管片形心半径:
;管片宽度:
B=1000mm;管片厚度:
t=300mm;管片截面面积:
A=300x1000=3000(cm²);管片单位重度:
;管片的弹性模量:
;管片截面惯性矩:
;
1.4场地条件
土层条件:
粘性土;
土的单位重度:
;
土的单位浮重度:
;
土的内摩擦角:
;
土的黏聚力:
;
土的侧压力系数:
;
超载:
;
上部土层厚度:
+0.5*8=10m;
潜水位:
地下水位埋深为3m;
Hw=10-3=7m
地基土的反力系数;;
水的单位重度;
1.5构件容许应力
混凝土标准强度:
;
混凝土允许抗压强度:
;
混凝土抗弯刚度有效系数:
=1.0;
钢筋与混凝土弹性模量比:
;
混凝土弯矩增大率:
=0.0;
钢筋(SD35)允许强度:
;
螺栓允许强度:
;
1.6盾构千斤顶
盾构千斤顶轴推力:
片。
一个盾构千斤顶的中心推力与衬砌管片中心偏心距:
;相邻两个千斤顶的距离:
;盾构千斤顶顶管片数量:
10片。
在校对管片衬砌抵抗盾构千斤顶轴推力的安全性时,常采用允许应力提高到上面所提到应力的165%。
因为管片衬砌作为一个临时结构能够被求出数值。
1.7设计方法
盾构隧道的设计主要根据设计规范,校核内力采用弹性方程法,弹性方程内力公式,校核衬砌安全性采用允许应力设计法。
2荷载计算
因为土是粘性土,所以土压力和水压力合算。
在隧道拱部的垂直土压力用太沙基公式计算:
静荷载:
静荷载底部反作用力:
隧道拱部的垂直压力:
土压:
隧道底部的垂直压力:
隧道拱部的侧压(作用在隧道形心半径处):
土压:
隧道底部的侧压(作用在隧道形心半径处):
土压:
不考虑静荷载作用的地基反作用力位移:
地基的反作用力:
3.内力计算
荷载
弯矩
轴力
剪力
垂直方向均载
P1
侧向均载
q1
侧向三角形变化荷载
侧向地基反作用力
Π/2<θ<3π/4
(-0.3487+0.5S2-0.2357C3)kδ
3π/4<θ<π
(0.2346+0.3536C)kδ
Π/2<θ<3π/4
(-0.7071C+C2-0.7071S2C)kδ
3π/4<θ<π
-0.3536C
Π/2<θ<3π/4
(SC+0.7071C2S)kδ
3π/4<θ<π
-0.3536Skδ
静荷载
弹簧的侧向位移
拱角;
根据表中的计算公式,计算出的衬砌管片的内力如图所示
θ
总弯矩(KN/m)
总轴力(KN/m)
总剪力(KN/m)
0
80.41
622.2
0.00
10
73.67
627.9
-26.22
20
58.32
642.9
-44.54
30
34.97
658.3
-55.00
40
8.04
678.2
-59.73
50
-17.97
693.8
-53.54
60
-39.14
713.4
-43.73
70
-52.96
735.1
-20.54
80
-58.60
754.5
-7.44
90
-56.87
789.1
9.73
100
-43.56
792.9
48.39
110
-34.78
788.1
62.03
120
-19.67
783.2
68.98
130
-1.71
775.2
68.98
140
17.99
769.3
62.58
150
35.39
744.3
50.73
160
49.26
736.2
35.36
170
58.17
731.1
18.07
180
61.23
629.30
0.00
4.配筋计算
由上表可见,当θ=0时,弯矩取最大值。
(1)将管片视为一平面板,板的长度l。
=πRc=3.14*2.85=8945mm;宽度B=1000mm;高h=300mm;由于管片收到相反方向的弯矩。
且数值相差不大,因此采用对称配筋。
受压区相对高度
X=N/α.fc.b=544.64*10³/1*2.3*1000=23.58<2αs=70mm
按对称配筋计算
Eo=M/N=139mm
Ea=1000/30=33mm
则Ei=Eo+Ea=139+33=172mm
;取
则:
按大偏心受压情况计算:
mm
X=N/α1.fc.bfˊ=70mm
1806mm2
取,mm2;
演算:
由,得
则
kNkN
∴满足要求
(2)验证弯矩
配筋所能承受的最大弯矩
按单筋计算
同时
,满足适用条件
kN·mkN·m
∴安全。
5.验算衬砌管片的安全性
演算截面A,截面B,连续部分和盾构千斤顶的推力,看衬砌管片是否安全。
(1)截面A和截面B安全性校核
计算原理:
利用材料力学中的均质材料受弯的方法进行叠加计算,但由于钢筋混凝土是非均质材料,因此计算管片截面积应把钢筋等效成混凝土进行计算,同理,管片截面惯性矩也应适用等效后的截面积,计算公式如下:
m2
——等效后的管片截面面积,m2;
——管片实际截面面积,m2;
mm4
5.1截面A承受正弯矩和轴力
kN·m
kN
等效截面积:
m2
mm2
混凝土的最大压应力:
MN/m2MN/m2
混凝土的最大拉应力:
MN/m2
由图3-3的几何关系可得钢筋应力:
截面A
管片衬砌临界断面应力分布
∴截面A满足强度要求。
根据三角形形似计算,从而求出。
cm
cm
MN/m2
cm
MN/m2
5.2截面B承受负弯矩和轴向力
截面B
管片衬砌临界断面应力分布
kN·mkN·m
混凝土的最大压应力:
MN/m2MN/m2
MN/m2
全部满足要求,截面A、B均安全。
检查断面A、B安全性的计算结果
截面A
截面B
622.2
789.1
14.84
-9.76
抗压强度
6.65
-1.904
抗压强度
-3.2
6.23
抗拉强度
-11.895
30.63
抗拉强度
31.9
-5.54
5.2验算剪力(最大剪力截面)
根据式
其中,Q-------最大剪应力。
-59.73KN/m
b-------矩形断面为全宽度,T形断面为腹板宽度,1000mm
------混凝土的允许剪应力。
其他参数意义相同
=-225Kpa剪力满足设计要求。
5.3连接缝的验算
连接抵抗弯矩应该不小于管片自身抵抗弯矩的60%。
5.3.1管自身抵抗弯矩
——当内力,受压区峰值纤维与中和轴线的距离(受压区高度)
mm
——当受压区峰值纤维压力达到16.2MN/m2时挂念自身抵抗弯矩,16.2MN/m2是混凝土的最大抗压强度:
(kN·m/环)
——当钢筋应力达到200MN/m2时管片自身的抵抗弯矩,其中200MN/m2是钢筋的允许的最大抗拉强度:
(MN/环)
(kN·m/环)
5.3.2连接缝的抵抗弯矩
管片连接断面螺栓分布:
x——当内力N=0时,受压区峰值纤维与中和轴的距离(受压区高度):
cm;
——当受压区峰值纤维压力达到16.2MN/m2时连续缝的抵抗弯矩,16.2MN/m2时混凝土允许的最大抗压强度:
kN/m2
——当钢筋应力达到240MN/m2时连接缝的抵抗弯矩,其中240MN/m2是螺栓允许应力:
kN/m2
kN/m2
管片连接断面
5.3.3演算千斤顶的推力是否符合要求
管片和盾构千斤顶推力
——一个盾构千斤顶的中心推力与衬砌管片中心偏心距,e=1.0cm;
——每个千斤顶的推力,P=1000kN;
——相邻两个千斤顶的距离,=10cm;
——混凝土管片最大抗压强度,;
——盾构千斤顶数量,10片;
t——管片厚度,t=30cm;
B——定位板中心弧长,m;
A——作用在衬砌管片上一个千斤顶推力机的接触面积,
m2
m4
——混凝土的最大压应力
MN/m2MN/m2
结论:
衬砌管片初拟条件设计承载值相对设计负荷值是安全的。
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- 地下 建筑结构 设计 课程设计 盾构 管片