盾构管片计算书（郭志奇给）.doc

3 号线出 入段线区间号线出 入段线区间 盾构管片结构计算书盾构管片结构计算书 计 算 复 核 审 核 中铁隧道勘测设计院有限公司中铁隧道勘测设计院有限公司 2012 年年 11 月月 成都成都 1 目 录 1 计算原则 1 2 计算标准 1 3 计算断面 1 4 计算基本假定及模型 2 5 模型计算分析 3 6 作用效应组合 5 7 计算结果及分析 6 8 附图 8 1 成都地铁成都地铁 3 号线一期盾构区间标准断面结构计算书号线一期盾构区间标准断面结构计算书 1 计算原则 1 1 区间隧道结构采用以概率理论为基础的极限状态设计法 以可靠指标 度量结构构件的可靠度 采用以分项系数的设计表达进行设计 1 2 结构构件根据承载力极限状态及正常使用极限状态的要求 分别进行 下列计算和验算 1 承载力 所有结构构件均应进行承载力 包括压曲失稳 计算 2 变形 对使用上需控制变形值的结构构件 应进行变形验算 3 抗裂及裂缝宽度 对使用上要求不出现裂缝的构件 需进行混凝土拉 应力验算 对使用上允许出现裂缝的构件 需按荷载的短期效应组合 并考虑长期效应组合的影响求出最大裂缝宽度进行裂缝宽度验算 1 3 结构计算简图的确定 需符合结构的实际工作条件 并反映结构与周 围地层的相互作用 2 计算标准 2 1 对于盾构法施工隧道 按荷载的短期效应组合 并考虑长期效应组合 的影响所求得的钢 筋混凝土裂缝允许宽度不大于 0 2mm 2 2 区间结构安全等级为一级 结构重要性系数取 1 1 偶然组合时取 1 0 2 3 区间结构按 7 地震烈度设防 按 6 级人防设防 2 4 作用效应计算模式不定性分项系数取为 1 0 结构几何尺寸分项系数 取为 1 0 作用效应系数均取为 1 0 3 计算断面 依据 北郊车辆段出 入段线区间详勘报告 的工程地质勘察报告 地层主要计算参数见表 1 隧道衬砌结构参数见表 1 各土层物理 力学参数建议值表 表 3 1 2 快剪 饱和快 剪 三轴压 缩 uu 三轴压 缩 cu 基床系数 MPa m 层 序 地层名 称 重 度 kN m3 干重 度 d kN m3 C kPa C kPa C kPa C kPa 静止 侧压 力系 数 k0 泊 松 比 v 垂直 Kv 水 平 Kx 承载 力特 征值 fak kPa 1 1杂填土5 0 10 00 75 0 431510 1 2素填土8 0 10 0 1080 55 0 35201580 3 1 1 新黄土16 513 730 0 20 0 1513301533180 46 0 324042160 3 1 2 新黄土19 215 528 0 16 0 1712281430240 42 0 304035140 3 2古土壤18 615 232 0 20 0 2114251626210 44 0 315045170 4 1 1 老黄土18 814 920 0 12 0 2010201422160 42 0 305045140 4 1 2 老黄土19 615 828 0 14 0 2012241626180 40 0 295045150 4 2古土壤19 515 730 0 18 0 2013251528200 45 0 315045170 盾构区间计算工况 表 3 2 计算编号围岩级别埋深 m 水位里程 DG1 级 11 614 9YDK10 140 3 2 工程材料 1 混凝土 衬砌环预制钢筋混凝土管片混凝土强度等级为 C50 抗渗 等级 S10 2 钢筋 HPB235 HRB335 钢筋 4 计算基本假定及模型 4 1 基本假定 1 假定支护结构为弹性梁 且梁的变形为小变形 将结构离散为足够多 个等厚度直杆梁 进行整体分析 2 假定支护与周围岩土体间密贴 结构一次成型 回填材料的力学参数 不小于周围岩土体的力学参数 且回填密实 3 用布置于各节点上的法向弹簧单元来模拟围岩与结构间的相互约束 即不计结构与周围岩土体间的切向摩擦力 假定弹簧不承受拉力 即 不计围岩与衬砌间的粘结力 弹簧受压时的反力即为围岩对结构的弹 性抗力 4 2 计算模型与计算简图 目前国内常用的盾构计算模型可分为四种 弹性匀质圆环法 梁 弹 簧模型计算法 弹性地基梁法和有限元法 本次盾构隧道衬砌内力计算采 3 用弹性地基梁法进行计算 弹性地基梁法采用 SAP 程序软件进行模拟计算 分析 结构计算简图如下图 图 2 弹性 地基梁模型计算法 计算中考虑地层的弹性抗力作用 其中衬砌环的计算刚度采用 EI 计 EI 实 配筋时设计弯矩采用 M 设 1 M 计 接头螺栓的设计弯矩采 用 M 设 1 M 计 这里 为弯曲刚度有效率 取 0 65 为弯矩增大系数 取 0 3 5 模型计算分析 弹性 地基梁模型计算法 5 1 计算荷载 5 1 1 永久作用部分 1 结构自重 简化为沿隧道中心线分布的竖向荷载 q 隧道结构 自重标准值可按结构设计尺寸及材料标准重度计算确定 2 地层压力 竖向压力 计算截面以上全部土柱重量 4 水平压力 结构承受的水平力按静止土压力计算 采用水土分算的办 法 计算中应计及地面荷载和邻近建筑物以及施工机械等引起的附加水平 侧压力 侧向地层抗力和地基反力 在弹性地基梁法中 地层抗力是用地层弹 簧来模拟的 地层抗力系数根据土层条件确定 按温克尔假定计算 3 浮力及静水压力 按设防水位设计 设防水位根据钻孔稳定水位取值 并考虑水位变化 的不利影响 4 混凝土收缩和徐变的影响 混凝土收缩的影响可假定用降低温度的方法计算 对钢筋混凝土结构 相当于降低温度 10 而混凝土收缩和徐变现象是分不开的 由于圬工塑 性的影响 塑性变形呈徐变的形式 其实际 温度应力 远小于按弹性体 计算所得的数值 为安全起见 按弹性体计算收缩应力并考虑徐变的影响 时取 0 45 倍混凝土弹性模量 其实际 温度应力 远小于按弹性体计算所 得的数值 为安全起见 按弹性体计算收缩应力并考虑徐变的影响时取 0 45 倍混凝土弹性模量 5 1 2 可变作用 地面超载的影响 一般按 20kPa 计算 并考虑扩散后作用在地下结构 上 并考虑冲击系数 施工荷载 结构设计中应考虑各种施工荷载可能发生的组合 按 q 10 kPa 计算 5 1 3 偶然作用 水平地震荷载 8 度地震作用 地面加速度 0 2g 横截面内的地震荷载采用惯性力法计算 把随时间变化的地震荷载等 效为静地震荷载 然后再用静力计算模型分析地震荷载作用下的结构内力 等效的静地震荷载包括 结构本身和洞顶上方土柱的水平惯性力以及主动 侧向土压力增量 人防荷载 6 级抗力 5 6 作用效应组合 根据 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 和 地下铁道设计规范 GB50157 2003 的规定 在结构上可能同时出现的作用应按承载力极限 状态及正常使用极限状态分别进行作用效应组合 并取其最不利组合进行 计算 荷载组合表 表 6 1 偶然荷载 序号荷载组合永久荷载可变荷载 地震荷载人防荷载 1 承载力极限状态基 本组合 1 351 4 2 正常使用极限状态 标准组合 1 01 0 3 承载力极限状态偶 然组合 1 21 21 0 4 承载力极限状态偶 然组合 1 21 21 0 6 1 承载力极限状态 在此只考虑使用阶段情况 采用作用效应的基本组合和偶然组合进行 计算 基本组合及组合关系见表 6 2 所示 结构自重未列出 计算时程序 自动处理 后续表中涉及该项时类似 表 6 2 DG1 基本组合 级围岩 结构 重要 系数 作用 分类 作用情况 作用标准 值 kPa 分项系 数 作用组合 值 kPa 垂直 301 51 35407 0 上侧水平 132 61 35179 0 有效土 压 力 下侧水平 168 71 35227 7 顶部垂直 0 01 350 0 上侧水平 0 01 350 0 下侧水平 42 71 3557 6 永 久 作 用 水 压 力 底部垂直 42 71 3557 6 1 1 可变作用地面超载垂直 30 01 442 0 6 6 2 正常使用极限状态 采用作用短期效应组合并考虑准永久组合的影响作用进行计算 其作 用及组合关系分别见表 6 3 所示 表 6 3 DG1 标准组合 级围岩 作用 分类 作用情况 作用标 准值 kPa 分项系 数 作用组合 值 kPa 垂直 301 51 0301 5 上侧水平 132 61 0132 6 有效土 压 力 下侧水平 168 71 0168 7 顶部垂直 0 01 00 0 上侧水平 0 01 00 0 下侧水平 42 71 042 7 水 压 力 底部垂直 42 71 042 7 永 久 作 用 混凝土收缩和徐变降温 10 取 0 45 倍弹性模量 可变作用地面超载垂直 30 01 030 0 7 计算结果及分析 7 1 承载力极限状态计算 使用阶段承载力极限状态分别计算了结构的内力和配筋 由于基本组 合对承载力极限状态计算结果起控制作用 偶然组合对计算结果不起控制 作用 所以各控制断面的配筋情况分别见表 7 1 所示 基本组合的计算结 果内力图见附图 表 7 1 DG1 承载力极限状态支护结构控制断面配筋 每环 1 5m 编号控制节点 轴力 kN 弯矩 kN m 配筋 配筋率 181540 202 263 7 20 4 160 667 2 拱顶 970 227 295 9 20 2 160 718 3 拱底 1927 151 196 附注 配筋时设计弯矩采用 M 设 1 M 计 即 M 1 3M 接头螺栓的设计弯矩采用 M 设 1 M 计 即 M 0 7M 7 2 正常使用极限状态计算 正常使用极限状态采用作用短期效应组合分别计算了结构的内力 裂 缝和变形 计算结果分别见表 7 2 及附图所示 7 表 7 2 DG1 正常使用极限状态支护结构控制断面配筋 每环 1 5m 编号控制节点轴力 kN 弯矩 kN m 最大裂缝宽度 mm 181035 136 177 0 102 2 拱顶 650 152 198 0 183 3 拱底 1294 101 131 附注 配筋时设计弯矩采用 M 设 1 M 计 即 M 1 3M 接头螺栓的设计弯矩采用 M 设 1 M 计 即 M 0 7M 7 2 1 裂缝检算 级围岩 经检算各控制断面计算最大裂缝值均 控制值 7 2 2 变形检算 区间标准断面结构变形如图所示 其中 DG1 拱顶节点 13 变形 竖向位 移 0 0117m 由计算结果可知 结构的变形均满足使用要求 综上所述 结构均能够满足使用阶段的承载力和正常使用要求 根据 计算和以往工程经验 对断面建议配筋如表 7 3 所示 断面配筋表 表 7 3 断面控制节点 配筋 87 20 4 16 拱顶 9 20 2 16DG1 拱底 7 2 3 螺栓强度检算 1 计算参数 接头螺栓的设计弯矩 Ml 0 7 227 159 Kn m 管片宽 B 1500mm 管片厚 H 300mm 螺栓在接头处距内弧面距离 Hl 120 mm C50 混凝土强度设计值 fc 23 1 N mm2