沉井结构计算书讲解

1、中 国中铁深圳市城市轨道交通 4号线工程 主体工程4302标段二工区 （沉井）结构计算书 计算: 校核： 审定: 中铁二局工程有限公司 深圳市轨道交通 4号线4302标二工区项目部 2016年10月 1目 1 目 录 2 1.1 顶管概况 3 1.2 顶管工作井、接收井尺寸 3 1.3 1200mmf顶力计算 3 1.3.1 推力计算 3 1.3.2 壁板后土抗力计算： 4 1.3.3 后背土体的稳定计算： 4 1.4 工作井（沉井）下沉及结构计算 4 1.4.1基础资料： 4 1.4.2 下沉计算： 5 1.4.3 下沉稳定计算： 5 1.4.4 刃脚计算： 5 1.4.5 沉井竖向计算：

2、6 1.4.6 井壁内力计算：（理正结构工具箱计算） 7 1.4.7 底板内力计算：（理正结构工具箱计算） 12 1.5 接收井（沉井）下沉及结构计算 13 1.5.1 基础资料： 13 1.5.2 下沉计算： 14 1.5.3 下沉稳定计算： 14 1.5.4 抗浮稳定计算 （沉井下沉到设计标高浇注底板后 ）：14 1.5.5 刃脚计算： 14 1.5.6 沉井竖向计算 15 1.5.7 井壁内力计算：（理正结构工具箱计算） 16 1.1 顶管概况 ( 1) 钢筋 一HRB335级钢筋强度设计值fy=fy =300N/ mn2 (2) 圆管砼：采用C50,沉井采用C3C。 (3) 所顶土层为

3、黏土， r=17KN/ m3 本计算除井壁、底板外未采用专业计算软件。 1.2 顶管工作井、接收井尺寸 1、工作井尺寸的设计、 核算由检查井的设计要求及顶管操作技术要求决定。 ( 1)、工作井的宽度计算公式 B =D+2b+2c 式中： B工作井宽度； D顶进管节的外径尺寸； b工作井内安好管节后两侧的工作空间，本工程采用每侧0.8m； c护壁厚度，本工程采用0.4m； 本工程的顶管直径为D100Q壁厚200。 工作井的宽度尺寸为 B=8.7mm； (2) 工作井底的长度计算公式 ： L=L1+L2+L3+2L4+L式中： L工作井底部开挖长度； L1管节长度取2m ； L2顶镐机长度 取1.

4、1m ； L3出土工作长度，取1.1m；; L4后背墙的厚度，取0.4m；; L5已顶进的管节留在导轨上的最小长度，取 0.3m。 确定本工程工作井的底部长度尺寸为 L=8.7m。 (3) 工作井的深度工作井的深度由设计高程和基础底板的厚度决定。 (4) 接收井尺寸只需满足工具管退出即可，本工程接收井尺寸4.35m。 1.3 1200mm管顶力计算 1.3.1 推力计算 管径 D1=1.2m 管外周长 S=3.14d=3.14x1.6=5.024m 顶入管总长度 L=50m 管壁厚 t=0.2m 顶入管每米重量 W=3.14X(1.42-1.0 2) /4X25=18.84KN/m 管涵与土之

5、间摩擦系数 f=0.40 每米管子与土层之间的综合摩擦阻力 f 0=RS+Wf=5x5.024+18.84x0.4=32.656 kN/m 初始推力 F0=(Pe+PwP)(3.14/4)B 2c=( 150+2.0 x10+20 x3.14/4x1.6 2=484.6kN 总推力 f= F 0+ f oL=484.6+32.656x 50=2117.4 kN 1.3.2壁板后土抗力计算： 顶管总推力设计值 Pt=1.5x2117.4=3176.1 kN 顶管力至刃脚底的距离：hf=2.5m沉井尺寸rc =8.7m qAma=4 Pt/(3 s f) =4x3176.1/(3x59.416x2

6、.5)=28.51kpa qA=28.51x(8-1.5)/8=23.16 kpa MA=-0.307qAr2c=-0.307x43.42x(59.416)2=-47058 kN.m 1.3.3后背土体的稳定计算: 主动土压力标准值 Pa=rZtg2( 45 35 被动土压力标准值Pp=rZtg 2( 45 2 2 )= 21x8xtg ( 45 352 注)=21x8xtg 2( 45 沉井前方总主动土压力标准值 + 2 2 2 Pa=0.5rH tg ( 45 352 =45.53kN/m 2 + 二)=619.95 kN/卅 2 35 3522 号)=0.5x21x8 x tg (45

7、352 注)=182.11 kN/m2 2 沉井后方总被动土压力标准值 2 2 Pp=0.5rH tg ( 45 3522 3； )= 0.5x21x8 x tg (45 352 +)=2479.80kN/m 2 hp=H/3=8/3=2.67 m =( hf-| hf- h p )/ h f=( 2.5- | 2.5- 2.67 | )/ 2.5= 0.932 总推力 F=1552.1 1.05 满足要求 1.4.3下沉稳定计算： 根据地勘资料，沉井下沉土层为卵石土层，因此下沉稳定满要求 1.4.4刃脚计算: 水平框架作用的判别 丄1=4.9m,h=1.3m af =(0.1XL14)/(h

8、4+0.05 L14)=1.81 1 af 1,刃脚在内墙荷载作用下，不作水平分配，只按悬臂计算 (1) 刃脚向外悬臂弯曲计算 a.起沉时 井体重量为1626.63KN,平均每延米重量 1626.63 =105.63 2(4.752.95) KN/n。刃脚插入土中最大深度为0.45米嘶詈強3 n=0.3m,c=0.3m Rn n 2c 105.63X0.3 0.3 2X0.3 =35.21KN/m 取 B =30 )=17.4KN/m 水平推力 H=Vtg( a - B )=35.21xtg(56.3 -30 向外悬臂弯矩 M=17.4X2/3X0.45=5.22KN.m/m b.沉至井深一半

9、, 井为全高时，沉井入土深度H=0.5X8=4m此时摩阻力为: j x(4+1.3-2.5)X15=382.2KN T= u|(H A -2.5)f =(5.3x2+3.8x2)x 刃脚斜面垂直反力及水平推力：V2二一382.2X0.3 =127.4KN/m n +2c 0.3 + 2X0.3 H=V 2tg( a - B )=127.4xtg(56.3 -30 )= 93.59KN/m 向外悬臂弯矩：M=93.59X2/3X0.45=28.08KN.m/m c.下沉至设计标高时，刃脚内部全部挖空，在外侧水、土作业下，刃脚向 里悬臂弯曲的计算： qa=130KN q b=182.11KN 向里

10、悬臂弯矩: Mg qAh2 2 1(qB -qA)h2 2 130X1.32 2 X(182.11 -130)X1.32=139.2 KN.m 3 (2) 刃脚配筋计算 计算时，刃脚自重及井壁摩阻力略去不计。 MC=1/2*1.27*139.2*0.552+1/2*1.27* (13*6.5-13*6.1) *0.552*2/3 =27.4KN.m 选择钢筋截面：M=27.4KN.m h0=510mm,b=1000mm, a s=M/a 1fcbh02=27400000/(1.0*11.9*1000*510*510)=0.00853 Z =0.0085 AS=192mm2AS,mi n=0.2

11、%*550*1000=1100mm2构造配筋，AS=1100mm选用 8 14。 1.4.5沉井竖向计算： 1)、抽垫木时井壁竖向计算 沉井在开始下沉特别是在抽垫木时，井壁会产生皆大的弯曲应力。沉井采用 四个支承点，定位支撑点布置如图。 (1)假定定位承垫木间距为0.7L,不考虑刃脚下回填砂的承载力，如图a所示 井壁单宽自重标准值：gk=6.5*0.6*30=117KN/m 井壁单宽自重标准值：gs=1.27*117=148.59KN/m 支座弯矩： M 支=-1/2*82.55*(5.3*0.15)2-1/2*3.4*82.55*(5.3*0.15-0.25) =-102.6KN.m 跨中弯

12、矩：M中=1/8*82.55*(5.3*0.7)2-102.6=39.43KN.m (2)、假定抽垫木时，先抽并回填部位已经压实变成支点。此时，沉井井壁支承 在三个点上，如图b所示。 1 L -:L L 支座弯矩： M支=-1/8*82.55*2.652=-72.5KN.m 跨中弯矩：M中 =0.07*82.55*2.652=40.6KN.m (3) 配筋计算 L10/H 2,按深梁进行设计，根据混凝土结构设计规范，计算如下： 因为 L10 1.05 满足要求 1.5.3下沉稳定计算： 根据地勘资料，沉井下沉土层为卵石土层，因此下沉稳定满要求。 1.5.4抗浮稳定计算（沉井下沉到设计标高浇注底

13、板后）： a.施工阶段 沉井自重标准值 G= 2184+ 30.17 X 0.35 X 30=2500kN 基底的水浮力标准值： Ffbw,k = 30.17 X 8.0 X 10= 2414kN 抗浮系数： Kw = GbK = 2500/2414 = 1.04 V 1.05不满足要求，需压重物 Ff wk b.使用阶段 由于使用阶段井顶板有覆土，可满足要求。 1.5.5刃脚计算: 水平框架作用的判别 丄1=2.35m,h=1.3m 水平分力分配系数： ah4 0.05L4 1.34 0.05x2.354 0.696 又工作井计算可知，下沉至设计标高时，刃脚内部全部挖空，在外侧水、 土作业下

14、，刃脚向里悬臂弯曲的计算值最大，贝 35 2 )=139.0 kN/m qa=2.7x4.0 x10=108KN/m Q C 223522 qb=0.5rH tg (45 -) = 0.5x21x7 x tg (45 向里悬臂弯矩: q h 1108X1 31 Mg+(qB qA)h)2 = +X(139 108)X1.32 =108.7 KN.m 2323 刃脚配筋计算：计算时，刃脚自重及井壁摩阻力略去不计。 MC=1/2*1.27*108.7*0.52+1/2*1.27* (13*6.0-13*5.65) *0.52*2/3 =17.8KN.m 选择钢筋截面： M=17.8KN.m h0=

15、460mm,b=1000mm. a s=M/a 1fcbh02=17800000心.0*11.9*1000*460*460)=0.00707 Z =0.00707 AS=163mm2AS,mi n=0.2%*500*1000=1000mm2构造配筋，AS=1100mm选用 8 14。 1.5.6沉井竖向计算 1)、抽垫木时井壁竖向计算 沉井在开始下沉特别是在抽垫木时，井壁会产生皆大的弯曲应力。沉井采用 四个支承点。 (1) 假定定位承垫木间距为0.7L,不考虑刃脚下回填砂的承载力，如图a所示 川川川川川H Tr.nr /I = I 井壁单宽自重标准值：gk=6.0*0.35*25=52.5KN

16、/m 井壁单宽自重标准值：gs=1.27*52.5=66.7kN/m 支座弯矩： M支=-1/2*66.7*(2.7*0.15)2-1/2*2.35*66.7*(2.7*0.15-0.2) =-21.5KN.m 跨中弯矩：M中=1/8*66.7*(2.7*0.7)2-21.5=8.3KN.m (2) 、假定抽垫木时，先抽并回填部位已经压实变成支点。此时，沉井井壁支承 在三个点上，如图b所示。 II L II1 0. L 一 WF WF 支座弯矩： M支=-1/8*66.7*1.352=-15.2KN.m 跨中弯矩：M中 =0.07*66.7*1.352=8.5KN.m (3) 配筋计算 L10

17、/H 2,按深梁进行设计，根据混凝土结构设计规范，计算如下： 因为 L10H 内力臂：z仁0.6 L10=0.6*2.7=1.62m 刃脚底部：M中=8.5KN.m, As= M中/fyz1=8500/( 300*1.62)=17.5mm2 井墙顶部：M支=21.5KN.m, As= M支/fyz仁21500/( 300*1.62)=44.3mm2 求得的钢筋值较小，故按构造配筋已能满足要求。 2)、井壁的抗拉计算 根据规程，由于本工程地基为卵石土层地基，不必进行竖向拉断计算 1.5.7井壁内力计算：(理正结构工具箱计算) (1)池壁荷载计算： 池外荷载： 主动土压力系数Ka= 0.27 侧向

18、土压力荷载组合(kN/m2): 部位(标咼) 土压力标准 值 水压力标准 值 活载标准 值 基本组 合 准永久组 合 地面(0.000) 0.00 0.00 2.71 3.10 1.08 池壁顶端 (-0.175) 1.00 0.00 2.71 4.36 2.08 地下水位处 (-2.000) 11.38 0.00 2.71 17.55 12.47 底板顶面 (-7.650) 29.75 56.50 2.71 112.64 87.34 池内底部水压力：标准值=1.00 kN/m2,基本组合设计值=1.27 kN/m2 底板荷载计算(池内无水，池外填土 ): 水池结构自重标准值 Gc= 728.

19、00kN 基础底面以上土重标准值 Gt= 0.00kN 基础底面以上水重标准值 Gs= 0.00kN 基础底面以上活载标准值 Gh= 10.94kN 水池底板以上全部竖向压力基本组合 : Qb = (728.00 X 1.20+0.00 X 1.27+0.00 X 1.27+10.94 X 1.27 X 0.90)/7.290 = 121.55kN/m2 水池底板以上全部竖向压力准永久组合 : Qbe = (728.00+0.00+0.00 X1.00+1.50 X7.290X0.40)/7.290 = 100.46kN/m2 板底均布净反力基本组合 : Q = 121.55-0.350 X2

20、5.00X 1.20 = 111.05 kN/m2 板底均布净反力准永久组合 : Qe = 100.46-0.350 X 25.00 = 91.71 kN/m2 底板荷载计算 ( 池内有水，池外无土 ): 水池底板以上全部竖向压力基本组合 : Qb = 2.700 X 2.700 X 1.50 X 1.27+728.00 X1.20 +(2.000 X2.000X0.100) X10.00X1.27/7.290 = 122.44kN/m2 板底均布净反力基本组合 : Q = 122.44-(0.350 X 25.00 X 1.20+0.100 X10.00X1.27) = 110.67kN/m

21、2 水池底板以上全部竖向压力准永久组合 : Qbe = 2.700 X2.700X1.50X0.40+728.00 +(2.000X 2.000 X 0.100) X10.00/7.290 = 101.01kN/m2 板底均布净反力准永久组合 : Qe = 101.01-(0.350 X25.00+0.100 X10.00) = 91.26kN/m2 (2) 内力, 配筋及裂缝计算 弯矩正负号规则 : 顶板:下侧受拉为正 ,上侧受拉为负 池壁:内侧受拉为正 ,外侧受拉为负 底板:上侧受拉为正 ,下侧受拉为负 荷载组合方式 : 1. 池外土压力作用 ( 池内无水，池外填土 ) 2. 池内水压力作

22、用 ( 池内有水，池外无土 ) 3. 池壁温湿度作用 (池内外温差 =池内温度 -池外温度 ) (3) L 侧池壁内力 : 计算跨度: Lx= 2.350 m, Ly= 7.475 m , 四边固定 池壁类型 : 深池壁 计算方法 : 0H2L部分按照水平向单向板计算 H=2L 处池外土压力作用弯矩 (kN.m/m): 水平向跨中：基本组合772,准永久组合:5.77 水平向边缘：基本组合:-15.44,准永久组合:-11.53 H=2L处池内水压力作用弯矩(kN.m/m): 水平向跨中：基本组合:0.00,准永久组合：0.00 水平向边缘：基本组合:0.00,准永久组合:0.00 H=2L处

23、水平向内力，与0H2部分按双向板计算的水平向内力，取大 值. 基本组合作用弯矩表(kN.m/m) 部位 池外土压 力 池内水压 力 温湿度作 用 基本组合 内侧-水平跨中 16.18 - - 16.18 水平边缘 - 0.29 - 0.29 竖直跨中 0.98 - - 0.98 竖直上边 缘 - 0.00 - 0.00 竖直下边 缘 - 0.34 - 0.34 外侧-水平跨中 - -0.14 -21.24 -21.38 水平边缘 -33.47 - -21.24 -54.71 竖直跨中 - -0.01 0.00 -0.01 竖直上边 缘 0.00 - -26.54 -26.54 竖直下边 缘 -

24、31.18 - -26.54 -57.72 准永久组合作用弯矩表(kN.m/m) 部位 池外土压 力 池内水压 力 温湿度作 用 准永久组 合 内侧-水平跨中 12.45 - - 12.45 水平边缘 - 0.23 - 0.23 竖直跨中 0.76 - - 0.76: 竖直上边 缘 - 0.00 - 0.00 竖直下边 缘 - 0.26 - 0.26 外侧-水平跨中 - -0.11 -18.58 -18.69 水平边缘 -25.73 - -18.58 -44.31 竖直跨中 - -0.01 0.00 -0.01 竖直上边 缘 0.00 - -23.22 -23.22 竖直下边 缘 -24.13

25、 - -23.22 -47.36 B 侧池壁内力： 计算跨度：Lx= 2.350 m, Ly= 7.475 m ,四边固定 池壁类型：深池壁 计算方法:0H2L部分按照水平向单向板计算 H=2L处池外土压力作用弯矩（kN.m/m）: 水平向跨中：基本组合:7.72,准永久组合:5.77 水平向边缘：基本组合:-15.44,准永久组合:-11.53 H=2L处池内水压力作用弯矩（kN.m/m）: 水平向跨中：基本组合:0.00,准永久组合:0.00 水平向边缘：基本组合:0.00,准永久组合:0.00 H=2L处水平向内力，与0H2!部分按双向板计算的水平向内力，取大 值 基本组合作用弯矩表（k

26、N.m/m） 部位 池外土压 力 池内水压 力 温湿度作 用 基本组合 内侧-水平跨中 16.18 - - 16.18 水平边缘 - 0.29 - 0.29 竖直跨中 0.98 - - 0.98: 竖直上边 缘 - 0.00 - 0.00 竖直下边 缘 - 0.34 - 0.34 外侧-水平跨中 - -0.14 -21.24 -21.38 水平边缘 -33.47 - -21.24 -54.71 竖直跨中 - -0.01 0.00 -0.01 竖直上边 缘 0.00 - -26.54 -26.54 竖直下边 缘 -31.18 - -26.54 -57.72 准永久组合作用弯矩表（kN.m/m）

27、部位 池外土压 力 池内水压 力 温湿度作 用 准永久组 合 内侧-水平跨中 12.45 - - 12.45 水平边缘 - 0.23 - 0.23 竖直跨中 0.76 - - 0.76 竖直上边缘 - 0.00 - 0.00 竖直下边缘 - 0.26 - 0.26 外侧-水平跨中 - -0.11 -18.58 -18.69 水平边缘 -25.73 - -18.58 -44.31 竖直跨中 - -0.01 0.00 -0.01 竖直上边缘 0.00 - -23.22 -23.22 竖直下边缘 -24.13 - -23.22 -47.36 底板内力: 计算跨度:Lx= 2.350m, Ly= 2.

28、350m ,四边简支+池壁传递弯矩 按双向板计算. 池外填土 ,池内无水时,荷载组合作用弯矩表(kN.m/m) 基本组合作用弯矩表 部位 简支基底反 力 池壁传递弯 矩 弯矩叠加 上侧-L向跨 中 27.08 - B 向跨 中 27.08 - 下侧丄向边 缘 0.00 -57.72 -57.72 B 向边 缘 0.00 -57.72 -57.72 L 向跨 中 - -27.65 -0.57 B 向跨 中 - -27.65 -0.57 准永久组合作用弯矩表 部位 简支基底反 力 池壁传递弯 矩 弯矩叠加 上侧-L向跨 中 22.37 - - B 向跨 中 22.37 - - 下侧-L向边 缘 0

29、.00 -47.36 -47.36 B 向边 缘 0.00 -47.36 -47.36 L 向跨 中 - -22.68 -0.32 B 向跨 中 - -22.68 -0.32 池内有水，池外无土时，荷载组合作用弯矩表(kN.m/m) 基本组合作用弯矩表 部位 简支基底反 力 池壁传递弯 矩 弯矩叠加 上侧-L向跨 中 26.99 0.16 27.15 B 向跨 中 26.99 0.16 27.15 L 向边 缘 0.00 0.34 0.34 B 向边 缘 0.00 0.34 0.34 准永久组合作用弯矩表 部位 简支基底反 力 池壁传递弯 矩 弯矩叠加 上侧-L向跨 中 22.26 0.13 22.38 B 向跨 中 22.2