【《某综合管廊水信舱设计计算过程案例》3900字】

某综合管廊水信舱设计计算过程案例水信舱的断面设计与电力舱断面设计的原理相同，断面净宽为3.9m，净高为3.8m，侧墙为直墙，顶拱是以断面对称线上距底面1.0m处半径为2.8m的圆弧；初衬是厚度为300mm的C25喷射混凝土，顶板和侧墙的二衬是厚度为400mm的钢筋混凝土，底板的二衬厚度为450mm；二衬的顶板和侧墙的配筋方案和电力舱的相同，受拉区纵向钢筋为22@100+22@150，受拉区配筋面积=6462mm2，受压区配筋方案为25@150，受压区配筋面积=3436mm2；底板的配筋方案为受拉区28@100+28@150，受拉区配筋面积=9237mm2，受压区配筋方案为25@150，受压区配筋面积=3436mm2，计算简图参考“图5.3.5-1结构计算简图”。构件尺寸与参数(1)构件尺寸由于水信舱的顶板并不是一个规则的半圆，为了计算方便，也将其划分为5个构件单元，顶点单元长度为1746.5mm，剩下的四个单元长度为785.1mm，每个构件的高度都是400mm。将侧墙和顶板一分为二，每个侧墙构件的长度为1350mm，高度为350mm，底板构件长度为1950mm，高度为450mm。(2)构件参数各构件单元参数见表5.4.1-1。表5.4.1-1构件单元参数构件截面面积(m2)惯性矩(m4)弹性模量(Mpa)顶板0.405.33×10-33.64×104底板0.457.59×10-33.59×104侧墙0.405.33×10-33.64×104(3)结构自重单元划分运用结构力学中的矩阵位移法将计算模型分为以多个构件单元，如图5.4.2-1。图5.4.2-1水信舱单元划分图地层压力计算根据《铁路隧道设计规范》(TB10003-2016)附录E可知：应按上覆土柱的全部重量来计算浅埋情况下的竖向压力。根据场地施工条件来判断，地层土压力取静止土压力来计算，除此之外还要考虑地面荷载、施工人员和机械等引起的附加水平压力。地面超载为20kPa，侧压力系数统一取0.45，地面超载的水平分量为9.0kN，结合教材《土力学基本原理及应用》中的14.3静止土压力计算一节和“表5.3.1-1钻孔土层物理力学参数建议值”，综合管廊结构所受的竖向压力及静止土压力的计算过程如下。(1)竖向压力式中，—土的重度；—土层厚度。(2)静止土压力由于土壤和管廊各自都没有相对移动，按静止土压力来算。(5.4.3-1)式中，—静止土压力系数，可由泊松比来确定，。由于测定的设备和方法还不够完善，在缺乏实验资料的情况下，可根据经验公式确定，即对砂性土，有(5.4.3-2)对黏性土，有(5.4.3-3)式中，—土的有效内摩擦角。细砂③3层：粉土④3层：节点2静止土压力计算：节点3静止土压力计算：节点4静止土压力计算：节点5静止土压力计算：节点6静止土压力计算：由于计算截面为对称截面，所以截面两侧同一高度所对应的两个节点的竖向压力和静止土压力数值是相等的，静止土压力的方向相反，各节点的竖向和侧向土压力见表5.4.3-1。表5.4.3-1单元土层压力单元竖向土压力(KPa)K0静止土压力(KPa)1000.45002315.42288.480.45141.84129.823288.48261.340.45129.82117.604261.34249.480.45117.60112.635250.29239.230.45112.63107.656239.23239.230.45107.65107.657239.23250.290.45107.65112.638250.29261.340.45112.63117.609261.34288.480.66117.60129.8210288.48315.420.45129.82141.8411000.4500内力计算计算参数的取值参照电力舱内力计算部分。每个舱室的内力计算的原理和步骤都相同，唯一不同的就是参数，所以在这里就不再解释计算的原理和思路，直接开始单刚矩阵的计算。侧墙单元刚度矩阵(局部坐标系)：每个构件单元的长度l=1350mm=1.35m，根据EQ\*jc0\*"Font:Calibri"\*hps12\o\ad(\s\up11(—),k)e计算得：单元2由于单元2的弹性模量和长度和单元3相等，所以单元2、单元3、单元9和单元10的单元刚度矩阵相同。顶板单元刚度矩阵(局部坐标系)：每个构件单元的长度l=785.1mm=0.7851m，根据EQ\*jc0\*"Font:Calibri"\*hps12\o\ad(\s\up11(—),k)e计算得：单元4同理可得单元4、单元5、单元7和单元8的单元刚度矩阵相同，单元6的长度和其他单元的不同，所以单元刚度矩阵也不同，需要单独计算。单元6底板单元刚度矩阵(局部坐标系)：每个构件单元的长度l=1950mm=1.95m，根据EQ\*jc0\*"Font:Calibri"\*hps12\o\ad(\s\up11(—),k)e计算得：单元1单元1和单元11的单元刚度矩阵相同。每个构件单元与整体坐标系的夹角见表5.4.4-1。表5.4.4-1各单元在整体坐标系下的角度单元码杆端1节点码杆端2节点码α(°)112-180223-90334-90445-77556-496670778498897799109010101190111112180各链杆单元的夹角见表5.4.4-2。表5.4.4-2链杆单元夹角链杆单元编号(°)1-902-453041352765471268153916710-18011-135通过SMsolver计算出来的等效节点荷载见表5.4.4-3。表5.4.4-3等效节点荷载表单元节点fx1fy1M1fx2fy2M2112-283.41-639.94870.91-283.41-639.94-376.98223-639.94283.41-376.98-639.9487.89-128.18334-639.9487.89-128.18-639.94-91.27-132.31445-643.3063.44-132.31-537.41-24.85-123.07556-455.16286.80-123.07-397.2598.8010.95667-232.72336.7710.95-232.72-336.77-10.95运用Matlab计算出来的节点位移值见表5.4.4-4。表5.4.4-4位移参数表(mm)杆1—4杆5—8杆9—11u(mm)0.2886-0.2117-0.1450v(mm)0.28330.0683-0.3360θ(rad)0.1184-0.2071-0.1556u(mm)0.2887-0.32360.0909v(mm)0.1083-0.0286-0.3357θ(rad)0.0293-0.1645-0.1871u(mm)0.2118-0.32370.3525v(mm)0.1076-0.2507-0.3355θ(rad)-0.1373-0.1113-0.2005u(mm)-0.0444-0.2538v(mm)0.1070-0.3112θ(rad)-0.2198-0.1267各衬砌单元的节点内力见表5.4.4-5。表5.4.4-5水信舱衬砌单元节点内力值节点编号F(KN)Q(KN)M(KN·m)1-283.41-639.93-870.962-566.81-1279.94754.073-175.831279.94256.484173.55-1278.13264.625660.25-673.47246.156567.93101.87-21.947747.8717.11112.138417.43873.14121.47957.281178.31251.2910-192.10-1279.94509.3811-371.331279.94-742.75截面验算验算的内容和原理与电力舱相同，需要注意的是参数的取值会有不同，下面直接开始承载能力极限状态的计算。(1)正截面受弯承载力验算参考《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)第6.2.10条，构件受弯承载力满足以下公式：图5.4.5-1矩形截面受弯构件正截面受弯承载力计算(5.4.5-1)混凝土受压区高度：(5.4.5-2)混凝土受压区高度应满足下列条件：(5.4.5-3)(5.4.5-4)当不满足式5.4.5-4时，还可用下式来验算受弯承载力：(5.4.5-5)本工程的配筋方案中只给结构配有普通钢筋，因此在正截面受弯承载力验算时需要用到以下简化后的公式：(5.4.5-6)(5.4.5-7)(5.4.5-8)下面进行结构各构件的验算。1)顶板构件正截面受弯承载力验算根据水信舱内力计算结果，顶板结构的验算截面选取弯矩值最大的截面，也就是顶板和左侧墙交点处的截面。顶板结构所配置的受拉区纵向钢筋为22@100+22@150，受拉区配筋面积=6462mm2，受压区配筋方案为25@150，受压区配筋面积=3436mm2。混凝土=16.7N/mm2；钢筋=360N/mm2；二衬的混凝土强度等级为C35＜C50，因此=1.0；混凝土保护层厚度外侧为45mm，内侧为35mm。混凝土受压区高度：正截面受弯承载力：满足要求2)侧墙构件正截面受弯承载力验算结构整体的纵向钢筋配筋是可以考虑成连续的，也就是说顶板和侧墙的纵向钢筋配筋方案相同，侧墙的配筋方案可以参考顶板配筋方案，下面就直接开始验算过程，验算截面选取为左侧墙和底板交点处的截面。混凝土受压区高度：正截面受弯承载力：满足要求3)底板构件正截面受弯承载力验算底板的验算截面取结构底板的跨中截面，需要注意的是因为地板跨中截面处的弯矩值较大，故底板的配筋方案和顶板与侧墙不同，底板的配筋方案为受拉区28@100+28@150，受拉区配筋面积=9237mm2，受压区配筋方案为25@150，受压区配筋面积=3436mm2，验算原理同上。正截面受弯承载力：满足要求(2)正截面受压承载力验算由于结构构件受到的是偏心压力，所以要将构件看作偏心受压构件。《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)第6.2.17条规定，正截面受压承载力满足下列要求：图5.4.5-2矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算1—截面重心轴(5.4.5-9)(5.4.5-10)(5.4.5-11)(5.4.5-12)前面已经提到，结构只配置了普通钢筋，故上述所用到的计算公式可以简化为以下形式：(5.4.5-13)(5.4.5-14)1)侧墙正截面受压承载力验算验算截面取左侧墙与底板交点处的截面，根据规范第6.2.3条规定，考虑截面对称偏心受压构件，杆端弯矩比为：轴压比为：构件长细比为：满足规范第6.2.3条规定，可忽略附加弯矩影响。按大偏压计算：取；侧墙受拉区纵向钢筋配置为22@100+22@150，受拉区配筋面积=6462mm2，受压区钢筋配置为25@150，受压区配筋面积=3436mm2。受压区高度为：相对界限受压区高度：混凝土强度等级为C35<C50，取0.8；混凝土极限压应变：相对受压区高度：根据规范第6.2.17条规定可知，,构件满足大偏心受压条件。400/30=13.33mm＜20mm，满足根据规范第6.2.5条规定，取=20mm。验算过程如下：经验算，侧墙构件正截面受压承载力满足要求。2)顶板正截面受压承载力验算顶板的验算截面选取的是单元6与单元7交点处的截面，验算构件为单元6，根据规范第6.2.3条规定，考虑截面对称偏心受压构件，杆端弯矩比为：轴压比为：构件长细比为：满足规范第6.2.3条规定，忽略附加弯矩影响。按大偏压计算：取；顶板受拉区纵向钢筋配置为22@100+22@150，受拉区配筋面积=6462mm2，受压区钢筋配置为25@150，受压区配筋面积=3436mm2。受压区高度为：相对界限受压区高度：混凝土强度等级为C35<C50，取0.8；混凝土极限压应变cu：相对受压区高度为：根据规范第6.2.17条规定可知，,构件满足大偏心受压条件。400/30=13.33mm＜20mm，满足规范第6.2.5条规定，取=20mm。验算过程如下：经验算，顶板构件正截面受压承载力满足要求。3)底板正截面受压承载力验算底板的验算截面选取的是底板与右侧墙交点处截面，验算构件为单元2，根据规范第6.2.3条规定，考虑截面对称偏心受压构件，杆端弯矩比为：轴压比为：构件长细比为：满足规范第6.2.3条规定，忽略附加弯矩影响。按大偏压计算：取；侧墙受拉区纵向钢筋配置为受拉区28@100+28@150，受拉区配筋面积=9237mm2，受压区配筋方案为25@150，受压区配筋面积=3436mm2。受压区高度为：相对界限受压区高度：混凝土强度等级为C35<C50，取0.8；混凝土极限压应变cu：相对受压区高度为：根据规范第6.2.17条规定可知，,构件满足大偏心受压条件,根据规范第6.2.5条规定，附加偏心距应取20mm和偏心方向截面最大尺寸的1/30两者中的较大值，因为450/30=15mm＜20mm，所以取=20mm。验算过程如下：经验算，底板构件正截面受压承载力满足要求。(3)斜截受剪承载力验算根据规范第6.3.1条规定，受弯构件的受剪截面满足下列公式：当时(5.4.5-15)当时(5.4.5-16)当时，按线性内插法确定。规范第6.3.2条规定，计算截面应首先考虑选取支座边缘处的截面。根据结构的剪力图，侧墙与底板交界处截面的剪力的绝对值最大，故选取此截面为验算截面。结构侧墙与底板交界处截面，箍筋的配置方案为，414@150，其余截面的配筋方案可根据验算结果进行优化。验算过程如下：V=1279.94kN∵∴选用式5.4.5-15进行验算经验算，满足要求。规范第6.3.12条规定，钢筋混凝土偏心受压构件，其斜截面受剪承载力应符合下列规定：