顶管沉井结构计算书详细.docx

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顶管沉井结构计算书详细

XXXX路及其配套设施建设项目（排水工程）

工作井（沉井）结构计算书

计算:

校核:

审定:

XXXXX设计建设有限公司

二○一二年X月

1

目录

1.1

工程概况

本工程污水管道起于XXX污水接入位置，沿XX快速路布设，汇入XXX路西侧的XX污水第一处理厂进场干管，长约1Km。

主要解决包括XXXXX地块等的污水排放，管道布设位置距道路中线7.9m,为了不影响XX路的交通，W24~W26段采用顶管穿越XXX路。

1.2结构计算依据

1、测量资料、污水管道平面、纵断面设计图；

2、地勘资料（XXXX工程地质勘察队2010年10月29日）；

3、《室外排水设计规范》GB50014-2006；

4、《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB50069-2002）；

5、《给水排水工程管道结构设计规范》（GB50332-2002）；

6、《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-97）；

7、《市政排水管道工程及附属设施》（国家标准图集06MS201）；

8、《混凝土结构设计规范》GB50010-2002；

9、《顶管施工技术及验收规范》（试行）中国非开挖技术协会行业标准2007年2月；

10、《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS137：

2002）。

1.3顶管概况

1、顶管工程性质为解决XX安置小区污水排放问题，兴建地点XX快速路接XX路交叉口处，顶管管径1m，管道埋深5.1米。

XX路顶管管道放置在密实的卵石层内，覆土平均取4.5m，由于顶管长度较长，分两段顶管，每段长度L≤50m。

顶管工作井、中继井尺寸5.3m*3.8m，顶管接收井尺寸2.7m*2.7m。

2、本工程设计合理使用年限为五十年，抗震设防烈度为七度。

3、钢筋及砼强度等级取值：

（1）钢筋

Ф—HPB235级钢筋强度设计值fy=fy′=210N/mm2

Ф—HRB335级钢筋强度设计值fy=fy′=300N/mm2

（2）圆管砼：

采用C50，沉井采用C25。

（3）所顶土层为砂砾石，r=21KN/m3

4、本工程地下水埋深为2.0～2.5m。

5、本计算除井壁、底板外未采用专业计算软件。

1.4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D1000，壁厚200。

因此，工作井的宽度尺寸为B=1400＋2×800＋2×400=3800mm；

（2）工作井底的长度计算公式：

L=L1+L2+L3+2L4+L5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1.1m；

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。

因此，确定本工程工作井的底部长度尺寸为L=2+1.1+1.1+2×0.4+0.3=5.3m。

（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2.7m*2.7m。

1.51000mm管顶力计算

1.5.1推力计算

管径D1=1.0m水位至管顶高度：

2m

管外周长S=3.14d=3.14x1.4=4.396m

顶入管总长度L=50m管壁厚t=0.2m水容重γw=10KN/m3

顶入管每米重量W={3.14X（1.42-1.02）/4}X25=18.84KN/m

管涵与土之间摩擦系数f=0.40

每米管子与土层之间的综合摩擦阻力f0=RS+Wf=5x4.396+18.84x0.4=29.52kN/m

初始推力F0=（Pe+Pw+△P）（3.14/4）B2c=（150+2.0x10+20）x3.14/4x1.42=76.1kN

总推力F=F0+f0L=76.1+29.52x50=1552.1kN

1.5.2壁板后土抗力计算：

顶管总推力设计值Pt=1.3x1552.1=2017.73kN

顶管力至刃脚底的距离：

hf=2.5m沉井尺寸rc=5.3x3.8m

qAmax=4Pt/（3rchf）=4x2017.73/（3x5.3x3.8x2.5）=53.43kpa

qA=53.43x（8-1.5）/8=43.42kpa

MA=-0.307qAr2c=-0.307x43.42x（5.3x3.8）2=-5406.89kN.m

1.5.3后背土体的稳定计算：

主动土压力标准值Pa=rZtg2（45°-

）=21x8xtg2（45°-

）=45.53kN/m2

被动土压力标准值Pp=rZtg2（45°+

）=21x8xtg2（45°+

）=619.95kN/m2

沉井前方总主动土压力标准值Pa=0.5rH2tg2（45°-

）=0.5x21x82xtg2（45°-

）=182.11kN/m2

沉井后方总被动土压力标准值Pp=0.5rH2tg2（45°+

）=0.5x21x82xtg2（45°+

）=2479.80kN/m2

hp=H/3=8/3=2.67m

§=（hf-︳hf-hp︳）/hf=（2.5-︳2.5-2.67︳）/2.5=0.932

总推力F=1552.1≤§（0.8Pp-Pa）

=0.932x（0.8x2479.8-182.11）=1679.21KN满足规范要求

所以经过以上计算可知：

采用管径D1=1.0m圆管，顶进距离50m符合要求。

1.6工作井（沉井）下沉及结构计算

5.3x3.8m沉井，本井为工作井，地下水位按地面以下-2.0m计（施工期间）由于地质条件好，在沉井范围内均为卵石土层，沉井考虑先开挖后下沉。

1.6.1基础资料：

单位摩阻力fk＝25Kpa，地基承载力特征值取为350Kpa。

采用C25砼，钢筋为HPB235，HRB335。

卵石土天然容重取为21kN/m3，水容重γw=10KN/m3,内摩擦角Φ=35°,井壁高6.5m,底板厚0.35m,壁厚0.40m。

1.6.2下沉计算：

下沉过程中水的浮托力标准值：

Ffw,k=（5.3x0.4x2+3.8x0.4x2）x5.1x10=371.3kN

井壁总摩阻力标准值：

T＝U

=（5.3x2+3.8x2）x

x（6.5+1.3-2.5）X25

=1205.2kN

沉井自重标准值

G1k＝（5.3x0.4x2+3.8x0.4x2）x6.5x25=1183kN

下沉系数：

K1＝（G1k-Ffw,k）/T＝（1183-371.3）/1205.2=0.67＜1.05

（不满足规范要求），所以仅靠自重不能顺利下沉，需在顶部压重

1.6.3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。

1.6.4抗浮稳定计算（沉井下沉到设计标高浇注底板后）：

a.施工阶段

沉井自重标准值

GK＝1626.63＋5.3×3.8×0.35×25=1655.52kN

基底的水浮力标准值：

Ffbw,k＝5.3×3.8×6.5×10＝1309.1kN

抗浮系数：

Kfw＝

＝1655.52/1309.1＝1.27>1.05满足要求。

b.使用阶段

由于使用阶段井顶板有覆土，可满足要求。

1.6.5刃脚计算：

水平框架作用的判别,L1=4.9m,h=1.3m

af=（0.1XL14）/（h4+0.05L14）=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

=105.63KN/m。

刃脚插入土中最大深度为0.45米，α

=56.3°

n=0.3m,c=0.3m

=35.21KN/m

取β=30°

水平推力H=V2tg（α-β）=35.21xtg（56.3°-30°）=17.4KN/m

向外悬臂弯矩M=17.4X2/3X0.45=5.22KN.m/m

b.沉至井深一半，井为全高时，沉井入土深度H=0.5X8=4m,此时摩阻力为：

T＝U

=（5.3x2+3.8x2）x

x（4+1.3-2.5）X15=382.2KN

刃脚斜面垂直反力及水平推力：

=127.4KN/m

H=V2tg（α-β）=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=130KNqb=182.11KN

向里悬臂弯矩：

=139.2KN.m

（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,

αs=M/α1fcbh02=27400000/（1.0*11.9*1000*510*510）=0.00853

ζ=0.0085

AS=192mm2

1.6.6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，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*0.4*25=65KN/m

井壁单宽自重标准值：

gs=1.27*65=82.55KN/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。

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

z1=0.6L10=0.6*5.3=3.18m

刃脚底部：

M中=40.6KN.m,

As=M中/fyz1=40600/（300*3.18）=42.6mm2

井墙顶部：

M支=102.6KN.m,

As=M支/fyz1=102600/（300*3.18）=107.6mm2

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。

1.6.7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

侧向土压力荷载组合（kN/m2）:

部位（标高）

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（-0.200）

1.14

0.00

2.71

4.54

2.22

地下水位处（-2.000）

11.38

0.00

2.71

17.55

12.47

底板顶面（-6.750）

26.83

47.50

2.71

97.49

75.41

池内底部水压力:

标准值=7.00kN/m2,基本组合设计值=8.89kN/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=1431.72kN

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=30.21kN

水池底板以上全部竖向压力基本组合:

Qb=（1431.72×1.20+0.00×1.27+0.00×1.27+30.21×1.27×0.90）/20.140

=87.02kN/m2

水池底板以上全部竖向压力准永久组合:

Qbe=（1431.72+0.00+0.00×1.00+1.50×20.140×0.40）/20.140

=71.69kN/m2

板底均布净反力基本组合:

Q=87.02-0.350×25.00×1.20

=76.52kN/m2

板底均布净反力准永久组合:

Qe=71.69-0.350×25.00

=62.94kN/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=[5.300×3.800×1.50×1.27+1431.72×1.20

+（4.500×3.000×0.700）×10.00×1.27]/20.140=93.17kN/m2

板底均布净反力基本组合:

Q=93.17-（0.350×25.00×1.20+0.700×10.00×1.27）=73.78kN/m2

水池底板以上全部竖向压力准永久组合:

Qbe=[5.300×3.800×1.50×0.40+1431.72

+（4.500×3.000×0.700）×10.00]/20.140=76.38kN/m2

板底均布净反力准永久组合:

Qe=76.38-（0.350×25.00+0.700×10.00）=60.63kN/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=4.900m,Ly=6.550m,四边固定

池壁类型:

普通池壁,按双向板计算

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

41.44

-

-

41.44

水平边缘

-

8.28

-

8.28

竖直跨中

30.38

-

-

30.38

竖直上边缘

-

3.54

-

3.54

竖直下边缘

-

8.53

-

8.53

外侧-水平跨中

-

-3.63

-34.67

-38.30

水平边缘

-94.21

-

-34.67

-128.88

竖直跨中

-

-2.71

-34.67

-37.38

竖直上边缘

-43.14

-

-34.67

-77.81

竖直下边缘

-95.29

-

-34.67

-129.96

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

31.58

-

-

31.58

水平边缘

-

6.52

-

6.52

竖直跨中

23.31

-

-

23.31

竖直上边缘

-

2.79

-

2.79

竖直下边缘

-

6.71

-

6.71

外侧-水平跨中

-

-2.86

-30.33

-33.19

水平边缘

-71.91

-

-30.33

-102.24

竖直跨中

-

-2.13

-30.33

-32.47

竖直上边缘

-32.13

-

-30.33

-62.46

竖直下边缘

-73.20

-

-30.33

-103.53

（4）B侧池壁内力:

计算跨度:

Lx=3.400m,Ly=6.550m,四边固定

池壁类型:

普通池壁,按双向板计算

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

27.49

-

-

27.49

水平边缘

-

5.06

-

5.06

竖直跨中

15.21

-

-

15.21

竖直上边缘

-

1.19

-

1.19

竖直下边缘

-

4.55

-

4.55

外侧-水平跨中

-

-2.43

-34.67

-37.10

水平边缘

-57.24

-

-34.67

-91.91

竖直跨中

-

-1.39

-34.67

-36.06

竖直上边缘

-15.39

-

-34.67

-50.06

竖直下边缘

-50.54

-

-34.67

-85.21

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

21.02

-

-

21.02

水平边缘

-

3.99

-

3.99

竖直跨中

11.79

-

-

11.79

竖直上边缘

-

0.94

-

0.94

竖直下边缘

-

3.58

-

3.58

外侧-水平跨中

-

-1.91

-30.33

-32.24

水平边缘

-43.79

-

-30.33

-74.12

竖直跨中

-

-1.10

-30.33

-31.43

竖直上边缘

-11.24

-

-30.33

-41.57

竖直下边缘

-38.91

-

-30.33

-69.25

（5）底板内力:

计算跨度:

Lx=4.900m,Ly=3.400m,四边简支+池壁传递弯矩

按双向板计算.

1.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

38.33

-

-

B向跨中

66.32

-

-

下侧-L向边缘

0.00

-85.21

-85.21

B向边缘

0.00

-129.96

-129.96

L向跨中

-

-45.16

-6.83

B向跨中

-

-70.30

-3.98

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

31.52

-

-

B向跨中

54.55

-

-

下侧-L向边缘

0.00

-69.25

-69.25

B向边缘

0.00

-103.53

-103.53

L向跨中

-

-36.01

-4.48

B向跨中

-

-56.31

-1.76

2.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

36.95

2.94

39.89

B向跨中

63.94

4.38

68.32

L向边缘

0.00

4.55

4.55

B向边缘

0.00

8.53

8.53

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

30.37

2.31

32.68

B向跨中

52.55

3.45

55.99

L向边缘

0.00

3.58

3.58

B向边缘

0.00

6.71

6.71

（6）配筋及裂缝:

配筋计算方法:

按单筋受弯构件计算板受拉钢筋.

裂缝计算根据《水池结构规程》附录A公式计算.

按基本组合弯矩计算配筋,按准永久组合弯矩计算裂缝,结果如下:

L侧池壁配筋及裂缝表（弯矩:

kN.m/m,面积:

mm2/m,裂缝:

mm）

部位

弯矩

计算面积

实配钢筋

实配面积

裂缝宽度

内侧-水平跨中

41.44

800

D18@250

1018

0.11

水平边缘

8.28

800

D18@250

1018

0.02

竖直跨中

30.38

800

D18@250

1018

0.08

竖直上边缘

3.54

800

D18@250

1018

0.01

竖直下边缘

8.53

800

D18@250

1018

0.02

外侧-水平跨中

-38.30

800

D18@250

1018

0.12

水平边缘

-128.88

1248

D18@200

1272

0.24

竖直跨中

-37.38

800

D18@250

1018

0.11

竖直上边缘

-77.81

800

D18@250

1018

0.22

竖直下边缘

-129.96

1259

D18@200

1272

0.24

B侧池壁配筋及裂缝表（弯矩:

kN.m/m,面积:

mm2/m,裂缝:

mm）

部位

弯矩

计算面积

实配钢筋

实配面积

裂缝宽度

内侧-水平跨中

27.49

800

D18@250

1018

0.07

水平边缘

5.06

800

D18@250

1018

0.01

竖直跨中

15.21

800

D18@250

1018

0.04

竖直上边缘

1.19

800

D18@250

1018

0.00

竖直下边缘

4.55

800

D18@250

1018

0.01

外侧-水平跨中

-37.10

800

D18@250

1018

0.11

水平边缘

-91.91

878

D18@250

1018

0.26

竖直跨中

-36.06

800

D18@250

1018

0.11

竖直上边缘

-50.06

800

D18@250

1018

0.15

竖直下边缘

-85.21

812

D18@250

1018

0.24

注意:

存在裂缝验算不满足限值0.20mm的情况!

工作井井壁钢筋实配18@200。

1.6.8底板内力计算：

（理正结构工具箱计算）

单块矩形板计算（弹性板）:

（1）计算条件

计算板长=4.500（m）；计算板宽=3.000（m）；板厚=350（mm）

板容