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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