地下建筑结构课程设计.doc
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《地下建筑结构课程设计》
----软土地区地铁盾构隧道
计算
书
姓名：
班级：
勘查
学号：
203
指导教师：
李志高
福建工程学院土木工程系
岩土教研室
2012年6月
目录
1荷载计算-------------------------------------3
1.1结构尺寸及地层示意图-----------------------3
1.2隧道外围荷载标准值-------------------------3
1.2.1自重--------------------------------3
1.2.2均布竖向地层荷载----------------------4
1.2.3水平地层均布荷载----------------------4
1.2.4按三角形分布的水平地层压力--------------5
1.2.5底部反力-----------------------------5
1.2.6侧向地层抗力--------------------------5
1.2.7荷载示意图----------------------------6
2内力计算---------------------------------------6
3标准管片配筋计算--------------------------------8
3.1截面及内力确定-----------------------------8
3.2环向钢筋计算--------------------------------8
3.3环向弯矩平面承载力验算-----------------------11
4抗浮验算-------------------------------------10
5纵向接缝验算--------------------------------12
5.1接缝强度计算------------------------------12
5.2接缝张开验算------------------------------14
6裂缝张开验算------------------------------15
7环向接缝验算----------------------------16
8管片局部抗压验算-----------------------------17
9参考文献-------------------------------18
一.荷载计算
1.1结构尺寸及地层示意图
图1-1结构尺寸及地层示意图
如图，按照要求，对灰色淤泥质粉质粘土上层厚度进行调整：
1.2隧道外围荷载标准值计算
1.2.1自重
-钢筋混凝土自重；管片厚度；
1.2.2均布竖向地层荷载
①竖向地层荷载：
②地面超载：
③近似均布拱背土压力：
其中：
1.2..3水平地层均布荷载
其中：
则：
1.2.4按三角形分布的水平地层压力
其中：
1.2.5拱底反力
1.2.6侧向土层抗力
其中：
衬砌圆环抗弯刚度:
衬砌圆环抗弯刚度折减系数:
；
则：
取
1.2.7荷载示意图
图1-2圆环外围荷载示意图
二、内力计算
取一米长度圆环进行计算，其中荷载采用设计值，即考虑荷载组合系数。
计算结果如下表（已考虑荷载组合系数）：
隧道圆环内力计算结果
截面/度
弧度
内力
荷重
自重
轴线半径
均布竖向地层荷载
水压
水平地层均布荷载
底部反力
△水平压力
Pk引起的圆环内力
每米内力
g（kN/㎡）
RH（m）
q（kN/㎡）
q（kN/㎡）
P1（kN/㎡）
PR（kN/㎡）
P2（kN/㎡）
Pk（kN/㎡）
10.5
2.925
173.512
99.241
184.812
39.451
78.983
0
0
MkN.m
44.917
2.925
443.867
-25.667
-212.267
-77.478
-35.440
-80.414
57.517
18
0.314
38.401
2.925
365.363
-10.432
-171.768
-69.283
-30.263
-68.731
53.288
36
0.628
20.341
2.925
157.627
0.802
-65.723
-45.500
-15.426
-34.824
17.297
54
0.942
-5.023
2.925
-106.410
6.939
65.401
-8.453
6.193
17.763
-23.591
72
1.256
-31.360
2.925
-335.864
7.377
171.569
38.233
28.349
74.578
-47.119
90
1.570
-51.241
2.925
-455.617
2.074
212.267
89.994
42.174
102.241
-58.109
108
1.884
-57.340
2.925
-432.007
-8.452
171.966
139.897
39.913
65.439
-80.585
126
2.198
-43.679
2.925
-265.550
-23.171
66.044
159.853
19.944
-46.542
-133.101
144
2.512
-6.735
2.925
27.475
-40.644
-65.080
91.930
-10.541
-34.824
-38.419
162
2.826
53.736
2.925
418.415
-59.163
-171.369
-126.531
-37.914
-68.731
8.444
180
3.140
134.302
2.925
869.040
-76.916
-212.266
-530.342
-48.941
-80.414
54.462
0
0
NKN
-15.356
2.925
-53.797
573.621
290.280
57.301
36.118
81.691
969.857
18
0.314
-11.627
2.925
-2.750
558.386
262.588
54.499
34.287
77.696
973.079
36
0.628
-1.094
2.925
131.658
547.151
190.079
46.368
28.377
66.104
1008.643
54
0.942
14.366
2.925
300.305
541.015
100.421
33.703
18.366
46.688
1054.863
72
1.256
31.925
2.925
442.211
540.577
27.828
17.742
6.926
17.299
1084.508
90
1.570
48.206
2.925
507.479
545.880
0.000
0.046
0.006
0.000
1101.617
108
1.884
59.779
2.925
499.408
556.406
27.556
-42.674
4.081
17.347
1121.903
126
2.198
63.670
2.925
442.500
571.125
99.982
-116.933
21.438
46.833
1128.613
144
2.512
57.839
2.925
342.320
588.598
189.639
-177.194
47.050
64.931
1113.183
162
2.826
41.537
2.925
208.665
607.116
262.316
-170.178
70.010
77.696
1097.162
180
3.140
15.510
2.925
54.606
624.869
290.279
-58.160
79.276
81.691
1088.070
根据表格所示，在度时轴力最大和弯矩最大
三、标准管片配筋计算
3.1截面及内力确定
由上述内力计算，取，进行内力计算，衬砌管片同时受到较大的正弯矩与负弯矩，采用对称配筋。
简化模型为b=1000mm，h=350mm，保护层厚度取50mm。
根据修正惯用法中的η-ξ法，由于纵缝接头的存在而导致结构整体刚度降低，取圆环整体刚度为：
而管片的内力：
a.最大负弯矩时：
b.最大正弯矩时：
3.2环向钢筋计算
3.2.1按最大负弯矩配筋
假设为大偏心构件:
，
取：
采用对称配筋：
其中：
，，
钢筋选用HRB335钢，则：
由此：
得：
近似取：
确为大偏心。
对取矩：
由此算出：
选配4ф32（）（%）
3.2.2按最大正弯矩配筋
假设为大偏心构件:
，
取：
采用对称配筋：
其中：
，，
钢筋选用HRB335钢，则：
由此：
得：
近似取：
确为大偏心。
对取矩：
由此算出：
选配2ф28（）（）
从安全角度考虑按最大负弯矩配筋。
3.3环向弯矩平面承载力验算（按轴心受压验算）
查《混凝土结构设计原理》表3-1，得轴心受压稳定系数：
，
（纵向钢筋配筋率）
（构件截面面积）
满足要求
四、抗浮验算
盾构隧道位于含地下水的土层中时受到地下水的浮力作用，故需验算隧道的抗浮稳定性，用抗浮系数：
式中：
——隧道自重
G——拱背土压力
P——垂直荷载
F——水浮力
则：
满足要求
其中：
水压力：
五.纵向接缝验算
5.1接缝强度计算
近似地把螺栓看作受拉钢筋，假设选用1根螺栓。
按偏心受压钢筋混凝土截面尽行计算。
5.1.1.负弯矩接头（截面）
，
其中：
--螺栓预应力引起的轴向力，取M30细螺纹
由：
得：
为大偏心受压,则：
满足要求
5.1.2正弯矩接头（截面）
，
由：
得：
为大偏心受压,则：
满足要求
5.2接缝张开裂度验算
管片拼装之际由于受到螺栓（5.8级），在接缝上产生预应力：
其中：
——螺栓预应力引起的轴向力，取M30细螺纹（）
——螺栓与重心轴偏心距（取25mm）
——衬砌截面面积和截面距
当接缝受到外荷载，由外荷载引起的应力：
其中：
——外荷载，由外荷载引起的内力
——衬砌截面面积和截面距
选取不利接缝截面（），计算如下：
由此可得接缝变形量：
其中：
E——防水涂料抗拉弹性模量（取3MPa）
l——涂料厚度（取5mm）
n——螺栓个数。
则：
环向每米宽度内选用1只螺栓即可满足要求，但是根据以上接缝强度计算每沿米宽度需要2只螺栓才能满足要求。
考虑安全问题，所以取2只螺栓。
六、裂缝张开验算
取最大弯矩处进行裂缝验算（即截面），此处满足要求，则其他位置亦可满足。
根据GB50010-2002的8.1.2对的偏心受压构件可不验算裂缝宽度。
所以，管片裂缝张开满足要求。
七、环向接缝验算
环缝的综合伸长量：
其中:
管片伸长量:
纵向螺栓伸长量:
管片弯矩取最大值，即为126°时弯矩最大
混凝土面积：
按环形断面计算：
混凝土：
计算纵向螺栓（M30，45钢）
，，螺栓长度为160mm
满足要求
八、管片局部抗压验算
由于管片连接时在螺栓上施加预应力，故需验算螺栓与混凝土连接部位的局部抗压强度。
圆形衬砌外径为6200mm，内径5500mm，盾构外径6340mm，盾构千斤顶中心线直径5815mm，盾构千斤顶共24台，每台最大顶力为1500Kn，顶块受力面积尺寸为。
根据规范GB50010-2002，验算
式中：
——局部受压面上作用的局部荷载或局部压力设计值,取1500kN；
——混凝土轴心抗压强度设计值，取23.1N/mm2。
——混凝土强度影响系数,取1.0；
——混凝土局部受压时的强度提高系数；
——混凝土局部受压面积，取
——混凝土局部受压净面积，取
——局部受压的计算底面积；
满足要求
九、参考文献
1.《混凝土结构基本原理》顾祥林主编同济大学出版社
2.《地下建筑结构》朱合华主编中国建筑工业出版社
3.《盾构隧道衬砌设计指南》国际隧协编写翟进营译
4.混凝土结构设计规范GB50010-2002
18
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