地下建筑結構設計說明書-aoliyun

1、目錄1.天津城建大學課程設計任務書2451011164. 盾構標準管片配筋與裂縫計算1718張開度驗算1920212324天津城建大學課程設計任務書2021 2021 學年第 1 學期 土木工程 學院 城市地下空間工程 專業(yè) 10地下1、2 班級課程設計名稱： “地下混凝土結構設計課程設計 設計題目： 盾構法隧道襯砌管片設計 完成期限：自2021 年 1 月 6 日 至 2021 年 1 月 17 日共 2 周設計依據、要求及主要內容可另加附頁：指導教師簽字： 鹿群、李巖 系教研室主任簽字： 批準日期： 年 月 日附頁任務書一、設計題目 盾構法隧道襯砌管片設計二、如下圖，為一軟土地區(qū)地鐵盾構隧

2、道橫斷面，有一塊封頂塊K，兩塊鄰接塊L，兩塊標準塊B以及一塊封底塊D六塊管片組成，襯砌外D0=6200mm，厚度t=350mm，采用通縫拼裝，地層基床系數k=20000kN/m3?；炷翉姸葹镃50，環(huán)向螺栓為級可用級M30，管片裂縫寬度允許值為mm，接縫張開允許值為3mm。地面超載為20kPa。試計算襯砌受到的荷載，并用荷載-結構法按均質圓環(huán)計算襯砌內力，畫出內力圖，并進行隧道抗浮、管片局部抗壓、裂縫、接縫張開等驗算及一塊標準管片配筋計算，并繪制設計施工圖。說明：灰色淤泥質粉質粘土上層厚度1355mm，根據后3位學號ABC調整，1350+ABC*50 mm同濟曙光等軟件進行此題的荷載結構法計

3、算能增加地層-結構法計算更好！參考資料：1?混凝土結構根本原理? 劉文鋒主編 高等教育出版社2?地下建筑結構? 朱合華主編 中國建筑工業(yè)出版社3?地下結構設計? 劉增榮主編 中國建筑工業(yè)出版社三、設計成果設計結束后，必須上交計算書及圖紙。要求計算書干凈整潔，條理清晰，內容全面，圖紙版面安排合理，比例大小適中，計算書及圖紙要符合以下統(tǒng)一要求：一 課程設計說明書標準1、說明書論文根本格式說明書論文手寫，用黑或藍黑墨水，書寫工整。文中標題采用宋體加粗。2、說明書論文結構及要求1封面包括：題目、系別、班級、完成日期、成績及指導教師簽字、學生姓名等項。2目錄要求層次清晰，給出標題及頁次。最后一項為參考資

4、料。3正文正文應按照目錄所確定的順序依次撰寫，要求計算準確，論述清楚、簡練、通順，插圖清晰整潔。文中圖、標及公式應標準地繪制和書寫。 二 圖紙要求： 襯砌圓環(huán)構造圖天津城建大學土木工程學院 設計圖紙包括以下內容：1襯砌圓環(huán)構造圖。2標準管片構造圖。三圖簽：如右圖所示四、其他要求1、考勤： 設計必須在教室完成，每天按上課時間到校，遲到、早退及曠課均在設計成績內減分成績不合格者將重修。2、設計如發(fā)現抄襲，抄襲人及被抄襲人均將重修。第二章 荷載計算荷載計算主要考慮根本使用階段的情況進行計算，其中作用在盾構隧道管片上的荷載主要包括管片自重g假設初襯的防水效果良好，不需要設置二次襯砌、豎向土壓力q、拱背

5、土壓力G在內力計算時，將其簡化為作用在拱背上的均布荷載、地面超載q在內力計算時，將其疊加到作用在拱背上的豎向土壓力中、側向均勻主動土壓力p1、側向三角形主動土壓力p2、側向土層抗力qk、作用在盾構管片上的水壓力、拱底反力PR在內力計算中，不需要使用。土壓力計算時，采用水土分算法那么進行計算，不考慮靜水壓力的折減系數。其中由于在計算荷載與襯砌內力時，所使用公式是建立在線彈性體系的理論根底上，所計算得出的內力值與荷載成線性相關，所以可以在進行荷載內力組合之前的荷載計算時就考慮荷載的分項系數，從而使得在計算各個分項荷載所產生的內力值時，就已經考慮了荷載的分項系數，那么在荷載的組合效應分析中，可以直接

6、將荷載所產生的內力值進行組合，不需要再次考慮荷載的分項系數！在拱頂部土壓力計算時，采用太沙基公式進行計算時，公式中使用了荷載分項系數，為了統(tǒng)一計算，故在荷載計算時也統(tǒng)一采用相應的分項系數，以后在內力計算與荷載組合時便不需要再次使用荷載分項系數。計算時，統(tǒng)一單位：kN、m ;水的重度為：w=10kNm3 ;其中C50混凝土的彈性模量?。篍=3.45107kPa，=26kNm3 ；襯砌圓環(huán)厚度?。篽=350mm ，襯砌圓環(huán)彎剛度: EJ=3.4510710.35312=1.233105kNm21、管片自重g計算：由設計題目可知，設計管片厚度為：=350mm 其中管片重度?。?26kNm3那么，管片

7、自重為：g=1.2=1.2260.35=10.92kNm22、豎向土壓力q計算：由設計題目可知，該盾構隧道埋深為：h=1.5+1.0+3.5+12.755=18.755m其中隧道埋深h=18.755m遠大于隧道二倍直徑2D=12.4m ，同時隧道頂部具有一層較厚的灰色淤泥質粉質粘土，該土層具有一定的抗剪強度：=18kNm3 ,c=12.2kPa ，=8.9。此時作用在拱頂部的土壓力q值小于拱頂部覆土層的自重，土壓力值q可以根據太沙基理論計算拱頂部松動土壓力q為： 其中： H=h=18.755m , c=1.64512.2+2.925+1.2812.11.645+2.925+1.28=12.1k

8、Pa , =1.6458.9+2.925+1.287.21.645+2.925+1.28=7.7 ，Po=20kNm2由于土層位于地下水位以下：土壓力計算采用水土分算法那么，取土的浮重度：=8kNm3 其中B1的值，通過三角函數關系得：B1=D2cot45+22=6.22cot45+8.922=6.73m 那么，豎向土壓力值q為：q=1.26.738-12.16.73tan7.71-e-18.7556.73tan7.7+1.420e-18.7556.73tan7.7=135.52kNm2假設，不考慮土層的成拱效應，那么作用在拱頂部的土壓力q為：q=1.2ihi+1.4Po=1.20.518+1

9、.08+1.09.1+3.58.7+12.7558+1.420=218.31kNm2135.52kNm2可見考慮土層的成拱效應，將會使得作用在拱頂部的土壓力值極大的減小，從而在保證設計平安的同時，為工程設計帶來巨大的經濟效益！故，在拱頂部荷載計算時，需要考慮拱頂部土層的成拱效應，設計時取拱頂部荷載為：q=135.52kNm23、地面超載q計算其中在拱頂部土壓力計算時，應考慮了地面超載的影響，故在內力計算時，不需要再次進行疊加：由設計題目可知，地面超載值為：Po=20kNm2 考慮分項系數，作用在拱頂部的地面超載為：q=1.420=28kNm24、拱背土壓力G計算：由設計題目可知，襯砌圓環(huán)的計算

10、半徑?。篟H=6.2-0.352=2.925m ，拱背處土層浮重度為：=8kNm3 。那么，拱背土壓力值G為：G=1.221-4RH2=1.221-42.92528=35.25kNm那么，作用在拱頂部的均布土壓力為：pe1=135.52+35.256.2=141.21kNm25、側向均勻主動土壓力p1計算：由設計題目可知，計算側向土壓力時需要考慮拱側土層的抗剪強度指標，其中拱側具有兩層不同性質的土層，需要使用等效抗剪強度指標： c=1.64512.2+2.925+1.2812.11.645+2.925+1.28=12.1kPa , =1.6458.9+2.925+1.287.21.645+2.

11、925+1.28=7.7側向均勻主動土壓力p1為：p1=qtan45-22-2ctan45-2 式中第一項在計算拱頂部土壓力時已考慮了荷載分項系數，故在此只需對第二項考慮荷載分項系數。那么，側向均勻主動土壓力p1為： p1=qtan45-22-21.2ctan45-2=135.52tan45-7.722-21.212.1tan45-7.72=78.12kNm26、側向三角形主動土壓力p2計算：由設計題目可知，在拱底部的土層內摩擦角為：=7.2 ，土層的浮重度為：=7.1kNm3 ，襯砌圓環(huán)的計算半徑取：RH=2.925m 那么，側向三角形主動土壓力p2為： p2=21.2RHtan45-22=

12、21.22.9257.1tan45-7.222=38.74kNm2那么，作用在拱側的梯形主動土壓力為：qe1=78.12kNm2qe2=78.12+38.74=116.86kNm27、作用在盾構管片上的水壓力計算不考慮水壓力的折減系數：由設計題目可知，地下水位的位置為：h=-0.5m 那么，作用在拱頂部的靜水壓力pw1為：qw1=1.2101.0+1.0+3.5+12.755=219.06kNm2 側向三角形靜水壓力pw2為：qw2=1.2102RH=1.21022.925=70.20KNm2那么，作用在拱側的梯形靜水壓力為：qw1=219.06kNm2qw2=219.06+70.20=289

13、.26kNm2 作用在拱頂部的靜水壓力為：pw1=219.06kNm28、側向土壤抗力qk計算：由設計題目可知,襯砌圓環(huán)剛度折減系數為：=0.7 ，襯砌圓環(huán)側向地層基床系數為：k=20000kNm3 ，襯砌圓環(huán)的抗彎剛度: EI=1.233104kNm2 ，襯砌圓環(huán)計算半徑為：Rc=2.925m襯砌圓環(huán)在水平直徑處的變形量為：式中：pe1=141.21kNm2 ，pw1=219.06kNm2 ，qe1=78.12kNm2 ，qe2=116.86kNm2 ，qw1=219.06kNm2 ，qw2=289.26kNm2那么，襯砌圓環(huán)在水平直徑處的變形量為：=2pe1+pw1-qe1+qw1-qe2

14、+qw2RH424EI+0.0454kRH4=2141.21+219.06-78.12+219.06-116.86+289.262.9254240.71.233105+0.0454200002.9254 =1.02910-3m那么，襯砌圓環(huán)所受到的側向土層的側向抗力qk為： qk=k=200001.02910-3=20.57kNm29、拱底反力PR計算：由設計題目與計算圖示可知：作用在拱底部的拱底反力PR作用在襯砌圓環(huán)上的荷載豎向平衡原理為：PR=pw1+pe1+g那么，作用襯砌圓環(huán)的拱底反力PR為：PR=pw1+pe1+g-2RHw+0.2146RH=219.06+141.21+10.92-

15、22.92510+0.21462.9257.1=353.09 kNm2綜上所述，如下計算圖示中，各荷載值分別為：g=10.92kNm2 ，pe1=141.21kNm2 ，qe1=78.12kNm2 ，qe2=116.86kNm2，qw1=219.06kNm2 ，qw2=289.26kNm2 ，pw1=219.06kNm2 ，qk=20.57kNm2 ，PR=353.09kNm2第三章 盾構管片內力計算在以上計算出襯砌圓環(huán)所受到的荷載后，可以采用慣用修正法進行襯砌圓環(huán)的內力計算。其中襯砌圓環(huán)內力計算公式如下： 1、慣用修正法計算：使用慣用修正法，假設襯砌圓環(huán)為均質圓環(huán)，同時考慮接頭對于襯砌圓環(huán)剛

16、度的影響，那么對襯砌圓環(huán)的剛度取為：EJ=EJ=0.73.4510710.35312=8.631104kNm2 ，對均質襯砌圓環(huán)內力計算結構，考慮接頭影響，進行一下處理： 接頭處內力：Mj=1-M ,Nj=N 非接頭管片處內力：Mj=1+M ,Nj=N 其中=0.3運用Excel2007計算襯砌圓環(huán)內力：其中為了能夠更加精確地描述圓環(huán)內力的變化，對于接頭處內力、以及管片內每5度作為一個內力計算點進行計算；同時由于對稱性，可以考慮只計算角度為0180度的范圍內內力值。內力計算點內力項單位：kN、m度數弧度MNQ0048131823283338434853586368737883889398103

17、108113118123128133138143148153158163168173180利用對稱性，可以得出180360度的內力值：內力計算點內力項單位：kN、m內力計算點內力項單位：kN、m度數弧度MNQ度數弧度MNQ001874192819713202182072321228217332223822743232482375324258247632526825773262782678327288277932829828710329210829711330211830712331212831713332213832714333214833715334215834716335216835617

18、33600180 根據計算結果，做出襯砌圓環(huán)的彎矩圖、軸力圖、剪力圖：將彎矩圖、軸力圖、剪力圖描于同一圖得：2、同濟曙光荷載結構法進行計算：其中均質圓環(huán)半徑為： ；作用在均質圓環(huán)上的單向受壓彈簧：Kn=1kNm3將彈性抗力作為為荷載施加在結構上，同時減少地層對襯砌的影響，圓環(huán)采用各項同性的直梁殼單元：E=3.45107kPa ，A=0.35m2 ，Y=-31.2kN/m3 ，I=3.57310-3m4 ；作用在均質圓環(huán)上的均布Y方向荷載分別為：q1=320.54kPa ，q2=320.54kPa ；作用在均質圓環(huán)上的X方向梯形荷載分別為：q1=243.75kPa ，q2=313.59kPa ；

19、同時考慮地基抗力作用在45范圍內的三角形地基抗力，大小為qk=20.57kPa ；均質圓環(huán)采用單位長度為0.25m的線單元進行網格劃分處理！荷載圖如下： 經過分析求解，求解內力結果如下：軸力圖：剪力圖：彎矩圖：3、慣用修正法計算結果與同濟曙光軟件荷載結構法計算結果進行比擬：經過比擬分析發(fā)現：兩種方法內力計算結果具有較好的一致性，兩種計算方法互相驗證，說明計算結果具有較高的準確性！但是，在比擬中國也發(fā)現，兩種方法計算結果的軸力圖與彎矩圖最為相近，剪力圖有一定的差異！分析其差異性的產生原因可能是：經驗公式在其推導過程中忽略了剪力項對于內力功的影響，從而導致了剪力值計算結果有一定的差異！但是其差異在

20、工程可以接受的范圍內！在進行標準管片的設計時，采用修正慣用法計算結果進行標準管片設計，以及管片、接頭的抗裂、開裂度驗算，同時進行管片的局部受壓驗算！第四章 盾構標準管片配筋與裂縫計算標準管片B2的配筋計算中，由于管片所受到的內力軸力比擬大、而彎矩相對較小，試算偏心距eo與0.3ho的比擬結果發(fā)現其多為小偏心受壓狀態(tài)，取標準管片的內力最不利組合軸力最大、彎矩最大，那么所得標準管片的控制截面為83方向的內力組合為組不利組合，此截面內力值為：M=1.3-24.9076=32.38kNm ，N=1102.83kN ，Q=25.83kN 外側受拉其中標準管片的截面參數取單位長度的標準管片進行計算為：h=

21、350mm ，b=1000mm ，I=3.57310-3mm4 ，取標準管片的外側保護層厚度為：c=50mm ；取標準管片的內側保護層厚度為：c=35mm ，即ho=290mm 。其中標準管片所使用材料的材料參數為：C50混凝土的材料參數為：fc=2.31104KPa ，ft=1.89103kPa ，Ec=3.45107kPa ;標準管片所使用HRB335主筋材料參數為：fy=fy=3.00105kPa ，Es=2.0108kPa ；標準管片所使用Q235箍筋材料參數為：fy=fy=2.10105kPa ，Es=2.1108kPa 。 其中，考慮到一些特殊情況荷載作用的不確定性，對于管片配筋采

22、取對稱配筋的原那么：As=As。截面的臨界狀態(tài)時相對受壓區(qū)高度為：b=0.81+fyEscu=0.81+3.001052.01080.0033=0.5581、標準管片配筋計算： 判斷截面狀態(tài)：eo=MN=32.381102.83=0.029m ，?。篹o=0.020m ，那么計算偏心距為：e=0.029+0.020=0.049m 按對稱配筋判斷截面受壓狀態(tài)： =N1fcbho=1102.831.02.3110410.29=0.165b=0.558 ，截面處于大偏心受壓狀態(tài)。故按大偏心受壓理論計算管片配筋： 此時，ho=0.1650.29=0.048m2as=20.045=0.090m ，那么可

23、以按照公式 ：As=Ne-1fcbho21-2fyho-as=1102.830.18-1.02.3110410.2920.5581-0.55823.001050.29-0.045=-0.0081050mm23、標準管片的裂縫驗算As=As=1676： 管片的裂縫驗算，取標準管片的內力最不利組合軸力最大、彎矩最大，那么所得標準管片的控制截面為83方向的內力組合為組不利組合，此截面內力值為：M=1.3-24.9076=32.38kNm ，N=1102.83kN ，Q=25.83kN 外側受拉 其中裂縫計算公式為： Wmax=acr.skEs.1.9c+0.08deqte 此處統(tǒng)一使用單位N、mm其

24、中：acr=2.1 ， c=50mm ， Es=2.0105MPa te=AsAte=11310.51000350=0.0060.01 那么te=0.01sk=Mk0.87.h0.As=32.381060.872901131=113.47MPa=1.1-0.65ftkte.sk=1.1-0.651.890.01113.47=1.666 deq=ni.di2ni.i.di=16216=16mm 那么，管片的最大裂縫寬度為：Wmax=acr.skEs.1.9c+0.08deqte=2.10.338113.472.01051.950+0.08160.01=0.07mm0.2mm 即：在此配筋條件下，

25、管片的裂縫驗算不滿足要求！ 綜上所述：標準管片B1B2在滿足強度條件以及裂縫要求剛度條件的條件下的配筋可以取為：12200 As=As=1131mm2第五章 盾構縱向接頭設計與張開度驗算 盾構管片縱向接頭的驗算，由于對稱性可以只考慮對其半邊的三個接頭進行一定的驗算，其角度分別為：8 、 73 、138 三個接頭的內力就算值如下單位：kN、m：接頭角度內力項度數弧度MNQ-3.46-考慮使用慣用修正法，需要對接頭的計算彎矩值進行適當的折減，那么計算修正計算結果如下單位：kN、m：接頭角度內力項度數弧度MNQ-m ，那么每一縱向接頭的承當內力值計算結果如下：接頭角度內力項度數弧度MNQ-8.92其

26、中先擬設計接頭為：3高強度彎螺栓；螺栓的凈截面積為：Ag=3560.6=1681.8mm2 ；螺栓的設計強度：Rg=530 N/ mm2 ；螺栓的預應力設計值：Rg=50-100 N/ mm2 ，設計每個螺栓的預拉力為：N=42.00kN 此時螺栓承受的預應力為Rg=75N/ mm2；接頭截面積為：F=1200350=4.2105mm2 ；接頭的截面距為：W=1612003502=2.45107mm3 ；螺栓距內側的厚度為：d=150mm ，即偏心距為：eo=3502-3503=58.33mm ；防水材料按照它的極限強度： 1.2N/ mm2和極限拉升率：200%，算出一個：E=0.6 N/

27、mm2。強度與張開度驗算時，統(tǒng)一使用單位：N、mm1、驗算封頂塊K與鄰接塊L的接頭即8方向的接頭，不考慮螺栓有利作用強度與張開度： 此接頭內力值為：M=38.88kNm ，N=1185.41kN ，Q=-4.15kN 內側受拉。 初始截面邊緣內力為：c1c2=NoFMW=3420004.210534200058.332.45107=0.63-0.03Nmm2 此時施工期間，接縫截面外側雖然存在一定的拉應力：但 c2=-0.03Nmm21.2Nmm2 同時=0.030.6=0.052 即此時接縫滿足要求 由于外荷載作用引起的內力值為：a1a2=NFMW=1185.4110004.210538.8

28、81062.45107=4.411.23Nmm2 那么，此時接頭處截面外邊緣內力為：a1a2=c1c2+a1a2=5.041.20Nmm2 ，即此時截面不存在拉應力的情況，接頭不會發(fā)生張開現象！2、驗算標準塊B與鄰接塊L的接頭即73方向的接頭，不考慮螺栓有利作用強度與張開度： 此接頭內力值為：M=-28.63kNm ，N=1313.82kN ，Q=12.14kN 外側受拉。 初始截面邊緣內力為：c1c2=NoFMW=3420004.210534200058.332.45107=0.63-0.03Nmm2 此時施工期間，接縫截面外側雖然存在一定的拉應力：但 c2=-0.03Nmm21.2Nmm2

29、 同時=0.030.6=0.052 即此時接縫滿足要求 由于外荷載作用引起的內力值為：a1a2=NFMW=1313.8210004.2105-28.631062.45107=1.964.30Nmm2 那么，此時接頭處截面外邊緣內力為：a1a2=c1c2+a1a2=2.594.27Nmm2 ，即此時截面不存在拉應力的情況，接頭不會發(fā)生張開現象！3、驗算標準塊B與封底塊D的接頭即138方向的接頭，不考慮螺栓有利作用強度與張開度： 此接頭內力值為：M=8.92kNm ，N=1265.28kN ，Q=38.18kN 外側受拉。 初始截面邊緣內力為：c1c2=NoFMW=3420004.210534200058.332.45107=0.63-0