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文档简介
1、盾构隧道管片结构设计及计算方法内 容管片类型管片尺寸设计作用荷载计算模型结构验算管片堆放及吊装管片类型分类标准管片材料管片形状管片类型(1)钢管片(2)钢筋混凝土管片(1)矩形管片(2)楔形管片(3)梯形管片(4)六边形管片(5)箱形管片梯形管片矩形管片楔形管片六边形管片箱形管片管片尺寸设计管片环的外径取决于隧道隧道净空和衬砌厚度(管片厚度与二次衬砌厚度)考虑施工误差与后期变形等管片的厚度主要由荷载条件决定,兼顾隧道施工条件和使用目的同一条隧道一般采用统一厚度,通过调整配筋来满足受力要求管片的宽度从降低工程成本,减少接头,提高防水性能,加快施工速度方面考虑,管片宽度大些好为便于运输、组装以及在
2、隧道曲线上的施工,管片宽度小一些好根据隧道断面,结合施工机械情况和实际工程经验,选择在经济、施工方面均较合理的宽度中至大直径隧道管片宽度一般为10002000mm,隧道直径大则采用的管片宽管片的分块满足管片运输、吊装和拼装的要求考虑封顶块的拼装方式和连接螺栓的布置与形式据以往经验,管片环一般由511块管片组成,小直径隧道管片数少作用荷载特殊说明:1. 上覆荷载&地面活载:隧道埋深越大,地表荷载对之影响越小,如塌落拱高度小于隧道埋深,可以不考虑上覆荷载2. 温度变化的影响:隧道内一年内温差变化较小,通常不考虑由于温度变化所产生的荷载3. 盾构施工荷载:盾构推进油缸的推力作用在管片上的装配荷载壁后
3、注浆压力计算模型1. 平均等刚度圆环2. 多铰圆环3. 梁 弹簧模型4. 有限元法考虑接缝的存在,截面刚度按如下公式(Muir Wood)折减:EIe = E*Ij + I * (4/n)2其中Ij为纵向接缝截面惯性矩,I为管片截面惯性矩,n为接缝数量计算模型将纵向接头作为铰接结构来计算1. 平均等刚度圆环2. 多铰圆环3. 梁 弹簧模型4. 有限元法计算模型将纵向接缝考虑为旋转及剪切弹簧,旋转及剪切刚度宜根据实验确定;如将剪切弹簧常数设为零,当旋转弹簧常数为零时,则与多铰圆环计算法相同,当它被设为无限大时,则与平均等刚度圆环法相同。1. 平均等刚度圆环2. 多铰圆环3. 梁 弹簧模型4. 有
4、限元法计算模型1. 平均等刚度圆环2. 多铰圆环3. 梁 弹簧模型4. 有限元法结构验算通过以上计算模型运算,可以得到管片在各工况下各截面的内力,包括弯矩M、轴力N和剪力Q。需要开展的(但不限于)的结构验算包括1)管片主截面承载能力极限状态计算,关键的断面包括正弯矩最大的截面、负弯矩最大的截面、轴力最大的截面和剪力最大的截面2)管片在正常使用状态下的钢筋混凝土裂缝宽度验算3)纵向和环向接缝承载能力验算4)接缝连接螺栓强度验算5)推进油缸推力的安全性验算6)管片吊装与堆放设计结构验算管片主截面承载能力极限状态验算 依据规范BS 8110-3:1985 Design Chart进行管片配筋 考虑弯
5、矩和轴力所设计的截面有足够的抗剪强度,可以不作抗剪验算结构验算正常使用状态管片的裂缝宽度验算 采用规范BS 8110-2:1985 Section 3.4中公式12计算裂缝宽度不超过规范BS 8110-2: 1985 Clause 3.2.4规定值 (一般为0.3mm)公式12公式13结构验算结构验算纵向接缝承载力验算混凝土承载力(Bearing Capacity)要考虑最大轴力和最大弯矩两种情况A.国内按混凝土结构设计规范(GB50010-2002)要求设计B.香港按Code of Practice for Precast Concrete Construction 2003Clause 2
6、.7.9验算) 和一般错缝组装管片环,邻近管片会分担接缝处部分内力,所以建议在验算纵向管片接缝混凝土承载能力的时候要将最大轴力和弯矩进行折减,折减系数可根据实验或经验确定(目前香港未考虑折减)结构验算纵向接缝承载力验算2. 螺栓锚固端混凝土强度验算按Code of Practice for Structural Use of Concrete 2004 Clause 12.11计算所需钢筋量结构验算纵向接缝承载力验算3. 螺栓强度验算由自重荷载(Ws = F1)产生的剪力与拉力Fs1 = Ws * cos / n Ps = 0.6*Py*AsFt1 = Ws * sin / n Pt假定:缓冲
7、垫上的所有压力(F2)均由螺栓施加Fs2 = F2 * sin / n PsFt2 = F2 * cos / n Pt拉剪组合 (Code of Practice for Structural Use of Steel 2005, Cl 9.3.8|(Fs1 + Fs2)| / Ps + |(Ft1 +Ft2)| / Pt 1.4其中 Ws:管片自重: 螺栓与水平面夹角n:管片环向螺栓数量Ps:单个螺栓抗剪能力Pt:单个螺栓抗拉能力F1F2结构验算环向接缝承载力验算混凝土承载力(Bearing Capacity)在油缸推力作用下的承载力计算按局部受压构件进行验算F (油缸总推力) *Fc (安
8、全系数) / A (受压面积) 0.4*fcu (混凝土特征抗压强度)螺栓强度验算抗剪能力Ws (管片自重) / n (管片环向螺栓数量) Ps (单个螺栓抗剪能力)抗拉能力Ft (缓冲垫所能承受的最大压力即作用在螺栓上的最大拉力) / n (管片环向螺栓数量) Pt 单个螺栓抗拉能力)拉剪组合Ws/Ps + Ft/Pt 1.4结构验算缓冲垫结构验算承受管片间挤压力能力(轴力Nmax)承受地下水压能力 (basing on gasket offset and max. gap)管片堆放及吊装一般一个管片环上的所有管片堆在一堆二个垫块的位置选择应保证由管片自重产生的正、反弯矩基本相等验算管片一天 (堆放) 和七天(吊装)抗弯和抗剪强度是否满足要求考虑上下垫块位置出现偏差的情况管片堆放及吊装A. 仅堆放管片1,验算跨中截面抗弯和垫块处截面抗弯与抗剪能力B. 所有管片完成堆放,验算管片1上垫块摆放位置有偏差时,跨中截面抗弯和垫块处截面抗弯与抗剪能力C. 所有管片完成堆放,验算管片2在上、下垫块摆放位置均有偏差时
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