地下建筑结构设计课程设计盾构管片设计

《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：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）kδ3π/4<θ<π(0.2346+0.3536C)kδΠ/2<θ<3π/4(-0.7071C+C2-0.7071S2C)kδ3π/4<θ<π-0.3536CΠ/2<θ<3π/4(SC+0.7071C2S)kδ3π/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）080.41622.20.001073.67627.9-26.222058.32642.9-44.543034.97658.3-55.00408.04678.2-59.7350-17.97693.8-53.5460-39.14713.4-43.7370-52.96735.1-20.5480-58.60754.5-7.4490-56.87789.19.73100-43.56792.948.39110-34.78788.162.03120-19.67783.268.98130-1.71775.268.9814017.99769.362.5815035.39744.350.7316049.26736.235.3617058.17731.118.0718061.23629.300.00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=139mmEa=1000/30=33mm则Ei=Eo+Ea=139+33=172mm；取则：按大偏心受压情况计算：mmX=N/α1806mm2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。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；mm45.1截面A承受正弯矩和轴力kN·mkN等效截面积：m2mm2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。cmcmMN/m2cmMN/m25.2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/m2MN/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B622.2789.114.84-9.76抗压强度6.65-1.904抗压强度-3.26.23抗拉强度-11.89530.63抗拉强度31.9-5.545.2验算剪力（最大剪力截面）根据式其中，Q-------最大剪应力。-59.73KN/mb-------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/m2kN/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