阳鹤山片区截污干管工程结构设计计算书

PAGE阳鹤山片区截污干管工程结构设计计算书工程编号：重庆市长寿区阳鹤山片区截污干管工程PAGE5目录一、技术标准…………………1二、设计依据…………………1三、污水顶管结构计算………2四、污水隧道结构计算………6五、顶管工作井结构计算…………………10六、顶管接收井结构计算…………………12七、污水架空段结构计算…………………14技术标准设计基准期：结构为50年设计安全等级：二级抗震设防标准：抗震设防烈度为6度，抗震设防措施等级为7级混凝土等级：顶管C50；工作井/接收井/隧道C30；盖梁桩基C30；扩大基础C25片石混凝土。钢筋混凝土结构处于Ⅰ类环境，最大裂缝宽度限值Wmax=0.2mm。设计依据《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB50069-2002）《给水排水工程管道结构设计规范》（GB50332-2002）《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002（2011版））《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）《顶管施工技术及验收规范》（试行）《顶进施工法用钢筋混凝土排水管》（JC/T640-2010）《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）《公路隧道设计细则》(JTG/TD70-2010)《公路隧道施工技术规范》（JTGF60-2009）《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）《长寿区阳鹤山片区截污干管工程工程地质勘察报告》详勘2015.4月

顶管结构计算顶管结构在本工程位于桃园路及桃东路段（W100~W121），污水干管埋深3~11.m。管道上的土压力荷载参考《给水排水工程顶管计算规程》（CECS246:2008）计算公式，本工程管顶部覆盖层厚度均大于一倍管外径且覆盖层无淤泥，采用最大埋深计算。管顶上竖向土压力标准值按下公式计算。Fsv=Cj（γBt-2c）Bt=D1[1+tan（45-φ/2）]Cj=[1-exp（-2KaμHs/Bt]其中Fsv竖向土压力标准值（kN/m2）；Cj竖向土压力系数；Bt管顶上部土压力传至管顶处的影响宽度；D1管道外径；φ管顶土的内摩擦角；c管顶土的粘聚力；Hs管顶至地面的埋深；Kaμ主动土压力系数与内摩擦系数乘积；一般0.13，饱和黏土0.11；砂石0.165；管侧向土压力标准值按下公式计算。Fh=（Fsv+γD1/2）/Ka其中Fh侧向土压力标准值（kN/m2），作用在管中心；Ka主动土压力系数，Ka=tan2（45-φ/2）计算参数及计算荷载值见下表：顶管内径D1.20顶管外径D11.44埋深Hs11.00判断TRUE土体加权容重γ21.00加权摩擦角φ18.80综合内摩擦角22.80加权粘聚力c5.95竖向土压力系数Cj2.68土压力影响宽度Bt2.40主动土压力系数乘积内摩擦系数Kaμ0.13主动土压力系数Ka0.51竖向土压Fsv102.97每米竖向土压Psv148.28拱部土压力3.25每米拱部土压Psv，4.68侧向土压Fh62.11每米侧向土压Ph89.44管自重12.94管内满水重11.30管道工作压力标准值Fwk0.10管道工作压力设计值Fw0.15管道环向轴力N198.00地面车辆荷载Qi28.80管道内力计算标准值：M标准值=荷载标准值×内力系数×γo；N标准值=荷载标准值×内力系数；准永久值：M准永久值=M标准值×准永久系数；N准永久值=N标准值×准永久系数o设计值：M设计值=M标准值×分项系数；N设计值=N标准值×分项系数o管道结构重要性系数γo==1.0根据《给水排水工程顶管计算规程》，管道的图弧基础中心角为120°，查规程附录B,刚性管道在各种荷载作用下的最大弯矩系数，详见下表：正负号规定:弯矩管道内壁受拉为正，受压为负；轴力管道截面受压为正，受拉为负。受力点示意图序号荷载标准值准永久系数分项系数ABCM值N值M值N值M值N值1管道自重12.941.001.20内力系数0.10.2360.066-0.048-0.0760.25标准值1.293.050.85-0.62-0.983.23准永久值1.293.050.85-0.62-0.983.23设计值1.553.661.02-0.75-1.183.882管腔肩土4.6811.27内力系数0.1310.2580.072-0.07-0.1110.5标准值0.611.210.34-0.33-0.522.34准永久值0.611.210.34-0.33-0.522.34设计值0.781.530.43-0.42-0.662.973管竖向压力148.2711.27内力系数0.1540.2090.136-0.021-0.1380.5标准值22.8330.9920.17-3.11-20.4674.14准永久值22.8330.9920.17-3.11-20.4674.14设计值29.0039.3625.61-3.95-25.9994.164地下水压力011内力系数标准值0.000.000.000.000.000.00准永久值0.000.000.000.000.000.00设计值0.000.000.000.000.000.005管内水重11.30411.2内力系数0.1-0.240.066-0.208-0.076-0.069标准值1.13-2.710.75-2.35-0.86-0.78准永久值1.13-2.710.75-2.35-0.86-0.78设计值1.36-3.260.90-2.82-1.03-0.946管内工作压1980.71.4内力系数0-10-10-1标准值0.00-198.000.00-198.000.00-198.00准永久值0.00-138.600.00-138.600.00-138.60设计值0.00-277.200.00-277.200.00-277.207地面荷载28.80.51.4内力系数0.1540.2090.136-0.021-0.1380.5标准值4.446.023.92-0.60-3.9714.40准永久值2.223.011.96-0.30-1.997.20设计值6.218.435.48-0.85-5.5620.168侧土压力89.4411.27内力系数-0.1250.5-0.1250.50.1250标准值-11.1844.72-11.1844.7211.180.00准永久值-11.1844.72-11.1844.7211.180.00设计值-14.2056.79-14.2056.7914.200.00管道在荷载组合下，截面内力值见下表序号工况荷载组合ABCM值N值M值N值M值N值1工况一1+2+3+4+7+8标准值18.0085.9914.0940.05-14.7694.11准永久值15.7882.9812.1440.36-12.7786.91设计值23.34109.7818.3550.83-19.19121.172工况二1+2+3+4+5+7+8标准值19.1383.2814.8437.70-15.6293.33准永久值16.9180.2712.8838.00-13.6386.13设计值24.70106.5219.2448.01-20.22120.233工况三1+2+3+4+5+6+7+8标准值19.13-114.7214.84-160.30-15.62-104.67准永久值16.91-58.3312.88-100.60-13.63-52.47设计值24.70-170.6819.24-229.19-20.22-156.97管道配筋计算本工程管道配筋为双向配筋，HRB400直径12间距50mm，进行承载能力及裂缝验算。承载能力极限状态验算正截面验算：最不利位置为工况三A点M=24.7kN·m，N=-170kN，最大抗力Mu=43.9kN·m，Nu=-244kN，均满足要求正常使用极限状态验算最不利位置为工况三A点M=19.13kN·m，N=-114kN，，采用《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB50069-2002）附录A执行计算裂缝为0.09mm＜0.2mm，满足规范要求。

污水隧道结构计算污水隧道在本工程内存在两段：一段是污水管下穿缆车段（W270~W271）,另一段是污水隧道段（W127~W128）。结构断面形式为拱形门式结构，隧道底板厚0.3m，侧墙厚0.3m。其具体结构形式和尺寸见下图。图污水隧道横断面4.1、缆车段隧道结构荷载（W270~W271）轨道缆车荷载参考《铁路桥涵设计基本规范》第4.3.4条：计算活载对涵洞竖向压力和水平压力时，假定活载在轨底平面上的横向分布宽度2.5m，其在路基内与竖直线成一角度（正切值0.5）向外扩散，荷载可按下式计算。竖向压力Qh=165/（2.5+h）水平压力E=α×Qhh为轨底到涵洞顶距离α为侧压力系数，压实土0.25填土0.35本工程缆车顶距离隧道结构顶部h=2.5m，侧压力系数α=0.35竖向压力Qh1=165/（2.5+h）=165/（2.5+2.5）=33kN/m水平压力E1=α×Qh=0.35·33kN/m=11.55kN/m土压力竖向压力Qh2=γh=20·2.5=50kN/m水平压力E2=αQh=0.35·50kN/m=17.5kN/m设计值竖向压力Qh=1.35·Qh2+1.4·Qh1=1.35·50+1.4·33=113.7kN/m水平压力E=1.35·E2+1.4·E11=1.35·17.5+1.4·11.5=39.73kN/m4.2、污水隧道段结构荷载（W127~W128）该段隧道所处地层位砂岩，隧道埋深0~26.8m，，该段隧道洞口为浅埋，洞身为深埋。根据隧道设计规范附录E，本隧道等效荷载高度hp=1.8m，所以该隧道深浅埋判定高度H=2.5·hp=4.5m。深埋隧道H＞4.5m：荷载高度为hp=1.8m。浅埋隧道H≤4.5m：荷载高度为4.5m。最不利荷载取荷载高度为4.5m根据隧道设计规范E.0.2竖向压力Qh=γH(1-HαTANθ)=86kN/m水平压力E=αQh=0.35·50kN/m=21kN/m设计值竖向压力Qh=1.35γH(1-HαTANθ)=118.8kN/m水平压力E=1.35αQh=0.35·50kN/m=28.35kN/m4.3、隧道结构验算隧道结构厚度300mm，双向配筋Φ18@150，钢筋保护层厚度40mm承载能力极限状态验算缆车段正截面验算：最不利位置为底板M=56.5kN·m，N=70kN，斜截面验算：最不利位置为底板F=194kN，最大抗力Mu=124kN·m，Nu=175kN，Fu=300kN，均满足要求隧道段正截面验算：最不利位置为底板M=60.9kN·m，N=59kN，斜截面验算：最不利位置为底板F=200kN，最大抗力Mu=124kN·m，Nu=175kN，Fu=300kN，均满足要求正常使用极限状态验算缆车段最不利位置为底板M=43.3kN·m，N=51kN，采用桥梁博士计算裂缝为0.105mm＜0.2mm，满足规范要求。暗挖段最不利位置为底板M=45.8kN·m，N=43kN，采用桥梁博士计算裂缝为0.114mm＜0.2mm，满足规范要求。经上述计算，污水隧道结构设计各控制值满足规范要求。

顶管工作井结构计算顶管工作井平面尺寸B×L=3.5×6.5m，工作井深度小于3m段壁厚300mm，工作井深度大于3m小于12m段壁厚450mm,底板厚度500mm。工作井最大深度12m。计算荷载土体侧压力系数α=tan2（45°-φ/2）=tan2（45°-30°/2）=0.33竖井顶部侧压力F1=αγh0=0.33×20×0=0.0（kN/m2）竖井顶部侧压力F2=αγh12=0.33×20×12=79.2（kN/m2）采用mida/gts岩土通用有限元软件，建立三维模型施加竖井侧向土压力计算结果如下图所示。提取有限元计算结果，工作井结构弯矩和剪力水平方向弯矩水平方向剪力工作井高度H≤3m范围内，结构侧壁水平方向弯矩最大值62.3kN·m，最大剪力49.4kN。工作井高度3m＜H≤12m范围内，结构侧壁水平方向弯矩最大值100.4kN·m，最大剪力126kN。竖直方向弯矩竖直方向剪力由上图可知，结构侧壁竖直方向的弯矩最大值59.9kN·m，最大剪力154.8kN。侧壁水平方向受力验算H＜3m范围内壁厚300mm，双向配筋Φ16@100；验算荷载：M=84.1kN·m，F=66.7kN，截面抗力Mu=159kN·m，Fu=300kN，均满足要求裂缝验算：M=62.3kN·m，计算裂缝为0.154mm＜0.2mm，满足规范要求。3m＜H＜12m范围内壁厚450mm，双向配筋Φ18@100；验算荷载：M=135.5kN·m，F=170.1kN，截面抗力Mu=324kN·m，Fu=450kN，均满足要求裂缝验算：M=100.4kN·m，计算裂缝为0.134mm＜0.2mm，满足规范要求。侧壁竖直方向受力验算侧壁竖向壁厚450mm，双向配筋Φ14@150；验算荷载：M=80.8kN·m，F=207.9kN，截面抗力Mu=108kN·m，Fu=450kN，均满足要求裂缝验算：M=59.9kN·m，计算裂缝为0.174mm＜0.2mm，满足规范要求。顶管接受井结构计算顶管接收井平面尺寸B×L=3.2×3.2m，接收井壁厚300mm，底板厚度500mm。接收井最大深度12m。计算荷载土体侧压力系数α=tan2（45°-φ/2）=tan2（45°-30°/2）=0.33竖井顶部侧压力F1=αγh0=0.33×20×0=0.0（kN/m2）竖井顶部侧压力F2=αγh12=0.33×20×12=79.2（kN/m2）采用mida/gts岩土通用有限元软件，建立三维模型施加竖井侧向土压力计算结果如下图所示。提取有限元计算结果，工作井结构弯矩和剪力水平方向弯矩水平方向剪力由上图可知，接收井结构侧壁水平方向弯矩最大值35.3kN·m，最大剪力91.0kN。竖直方向弯矩竖直方向剪力接收井结构侧壁竖直方向弯矩最大值26.7kN·m，最大剪力88.1kN。侧壁水平方向受力验算接收井侧壁厚300mm，双向配筋Φ16@150；验算荷载：M=47.6kN·m，F=122.8kN，截面抗力Mu=159kN·m，Fu=300kN，均满足要求裂缝验算：M=113.0kN·m，计算裂缝为0.129mm＜0.2mm，满足规范要求。侧壁竖直方向受力验算侧壁竖向壁厚300mm，双向配筋Φ14@150；验算荷载：M=36.0kN·m，F=118.9kN，截面抗力Mu=87.5kN·m，Fu=300kN，均满足要求裂缝验算：M=26.7kN·m，计算裂缝为0.122mm＜0.2mm，满足规范要污水架空段结构计算污水架空段工分为4段，污水节点W184至W224为污水架空1段，污水节点W252至W260为污水架空2段，污水节点污水节点W267至W280为污水架空3段，污水节点W300至W304为污水架空4段。架空钢管均采用内径1.4m，壁厚16mm的Q235B钢管。因本工程架空高度不同，下部部结构分别采用直径1.2m桩基础和扩大基础，桩基采用C30钢筋混凝土，扩大基础设计采用C25片石混凝土支墩。7.1架空钢管计算 架空钢管跨径分别9~15m，标准跨径为一联4x12.5m,本计算取荷载最大的简支15m进行计算，根据《给水排水工程管道结构设计规范》（GB50332-2002）承载力极限状态组合：1.2×自重+1.27×污水重+1.26×检修荷载管涵参数 外径(m) 内径(m) 跨径(m) 1.432 1.4015 箱涵面积= 0.07 污水面积= 1.54 承载能力组合系数 箱涵自重q1=5.5KN/m 1.2 污水自重q2=15.4KN/m 1.27 检修荷载q3=4KN/m1.26计算结果 承载力极限状态组合： q=q1+q2+q3=31.2KN/m 弯矩M中=q/8=877.1KN.m 剪力V边=ql/2=234.8KN 截面最大正应力=M中/Wz=877.1*32/(1.4323-1.43)*1000000=46.5<215pa，满足要求截面最大剪应力=2V边/A=2x234.8/0.07x1000=33.5<125pa，满足要求7.2桩基承载力验算桩径采用1200mm桩基，嵌岩深度分别为3.6m。根据上部结构的计算，上部支反力最大组合值＝485KN；（按15m简支计算）盖梁自重组合值＝224.0KN；桩基自重组合值＝1.2×3.14×1.2×1.2/4×18.7×25＝634.2KN。故桩基轴向承载力设计值＝485+224.