管片配筋计算书.docx
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管片配筋计算书
苏州市轨道交通3号线工程施工图设计
何山路站～苏州乐园站区间
管片配筋计算书
专业负责人：
复核：
计算：
中铁第四勘察设计院集团有限公司
2017年03月苏州
一、设计依据
1.《苏州市轨道交通3号线工程施工图设计文件编制统一规定》（中铁第四勘察设计院集团有限公司2014.03）
2.《苏州市轨道交通3号线施工图设计技术要求》（中铁第四勘察设计院集团有限公司2014.03）
3.《苏州市轨道交通3号线工程施工图设计文件组成与内容》（中铁第四勘察设计院集团有限公司2014.03）
4.《苏州市轨道交通3号线工程初步设计》及专家评审意见（中铁第四勘察设计院集团有限公司2015.02）
5.《苏州市轨道交通3号线工程何山路站～苏州乐园站区间岩土工程详细勘察报告》（天津市市政工程设计研究院2014.03）
6.《提供3号线华山路站～何山路站～苏州乐园站变更后线路纵断面图》（中铁第四勘察设计院集团有限公司ZTB·3HX·S联[2015]第081号2015.11）
7.《苏州市轨道交通3号线东段工程沿线综合管线探测及地下建（构）筑物调查项目Ⅲ-WTC标段地下建（构）筑物探测成果报告及补充成果》（天津市市政工程设计研究院2014.7）
8.《苏州市轨道交通3号线工程地形图》（江苏省测绘院2013.03）
9.《苏州市轨道交通3号线盾构工程筹划》（2016.02）
10.《根据新版牵引计算及线路图更新3号线全线曲线超高及限速表的函》（北京院·XTSJ05标·3HX·S联[2014]第004号）（2014.9）
11.总体组相关文件及相关会议纪要
12.其它相关技术工作联系单及会议纪要
13.国家和地区现行规范与规程:
《城市轨道交通工程项目建设标准》（建标104-2008）
《城市轨道交通技术规范》（GB50490-2009）
《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》（GB50652-2011）
《轨道交通工程人民防空设计规范》（RFJ02-2009）
《地铁设计规范》（GB50157-2013）
《地铁限界标准》（CJJ96-2003）
《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》（CJJ49-92）
《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999）（2003版）
《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50153-2008）
《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）
《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）
《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008）
《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（2016年局部修订）
《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）（2015年局部修订）
《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T50476-2008）
《钢结构设计规范》（GB50017-2003）
《地下工程防水技术规范》（GB50108-2008）
《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）
《盾构法隧道施工及验收规范》（GB50446-2008）
《预制混凝土衬砌管片》（GB/T22082-2008）
《盾构隧道管片质量检测技术标准》（CJJ/T164-2011）
《预制混凝土衬砌管片生产工艺技术规程》（JC/T2030-2010）
《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）
其它相关规范、规程
二、主要技术标准
1主体结构设计使用年限为100年，自成结构体系且不直接影响运营的内部构件设计使用年限为50年。
在设计使用年限内未经技术鉴定或设计许可，不得改变结构的用途和使用环境。
2结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1。
3结构抗震设防烈度为7度，设防分类为乙类，抗震等级为四级。
4主体结构按6级人防抗力等级的人防荷载进行结构强度验算。
5结构裂缝控制等级为三级，钢筋混凝土管片最大裂缝宽度不大于0.2mm。
6结构防水等级为二级。
7结构耐火等级为一级。
8结构环境类别与作用等级为I-B。
9结构按最不利情况进行抗浮稳定验算。
在不计侧壁阻力时，抗浮安全系数不得小于1.05；当计入侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.15。
三、工程概况
本区间设计范围：
何山路站～苏州乐园站区间，右线设计起讫里程：
右DK9+465.935～右DK10+616.596，右线隧道全长1152.789m,长链2.128m；左线起讫里程：
左DK9+465.935～左DK10+662.596，左线隧道全长1183.819m，短链12.842m；区间左右线总长2336.608m；包含盾构区间隧道主体部分、联络通道1处、端头井加固、区间疏散平台。
区间隧道从何山路站南端出发，穿越何山公园处碎石土、中~强风化凝灰岩段，左右线均以2000m半径向西南方向直行,侧穿苏地-2014-G-34号地块荷兰庭小区别墅及配电房，继而左右线均以450m半径向东南方向前行，下穿邓尉路、金山浜和中化药业有限公司后，线路左右线均以450m半径向东南方向前进，下穿有轨电车1号线苏州乐园站地下通道之后到达苏州乐园站。
区间左右线均采用两段曲线，最小曲线半径为450m，线路线间距为14m~17m。
区间隧道两端的何山路站为地下两层、苏州乐园站为地下三层站，区间隧道纵坡呈单向坡，最大坡度26.539‰，最小坡度3.5‰，竖曲线半径为3000m及5000m。
隧道埋深6～16.7m。
本区间沿线建（构）筑物较多，主要侧穿了苏州市委党校团干培训楼、高新区培训中心、高达热电有限公司，下穿了邓尉路、金山浜、中化药业有限公司和有轨电车1号线苏州乐园站地下通道。
沿线道路地下管线密集，计有给水、雨水、污水、天然气、电力电缆、路灯、信息等多种管线。
根据沿线工程地质与水文地质条件、地层特性、地面环境等因素，区间隧道采用复合式土压平衡盾构施工，联络通道采用矿山法施工（地层采用冻结法加固）。
盾构管片参数如下表所示。
表1盾构管片结构参数
管片
内径
管片
外径
管片
厚度
管片分块
螺栓
类型
环向螺栓
纵向螺栓
混凝土等级
抗渗等级
拼装方式
5500mm
6200mm
350mm
6块
弯螺栓
12套
16套
C50
P10
错缝拼装
根据总体组下发的管片结构及配筋参考图，采用浅埋、中埋、深埋和超深埋四种配筋型式。
四、工程地质条件
详见本区间施工图《第一分册隧道平纵断面变更图》。
五、计算方法
本次采用η-ζ法（修正惯用法）进行设计计算。
首先将单环以匀质圆环计算，但考虑环向接头存在，圆环整体的弯曲刚度降低，取圆环抗弯刚度为ηEI（η为<1的弯曲刚度有效率，本次计算η取0.8计算），算出圆环水平直径处变位y后，计入两侧抗力PP=k·y（如图1）。
图1计算简图
然后考虑错缝拼装后整体补强效果，进行弯矩的重分配（见图2）。
图2错缝拼装弯矩传递及分配示意图
接头处内力：
管片内力：
式中，ξ为弯矩提高率，根据国内外经验，在初步确定盾构隧道管片参数时，ξ取0.2。
六、荷载及荷载组合
1.永久荷载
永久荷载包括水土压力、结构自重、地面建筑物超载。
竖向水土压力按全覆土考虑，水平向水土压力采用水土分算。
水土压力主要计算计算参数取值：
土层重度、地基抗力系数、静止侧压力系数均按土层厚度取加权平均值；地下水位取最不利水位（最低潜水位绝对标高0.13）。
（1）顶部水土压力：
——水位以上取天然重度，水位以下取有效重度；
——隧道顶部的水头高度
（2）拱背处平均水土压力：
取值同上，R——管片外半径，取值为3.1m；
（3）顶部侧向水土压力：
——土体静止侧压力系数
——水的重度
（4）底部侧向水土压力：
——隧道顶至隧道底各土层的有效重度和土层厚度
2.可变荷载
地面可变荷载标准值按20KN/m2计算，下穿建筑物段按建筑物实际超载进行取值。
3.偶然荷载
人防荷载：
根据人防单位文件，对覆土厚度大于2.5m，采用HRB335以上受力钢筋的地下结构，人防可通过验算，本区间覆土均大于2.5m，因此本次不做人防工况验算。
地震荷载：
根据《苏州市轨道交通3号线工程金鸡湖西站～东方之门站区间岩土工程详细勘察报告》，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，特征周期值0.45s。
4.荷载组合
结构设计采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，分别进行承载力极限状态计算和裂缝宽度验算。
（1）承载力极限状态计算采用基本组合：
1.35×永久荷载标准值+1.4×可变荷载标准值。
（2）裂缝宽度验算采用准永久组合并考虑长期作用影响：
1.0×永久荷载标准值+1.0×可变荷载标准值。
七、管片主筋配筋计算分析
1.内力计算
本区间沿线建（构）筑物较多，主要侧穿了苏州市委党校团干培训楼、高新区培训中心、高达热电有限公司，下穿了邓尉路、金山浜、中化药业有限公司和有轨电车1号线苏州乐园站地下通道。
沿线道路地下管线密集，计有给水、雨水、污水、天然气、电力电缆、路灯、信息等多种管线。
左右线分别拟选4个断面进行配筋验算，里程分别为右DK09+515、右09+704、右DK10+054、右DK10+616.596、左DK09+465.935、左DK09+524、左DK09+961、左DK10+662.596。
各断面主要计算参数汇总见表2。
表2主要计算参数
计算断面
右DK09+515
右DK9+704
右DK10+054
右DK10+616.596
上覆土厚度（m）
10.6
11.5
12.1
16.4
静止侧压力系数（加权平均）
0.3
0.6
0.6
0.5
水平基床系数（MPa/m）（加权平均）
200.0
27.6
18.8
17.6
地下水位（m）（距离地表）
3.0
4.6
1.9
1.9
重度（加权平均）
25.1
21.9
19.4
19.3
计算断面
左DK9+465.935
左DK9+524
左DK9+961
左DK10+662.596
上覆土厚度（m）
10.6
11.5
12.1
16.4
静止侧压力系数（加权平均）
0.5
0.4
0.6
0.5
水平基床系数（MPa/m）（加权平均）
24.0
107.4
20.0
17.6
地下水位（m）（距离地表）
1.4
2.5
1.9
2.1
重度（加权平均）
14.5
20.7
19.2
19.3
计算得各断面荷载标准值汇总见表3。
表3荷载标准值（单位：
kN/m）
计算断面
右DK9+515
右DK9+704
右DK10+054
右DK10+616.596
Py0
20.0
20.0
40.0
40.0
Py1
236.0
205.7
216.0
297.8
Py2
16.7
14.6
12.9
12.9
Px1
135.4
158.7
190.9
248.1
Px2
228.3
262.9
286.6
341.1
计算断面
左DK9+465.935
左DK9+524
左DK9+961
左DK10+662.596
Py0
20.0
20.0
40.0
40.0
Py1
138.9
212.6
213.7
296.0
Py2
9.6
13.8
12.8
12.9
Px1
125.2
146.2
193.2
245.2
Px2
201.0
234.2
289.4
338.0
采用η-ζ法（修正惯用法）计算得管片内力如图3所示，各断面基本组合和准永久组合下每环（1.2m）盾构管片内力汇总详见表4。
表4每环管片内力设计值统计表（1.2m）
（弯矩单位：
kN·m；轴力单位：
kN）
计算断面
承载力极限状态计算
（基本组合，已乘重要性系数1.1）
裂缝宽度验算（准永久组合）
M1
N1
M2
N2
M3
N3
M1'
N1'
M2'
N2'
M3'
N3'
右DK09+515
142.2
1157.5
-15.6
1492.9
86.7
1354.2
95.7
779.5
-10.5
1005.4
58.4
912.0
右DK9+704
146.4
1059.7
-91.8
1323.9
82.4
1278.6
98.6
713.6
-61.8
891.5
55.5
861.0
右DK10+054
161.7
1201.0
-114.4
1473.6
104.1
1403.2
108.9
808.7
-77.0
992.3
70.1
944.9
右DK10+616.596
243.4
1525.0
-187.5
1899.7
188.0
1721.8
163.9
1027.0
-126.3
1279.2
126.6
1159.5
左DK9+465.935
74.5
797.6
-44.0
950.0
32.1
961.0
50.2
537.1
-29.6
639.7
21.6
647.1
左DK9+524
126.8
1083.0
-41.5
1355.8
75.0
1270.3
85.4
729.3
-27.9
913.0
50.5
855.4
左DK9+961
144.4
1209.3
-98.4
1460.8
86.4
1412.5
97.2
814.3
-66.3
983.7
58.2
951.2
左DK10+662.596
247.0
1511.0
-190.7
1890.2
191.7
1707.5
166.3
1017.5
-128.4
1272.8
129.1
1149.8
图3管片内力示意图
2.配筋计算
根据内力计算结果，分别进行承载力极限状态计算和裂缝宽度验算。
配筋计算控制条件：
（1）管片混凝土强度等级C50；
（2）管片主筋外侧混凝土保护层厚度51mm；内侧混凝土保护层厚度40mm；
（3）管片最小配筋率0.2%；
（4）最大计算裂缝宽度允许值0.2mm；
（5）裂缝宽度验算主筋混凝土保护层厚度取30mm。
以右DK09+515断面为例，配筋过程如下：
（1）管片内侧
a、承载力极限状态配筋计算：
1.1基本资料
1.1基本资料
1.1.1工程名称：
工程一
1.1.2轴向压力设计值N＝1492.9kN，M1x＝0kN·m，M2x＝15.6kN·m，M1y＝0kN·m，
M2y＝0kN·m；构件的计算长度Lcx＝4000mm，Lcy＝4000mm；
构件的计算长度L0x＝4000mm，L0y＝4000mm；结构构件的重要性系数γ0＝1.1
1.1.3矩形截面，截面宽度b＝1200mm，截面高度h＝350mm
1.1.4采用对称配筋，即：
As'＝As
1.1.5混凝土强度等级为C50，fc＝23.109N/mm2；钢筋抗拉强度设计值fy＝360N/mm2，
钢筋抗压强度设计值fy'＝360N/mm2，钢筋弹性模量Es＝200000N/mm2；
相对界限受压区高度ζb＝0.5176
1.1.6纵筋的混凝土保护层厚度c＝40mm；全部纵筋最小配筋率ρmin＝0.55%
1.2轴心受压构件验算
1.2.1钢筋混凝土轴心受压构件的稳定系数φ
L0/i＝Max{L0x/ix,L0y/iy}＝Max{4000/101,4000/346}＝Max{39.6,11.5}
＝39.6，取φ＝0.9603
1.2.2矩形截面面积A＝b·h＝1200*350＝420000mm2
轴压比Uc＝N/（fc·A）＝1492900/（23.109*420000）＝0.15
1.2.3全部纵向钢筋的最小截面面积As,min＝A·ρmin＝420000*0.55%＝2310mm2
1.2.4一侧纵向钢筋的最小截面面积As1,min＝A·0.20%＝420000*0.20%＝840mm2
1.2.5全部纵向钢筋的截面面积As'按下式求得：
N≤0.9φ（fc·A+fy'·As'）（混凝土规范式6.2.15）
As'＝[γ0·N/0.9φ-fc·A]/（fy'-fc）
＝[1.1*1492900/（0.9*0.9603）-23.109*420000]/（360-23.109）
＝-23171mm2＜As,min＝2310mm2，取As'＝As,min
1.3考虑二阶效应后的弯矩设计值
1.3.1弯矩设计值Mx
1.3.1.1lcx/ix＝4000/101＝39.6
34-12（M1x/M2x）＝34-12*（0/15.6）＝34
lcx/ix＞34-12（M1x/M2x），应考虑轴向压力产生的附加弯矩影响
1.3.1.2ζc＝0.5fc·A/N＝3.2507＞1.0，取ζc＝1.0
附加偏心距ea＝Max{20,h/30}＝Max{20,12}＝20mm
ηnsx＝1+（lcx/h）2ζc/[1300（M2x/N+ea）/h0]
＝1+（4000/350）2*1/[1300*（15600000/1492900+20）/289]＝1.9536
Cmx＝0.7+0.3M1x/M2x＝0.7+0.3*0/15.6＝0.7000
Mx＝Cmx·ηnsx·M2x＝0.7*1.9536*15.6＝21.33kN·m
1.4在Mx作用下正截面偏心受压承载力计算
1.4.1初始偏心距ei
附加偏心距ea＝Max{20,h/30}＝Max{20,11.7}＝20mm
轴向压力对截面重心的偏心距e0＝M/N＝21333133/1492900＝14.3mm
初始偏心距ei＝e0+ea＝14.3+20＝34.3mm
1.4.2轴力作用点至受拉纵筋合力点的距离e＝ei+h/2-a＝34.3+350/2-61＝148.3mm
1.4.3混凝土受压区高度x由下列公式求得：
N≤α1·fc·b·x+fy'·As'-σs·As
（混凝土规范式6.2.17-1）
当采用对称配筋时，可令fy'·As'＝σs·As，代入上式可得：
x＝γ0·N/（α1·fc·b）＝1.1*1492900/（1*23.109*1200）
＝59.2mm≤ξb·h0＝149.6mm，属于大偏心受压构件
1.4.4当x＜2a'时，受拉区纵筋面积As可按混凝土规范公式6.2.14求得：
N·es'≤fy·As（h0-as'）
es'＝ei-h/2+as'＝34.3-350/2+61＝-80mm≤0
Asx'＝0mm2＜As1,min＝840mm2，取Asx'＝840mm2
根据隧道埋深选择配筋形式为中埋配筋，即内侧配筋为4Φ20+4Φ18，钢筋面积为As＝2274.8mm2，满足要求。
b、裂缝验算
根据配筋形式选择中埋配筋，即内侧配筋为4Φ20+4Φ18，钢筋面积为As＝2274.8mm2，裂缝宽度验算如下：
1.1基本资料
1.1.1工程名称：
工程一
1.1.2矩形截面偏心受压构件，构件受力特征系数αcr＝1.9，截面尺寸b×h＝1200×350mm，
受压构件计算长度l0＝4000mm
1.1.3纵筋根数、直径：
第1种：
4Φ20，第2种：
4Φ18，
受拉区纵向钢筋的等效直径deq＝∑（ni·di2）/∑（ni·υ·di）＝19.1mm，
带肋钢筋的相对粘结特性系数υ＝1
1.1.4受拉纵筋面积As＝2275mm2，钢筋弹性模量Es＝200000N/mm2
1.1.5最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离cs＝30mm，
纵向受拉钢筋合力点至截面近边的距离as＝40mm，h0＝310mm
1.1.6混凝土轴心抗拉强度标准值ftk＝2.643N/mm2
1.1.7按荷载准永久组合计算的轴向力值Nq＝1157.5kN，
按荷载准永久组合计算的弯矩值Mq＝142.2kN·m，
轴向力对截面重心的初始偏心距e0＝Mq/Nq＝1000*142.2/1157.5＝123mm
1.1.8对e0/h0＝0.3963≤0.55的偏心受压构件，可不验算裂缝宽度。
管片外侧
a、承载力极限状态配筋计算：
1.1基本资料
1.1.1工程名称：
工程一
1.1.2轴向压力设计值N＝1492.9kN，M1x＝0kN·m，M2x＝15.6kN·m，M1y＝0kN·m，
M2y＝0kN·m；构件的计算长度Lcx＝4000mm，Lcy＝4000mm；
构件的计算长度L0x＝4000mm，L0y＝4000mm；结构构件的重要性系数γ0＝1.1
1.1.3矩形截面，截面宽度b＝1200mm，截面高度h＝350mm
1.1.4采用对称配筋，即：
As'＝As
1.1.5混凝土强度等级为C50，fc＝23.109N/mm2；钢筋抗拉强度设计值fy＝360N/mm2，
钢筋抗压强度设计值fy'＝360N/mm2，钢筋弹性模量Es＝200000N/mm2；
相对界限受压区高度ζb＝0.5176
1.1.6纵筋的混凝土保护层厚度c＝51mm；全部纵筋最小配筋率ρmin＝0.55%
1.2轴心受压构件验算
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