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6.1.2正弯矩接头(10°
截面) 10
6.2接缝张开裂度验算 11
7裂缝张开验算 12
8环向接缝验算 13
9管片局部抗压验算 14
10构造说明 15
11参考文献 16
1设计资料
1.1结构尺寸及地层示意图
如图所示,为一软土地区地铁盾构隧道的横断面,由一块封顶块K,两块邻结块L,两块标准块B以及一块封底块D六块管片组成,衬砌外径6200mm,厚度为350mm,采用通缝拼装,混凝土强度为C50,环向螺栓为5.8级,地层基床系数。
管片裂缝宽度允许值为0.2mm,接缝张开允许值为3mm。
地面超载为20KPa。
试计算衬砌受到的荷载,并用荷载结构法,按均质圆环计算衬砌的内力,画出内力图,并进行隧道抗浮,管片局部抗压,裂缝,接缝张开等验算及一块标准管片配筋计算。
图一:
结构尺寸及地层示意图
如图,按照课程设计要求,调整灰色淤泥质粉质粘土上层厚度(ABC=103):
1355+103×
80=9595mm
2荷载计算
2.1自重
自重:
式中:
-钢筋混凝土重度,一般采用
-管片厚度
2.2竖向均布地层荷载
①竖向地层荷载:
②地面超载:
③近似均布拱背土压力:
其中:
竖向均布地层荷载:
2.3水平均布地层荷载
-衬砌圆环侧向各个土层土壤重度的加权平均值
-衬砌圆环侧向各个土层土壤内摩擦角的加权平均值
-衬砌圆环侧向各个土层土壤粘聚力的加权平均值
则水平地层均布荷载:
2.4按三角形分布的水平均布地层压力
其中:
2.5拱底反力
2.6侧向土层抗力
由《混凝土结构设计规范》知:
C50,
衬砌圆环抗弯刚度:
衬砌圆环抗弯刚度折减系数:
地层基床系数:
圆环水平直径处受荷载后最终半径变形值:
则侧向土层抗力:
取
2.7荷载示意图
3衬砌内力计算
用荷载-结构法按均质圆环计算衬砌内力。
取一米长度圆环进行计算,隧道圆环内力计算表,见附表。
由表中数据可知:
10°
最大正弯矩,轴力最小
105°
最大负弯矩。
轴力最大
4标准管片配筋计算
由上述内力计算,取,进行内力计算,衬砌管片同时受到较大的正弯矩与负弯矩,采用对称配筋。
简化模型为b=1000mm,h=350mm,保护层厚度取50mm。
根据修正惯用法中的法,由于纵缝接头的存在而导致结构整体刚度降低,取整体圆环刚度为,取。
4.1环向钢筋计算
4.1.1按最大负弯矩配筋计算
取105°
断面的最大负弯矩、最大轴力。
、进行计算。
假设为大偏心构件:
根据修正惯用法中的法,在计算衬砌内力的时候是增加的。
因此,考虑修正系数,在最大负弯矩时:
取:
采用对称配筋:
,,
钢筋选用HRB355钢,则:
由此:
得:
近似取:
经验证,按最大负弯矩配筋时为大偏心构件。
对取矩:
由此算出:
因此选配(%)
4.1.2按最大正弯矩配筋计算
取10°
断面的最大正弯矩、最小轴力。
、进行计算:
因此,考虑修正系数,在最大正弯矩时:
假设为大偏心构件:
经验证,按最大正弯矩配筋时为大偏心构件。
由此算出:
因此选配
从安全角度考虑按最大正弯矩配筋。
4.1.3环向弯矩平面承载力计算
根据《混凝土结构设计原理》表5-1,得轴心受压稳定系数:
,
纵向配筋率:
故满足环向弯矩平面承载力要求。
4.1.4箍筋计算
根据《混凝土结构基本原理》,按照偏心受压构件进行计算。
由于衬砌圆环所受剪力很小,故按构造要求配置箍筋即可。
根据《混凝土结构基本原理》中所述构造要求,选配双肢箍,箍筋采用HPB300,直径为10mm,间距150mm的钢筋。
10@150。
5隧道抗浮验算
盾构隧道位于含地下水的土层中时受到地下水的浮力作用,故需验算隧道的抗浮稳定性。
抗浮系数:
—隧道自重
G—拱背土压力
P—垂直荷载
F—水浮力
则:
水压力:
故满足隧道抗浮要求。
6纵向接缝验算
6.1接缝强度验算
近似地把螺栓看作受拉钢筋,假设选用1根螺栓。
按偏心受压钢筋混凝土截面进行计算。
截面)
采用修正惯用法,在接头验算的时候需要修正,在接头处折减。
—螺栓预应力引起的轴向力,取M30细螺纹
由
为大偏心受压,则:
故负弯矩接头处满足要求。
故正弯矩接头处满足要求。
6.2接缝张开裂度验算
因为弹性密封条采用氯丁橡胶和水膨胀橡胶复合而成,其弹性模量E很小,因此假设环向螺栓达到抗拉极限值时,衬砌外侧的张开量进行验算。
本设计环向螺栓为5.8级,在接缝上产生预应力:
—螺栓预应力引起的轴向力,取M30细螺纹()
—螺栓与重心轴偏心距(取25mm)
—衬砌截面面积和截面距
当接缝受到外荷载,由外荷载引起的应力:
、—外荷载,由外荷载引起的内力
选取不利接缝截面(105°
),、计算如下:
由此可得接缝变形量:
E—防水涂料抗拉弹性模量(取3MPa)
l—涂料厚度(取4mm)
n—螺栓个数。
环向每米宽度内选用1只螺栓即可满足要求,但是根据以上接缝强度计算每沿米宽度需要2只螺栓才能满足要求。
考虑安全问题,所以取2只螺栓。
7裂缝张开验算
取最大负弯矩处进行裂缝验算(即105°
截面),此处满足要求,则其他位置亦可满足。
根据GB50010-2002的8.1.2对的偏心受压构件可不验算裂缝宽度。
所以,管片裂缝张开满足要求。
8环向接缝验算
环缝的综合伸长量:
其中:
管片伸长量:
纵向螺栓伸长量:
管片弯矩取最大值,即为105°
时弯矩最大
混凝土面积:
按环形断面计算:
混凝土:
则管片伸长量:
计算纵向螺栓(采用M30细螺纹,45钢)
,,螺栓长度为160mm
则纵向螺栓伸长量:
满足要求
9管片局部抗压验算
由于管片连接时在螺栓上施加预应力,故需验算螺栓与混凝土连接部位的局部抗压强度。
圆形衬砌外径为6200mm,内径5500mm,盾构外径6340mm,盾构千斤顶中心线直径5815mm,盾构千斤顶共24台,每台最大顶力为1500Kn,顶块受力面积尺寸为。
根据规范GB50010-2002,验算
—局部受压面上作用的局部荷载或局部压力设计值,取1500kN;
—混凝土轴心抗压强度设计值,取23.1N/mm2。
—混凝土强度影响系数,取1.0;
—混凝土局部受压时的强度提高系数;
—混凝土局部受压面积,取
—混凝土局部受压净面积,取
—局部受压的计算底面积;
故满足管片局部抗压要求。
10构造说明
1.混凝土保护层厚度:
地下结构的特点是外侧与土、水相接触,内测相对湿度较高。
故受力钢筋保护层厚度最小厚度比地面机构增加5~10mm。
本设计中c=50mm。
2.分布钢筋由于考虑混凝土的收缩、温差影响、不均匀沉降等因素的作用,必须配置一定数量的纵向分布钢筋。
纵向分布钢筋的配筋率:
顶、底板应大于0.15%,对侧墙应大于0.20%。
3.横向受力钢筋:
为便于施工,将横向钢筋与纵向分布钢筋制成焊网。
外侧横向钢筋为一闭合钢筋圈,内侧钢筋则沿横向通常配置。
4.刚性节点构造:
框架转角处的节点构造应保证整体性。
5.箍筋:
断面厚度足够,不用配置箍筋。
6.端部钢筋弯起:
根据根据《公路隧道设计规范-JTGD70-2004》,并考虑施工方便,端部钢筋弯起均取为50mm。
7.锚固长度:
根据《公路隧道设计规范-JTGD70-2004》取:
受压钢筋:
la≥25d=25×
18=450mm;
受拉钢筋(直端):
la≥30d=30×
18=540mm,la≥30d=30×
12=360mm;
受拉钢筋(弯钩端):
la≥25d=30×
18=450mm。
11参考文献
1.《混凝土结构基本原理》顾祥林主编同济大学出版社
2.《地下建筑结构》朱合华主编中国建筑工业出版社
3.《盾构隧道衬砌设计指南》国际隧协编写翟进营译
4.《钢筋混凝土原理》过镇海主编清华大学出版社
5.混凝土结构设计规范GB50010-2002
19