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
1.2.1钢筋混凝土轴心受压构件的