顶管沉井结构计算书详细.docx
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顶管沉井结构计算书详细
XXXX路及其配套设施建设项目(排水工程)
工作井(沉井)结构计算书
计算:
校核:
审定:
XXXXX设计建设有限公司
二○一二年X月
1
目录
1.1
工程概况
本工程污水管道起于XXX污水接入位置,沿XX快速路布设,汇入XXX路西侧的XX污水第一处理厂进场干管,长约1Km。
主要解决包括XXXXX地块等的污水排放,管道布设位置距道路中线7.9m,为了不影响XX路的交通,W24~W26段采用顶管穿越XXX路。
1.2结构计算依据
1、测量资料、污水管道平面、纵断面设计图;
2、地勘资料(XXXX工程地质勘察队2010年10月29日);
3、《室外排水设计规范》GB50014-2006;
4、《给水排水工程构筑物结构设计规范》(GB50069-2002);
5、《给水排水工程管道结构设计规范》(GB50332-2002);
6、《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB50268-97);
7、《市政排水管道工程及附属设施》(国家标准图集06MS201);
8、《混凝土结构设计规范》GB50010-2002;
9、《顶管施工技术及验收规范》(试行)中国非开挖技术协会行业标准2007年2月;
10、《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》(CECS137:
2002)。
1.3顶管概况
1、顶管工程性质为解决XX安置小区污水排放问题,兴建地点XX快速路接XX路交叉口处,顶管管径1m,管道埋深5.1米。
XX路顶管管道放置在密实的卵石层内,覆土平均取4.5m,由于顶管长度较长,分两段顶管,每段长度L≤50m。
顶管工作井、中继井尺寸5.3m*3.8m,顶管接收井尺寸2.7m*2.7m。
2、本工程设计合理使用年限为五十年,抗震设防烈度为七度。
3、钢筋及砼强度等级取值:
(1)钢筋
Ф—HPB235级钢筋强度设计值fy=fy′=210N/mm2
Ф—HRB335级钢筋强度设计值fy=fy′=300N/mm2
(2)圆管砼:
采用C50,沉井采用C25。
(3)所顶土层为砂砾石,r=21KN/m3
4、本工程地下水埋深为2.0~2.5m。
5、本计算除井壁、底板外未采用专业计算软件。
1.4顶管工作井、接收井尺寸
1、工作井尺寸的设计、核算由检查井的设计要求及顶管操作技术要求决定。
(1)、工作井的宽度计算公式
B=D+2b+2c式中:
B——工作井宽度;
D——顶进管节的外径尺寸;
b——工作井内安好管节后两侧的工作空间,本工程采用每侧0.8m;
c——护壁厚度,本工程采用0.4m;
本工程的顶管直径为D1000,壁厚200。
因此,工作井的宽度尺寸为B=1400+2×800+2×400=3800mm;
(2)工作井底的长度计算公式:
L=L1+L2+L3+2L4+L5式中:
L——工作井底部开挖长度;
L1——管节长度取2m;
L2——顶镐机长度取1.1m;
L3——出土工作长度,取1.1m;;
L4——后背墙的厚度,取0.4m;;
L5——已顶进的管节留在导轨上的最小长度,取0.3m。
因此,确定本工程工作井的底部长度尺寸为L=2+1.1+1.1+2×0.4+0.3=5.3m。
(3)工作井的深度工作井的深度由设计高程和基础底板的厚度决定。
(4)接收井尺寸只需满足工具管退出即可,本工程接收井尺寸2.7m*2.7m。
1.51000mm管顶力计算
1.5.1推力计算
管径D1=1.0m水位至管顶高度:
2m
管外周长S=3.14d=3.14x1.4=4.396m
顶入管总长度L=50m管壁厚t=0.2m水容重γw=10KN/m3
顶入管每米重量W={3.14X(1.42-1.02)/4}X25=18.84KN/m
管涵与土之间摩擦系数f=0.40
每米管子与土层之间的综合摩擦阻力f0=RS+Wf=5x4.396+18.84x0.4=29.52kN/m
初始推力F0=(Pe+Pw+△P)(3.14/4)B2c=(150+2.0x10+20)x3.14/4x1.42=76.1kN
总推力F=F0+f0L=76.1+29.52x50=1552.1kN
1.5.2壁板后土抗力计算:
顶管总推力设计值Pt=1.3x1552.1=2017.73kN
顶管力至刃脚底的距离:
hf=2.5m沉井尺寸rc=5.3x3.8m
qAmax=4Pt/(3rchf)=4x2017.73/(3x5.3x3.8x2.5)=53.43kpa
qA=53.43x(8-1.5)/8=43.42kpa
MA=-0.307qAr2c=-0.307x43.42x(5.3x3.8)2=-5406.89kN.m
1.5.3后背土体的稳定计算:
主动土压力标准值Pa=rZtg2(45°-
)=21x8xtg2(45°-
)=45.53kN/m2
被动土压力标准值Pp=rZtg2(45°+
)=21x8xtg2(45°+
)=619.95kN/m2
沉井前方总主动土压力标准值Pa=0.5rH2tg2(45°-
)=0.5x21x82xtg2(45°-
)=182.11kN/m2
沉井后方总被动土压力标准值Pp=0.5rH2tg2(45°+
)=0.5x21x82xtg2(45°+
)=2479.80kN/m2
hp=H/3=8/3=2.67m
§=(hf-︳hf-hp︳)/hf=(2.5-︳2.5-2.67︳)/2.5=0.932
总推力F=1552.1≤§(0.8Pp-Pa)
=0.932x(0.8x2479.8-182.11)=1679.21KN满足规范要求
所以经过以上计算可知:
采用管径D1=1.0m圆管,顶进距离50m符合要求。
1.6工作井(沉井)下沉及结构计算
5.3x3.8m沉井,本井为工作井,地下水位按地面以下-2.0m计(施工期间)由于地质条件好,在沉井范围内均为卵石土层,沉井考虑先开挖后下沉。
1.6.1基础资料:
单位摩阻力fk=25Kpa,地基承载力特征值取为350Kpa。
采用C25砼,钢筋为HPB235,HRB335。
卵石土天然容重取为21kN/m3,水容重γw=10KN/m3,内摩擦角Φ=35°,井壁高6.5m,底板厚0.35m,壁厚0.40m。
1.6.2下沉计算:
下沉过程中水的浮托力标准值:
Ffw,k=(5.3x0.4x2+3.8x0.4x2)x5.1x10=371.3kN
井壁总摩阻力标准值:
T=U
=(5.3x2+3.8x2)x
x(6.5+1.3-2.5)X25
=1205.2kN
沉井自重标准值
G1k=(5.3x0.4x2+3.8x0.4x2)x6.5x25=1183kN
下沉系数:
K1=(G1k-Ffw,k)/T=(1183-371.3)/1205.2=0.67<1.05
(不满足规范要求),所以仅靠自重不能顺利下沉,需在顶部压重
1.6.3下沉稳定计算:
根据地勘资料,沉井下沉土层为卵石土层,因此下沉稳定满要求。
1.6.4抗浮稳定计算(沉井下沉到设计标高浇注底板后):
a.施工阶段
沉井自重标准值
GK=1626.63+5.3×3.8×0.35×25=1655.52kN
基底的水浮力标准值:
Ffbw,k=5.3×3.8×6.5×10=1309.1kN
抗浮系数:
Kfw=
=1655.52/1309.1=1.27>1.05满足要求。
b.使用阶段
由于使用阶段井顶板有覆土,可满足要求。
1.6.5刃脚计算:
水平框架作用的判别,L1=4.9m,h=1.3m
af=(0.1XL14)/(h4+0.05L14)=1.81>1
af>1,刃脚在内墙荷载作用下,不作水平分配,只按悬臂计算。
(1)刃脚向外悬臂弯曲计算
a.起沉时
井体重量为1626.63KN,平均每延米重量
=105.63KN/m。
刃脚插入土中最大深度为0.45米,α
=56.3°
n=0.3m,c=0.3m
=35.21KN/m
取β=30°
水平推力H=V2tg(α-β)=35.21xtg(56.3°-30°)=17.4KN/m
向外悬臂弯矩M=17.4X2/3X0.45=5.22KN.m/m
b.沉至井深一半,井为全高时,沉井入土深度H=0.5X8=4m,此时摩阻力为:
T=U
=(5.3x2+3.8x2)x
x(4+1.3-2.5)X15=382.2KN
刃脚斜面垂直反力及水平推力:
=127.4KN/m
H=V2tg(α-β)=127.4xtg(56.3°-30°)=93.59KN/m
向外悬臂弯矩:
M=93.59X2/3X0.45=28.08KN.m/m
c.下沉至设计标高时,刃脚内部全部挖空,在外侧水、土作业下,刃脚向里悬臂弯曲的计算:
qa=130KNqb=182.11KN
向里悬臂弯矩:
=139.2KN.m
(2)刃脚配筋计算
计算时,刃脚自重及井壁摩阻力略去不计。
MC=1/2*1.27*139.2*0.552+1/2*1.27*(13*6.5-13*6.1)*0.552*2/3
=27.4KN.m
选择钢筋截面:
M=27.4KN.m,h0=510mm,b=1000mm,
αs=M/α1fcbh02=27400000/(1.0*11.9*1000*510*510)=0.00853
ζ=0.0085
AS=192mm21.6.6沉井竖向计算:
1)、抽垫木时井壁竖向计算
沉井在开始下沉特别是在抽垫木时,井壁会产生皆大的弯曲应力。
沉井采用四个支承点,定位支撑点布置如图。
(1)假定定位承垫木间距为0.7L,不考虑刃脚下回填砂的承载力,如图a所示。
井壁单宽自重标准值:
gk=6.5*0.4*25=65KN/m
井壁单宽自重标准值:
gs=1.27*65=82.55KN/m
支座弯矩:
M支=-1/2*82.55*(5.3*0.15)2-1/2*3.4*82.55*(5.3*0.15-0.25)
=-102.6KN.m
跨中弯矩:
M中=1/8*82.55*(5.3*0.7)2-102.6=39.43KN.m
(2)、假定抽垫木时,先抽并回填部位已经压实变成支点。
此时,沉井井壁支承在三个点上,如图b所示。
支座弯矩:
M支=-1/8*82.55*2.652=-72.5KN.m
跨中弯矩:
M中=0.07*82.55*2.652=40.6KN.m
(3)配筋计算
L10/H≤2,按深梁进行设计,根据《混凝土结构设计规范》,计算如下:
因为L10z1=0.6L10=0.6*5.3=3.18m
刃脚底部:
M中=40.6KN.m,
As=M中/fyz1=40600/(300*3.18)=42.6mm2
井墙顶部:
M支=102.6KN.m,
As=M支/fyz1=102600/(300*3.18)=107.6mm2
求得的钢筋值较小,故按构造配筋已能满足要求。
2)、井壁的抗拉计算
根据《规程》,由于本工程地基为卵石土层地基,不必进行竖向拉断计算。
1.6.7井壁内力计算:
(理正结构工具箱计算)
(1)、池壁荷载计算:
池外荷载:
主动土压力系数Ka=0.27
侧向土压力荷载组合(kN/m2):
部位(标高)
土压力标准值
水压力标准值
活载标准值
基本组合
准永久组合
地面(0.000)
0.00
0.00
2.71
3.10
1.08
池壁顶端(-0.200)
1.14
0.00
2.71
4.54
2.22
地下水位处(-2.000)
11.38
0.00
2.71
17.55
12.47
底板顶面(-6.750)
26.83
47.50
2.71
97.49
75.41
池内底部水压力:
标准值=7.00kN/m2,基本组合设计值=8.89kN/m2
底板荷载计算(池内无水,池外填土):
水池结构自重标准值Gc=1431.72kN
基础底面以上土重标准值Gt=0.00kN
基础底面以上水重标准值Gs=0.00kN
基础底面以上活载标准值Gh=30.21kN
水池底板以上全部竖向压力基本组合:
Qb=(1431.72×1.20+0.00×1.27+0.00×1.27+30.21×1.27×0.90)/20.140
=87.02kN/m2
水池底板以上全部竖向压力准永久组合:
Qbe=(1431.72+0.00+0.00×1.00+1.50×20.140×0.40)/20.140
=71.69kN/m2
板底均布净反力基本组合:
Q=87.02-0.350×25.00×1.20
=76.52kN/m2
板底均布净反力准永久组合:
Qe=71.69-0.350×25.00
=62.94kN/m2
底板荷载计算(池内有水,池外无土):
水池底板以上全部竖向压力基本组合:
Qb=[5.300×3.800×1.50×1.27+1431.72×1.20
+(4.500×3.000×0.700)×10.00×1.27]/20.140=93.17kN/m2
板底均布净反力基本组合:
Q=93.17-(0.350×25.00×1.20+0.700×10.00×1.27)=73.78kN/m2
水池底板以上全部竖向压力准永久组合:
Qbe=[5.300×3.800×1.50×0.40+1431.72
+(4.500×3.000×0.700)×10.00]/20.140=76.38kN/m2
板底均布净反力准永久组合:
Qe=76.38-(0.350×25.00+0.700×10.00)=60.63kN/m2
(2)内力,配筋及裂缝计算
弯矩正负号规则:
顶板:
下侧受拉为正,上侧受拉为负
池壁:
内侧受拉为正,外侧受拉为负
底板:
上侧受拉为正,下侧受拉为负
荷载组合方式:
1.池外土压力作用(池内无水,池外填土)
2.池内水压力作用(池内有水,池外无土)
3.池壁温湿度作用(池内外温差=池内温度-池外温度)
(3)L侧池壁内力:
计算跨度:
Lx=4.900m,Ly=6.550m,四边固定
池壁类型:
普通池壁,按双向板计算
基本组合作用弯矩表(kN.m/m)
部位
池外土压力
池内水压力
温湿度作用
基本组合
内侧-水平跨中
41.44
-
-
41.44
水平边缘
-
8.28
-
8.28
竖直跨中
30.38
-
-
30.38
竖直上边缘
-
3.54
-
3.54
竖直下边缘
-
8.53
-
8.53
外侧-水平跨中
-
-3.63
-34.67
-38.30
水平边缘
-94.21
-
-34.67
-128.88
竖直跨中
-
-2.71
-34.67
-37.38
竖直上边缘
-43.14
-
-34.67
-77.81
竖直下边缘
-95.29
-
-34.67
-129.96
准永久组合作用弯矩表(kN.m/m)
部位
池外土压力
池内水压力
温湿度作用
准永久组合
内侧-水平跨中
31.58
-
-
31.58
水平边缘
-
6.52
-
6.52
竖直跨中
23.31
-
-
23.31
竖直上边缘
-
2.79
-
2.79
竖直下边缘
-
6.71
-
6.71
外侧-水平跨中
-
-2.86
-30.33
-33.19
水平边缘
-71.91
-
-30.33
-102.24
竖直跨中
-
-2.13
-30.33
-32.47
竖直上边缘
-32.13
-
-30.33
-62.46
竖直下边缘
-73.20
-
-30.33
-103.53
(4)B侧池壁内力:
计算跨度:
Lx=3.400m,Ly=6.550m,四边固定
池壁类型:
普通池壁,按双向板计算
基本组合作用弯矩表(kN.m/m)
部位
池外土压力
池内水压力
温湿度作用
基本组合
内侧-水平跨中
27.49
-
-
27.49
水平边缘
-
5.06
-
5.06
竖直跨中
15.21
-
-
15.21
竖直上边缘
-
1.19
-
1.19
竖直下边缘
-
4.55
-
4.55
外侧-水平跨中
-
-2.43
-34.67
-37.10
水平边缘
-57.24
-
-34.67
-91.91
竖直跨中
-
-1.39
-34.67
-36.06
竖直上边缘
-15.39
-
-34.67
-50.06
竖直下边缘
-50.54
-
-34.67
-85.21
准永久组合作用弯矩表(kN.m/m)
部位
池外土压力
池内水压力
温湿度作用
准永久组合
内侧-水平跨中
21.02
-
-
21.02
水平边缘
-
3.99
-
3.99
竖直跨中
11.79
-
-
11.79
竖直上边缘
-
0.94
-
0.94
竖直下边缘
-
3.58
-
3.58
外侧-水平跨中
-
-1.91
-30.33
-32.24
水平边缘
-43.79
-
-30.33
-74.12
竖直跨中
-
-1.10
-30.33
-31.43
竖直上边缘
-11.24
-
-30.33
-41.57
竖直下边缘
-38.91
-
-30.33
-69.25
(5)底板内力:
计算跨度:
Lx=4.900m,Ly=3.400m,四边简支+池壁传递弯矩
按双向板计算.
1.池外填土,池内无水时,荷载组合作用弯矩表(kN.m/m)
基本组合作用弯矩表
部位
简支基底反力
池壁传递弯矩
弯矩叠加
上侧-L向跨中
38.33
-
-
B向跨中
66.32
-
-
下侧-L向边缘
0.00
-85.21
-85.21
B向边缘
0.00
-129.96
-129.96
L向跨中
-
-45.16
-6.83
B向跨中
-
-70.30
-3.98
准永久组合作用弯矩表
部位
简支基底反力
池壁传递弯矩
弯矩叠加
上侧-L向跨中
31.52
-
-
B向跨中
54.55
-
-
下侧-L向边缘
0.00
-69.25
-69.25
B向边缘
0.00
-103.53
-103.53
L向跨中
-
-36.01
-4.48
B向跨中
-
-56.31
-1.76
2.池内有水,池外无土时,荷载组合作用弯矩表(kN.m/m)
基本组合作用弯矩表
部位
简支基底反力
池壁传递弯矩
弯矩叠加
上侧-L向跨中
36.95
2.94
39.89
B向跨中
63.94
4.38
68.32
L向边缘
0.00
4.55
4.55
B向边缘
0.00
8.53
8.53
准永久组合作用弯矩表
部位
简支基底反力
池壁传递弯矩
弯矩叠加
上侧-L向跨中
30.37
2.31
32.68
B向跨中
52.55
3.45
55.99
L向边缘
0.00
3.58
3.58
B向边缘
0.00
6.71
6.71
(6)配筋及裂缝:
配筋计算方法:
按单筋受弯构件计算板受拉钢筋.
裂缝计算根据《水池结构规程》附录A公式计算.
按基本组合弯矩计算配筋,按准永久组合弯矩计算裂缝,结果如下:
L侧池壁配筋及裂缝表(弯矩:
kN.m/m,面积:
mm2/m,裂缝:
mm)
部位
弯矩
计算面积
实配钢筋
实配面积
裂缝宽度
内侧-水平跨中
41.44
800
D18@250
1018
0.11
水平边缘
8.28
800
D18@250
1018
0.02
竖直跨中
30.38
800
D18@250
1018
0.08
竖直上边缘
3.54
800
D18@250
1018
0.01
竖直下边缘
8.53
800
D18@250
1018
0.02
外侧-水平跨中
-38.30
800
D18@250
1018
0.12
水平边缘
-128.88
1248
D18@200
1272
0.24
竖直跨中
-37.38
800
D18@250
1018
0.11
竖直上边缘
-77.81
800
D18@250
1018
0.22
竖直下边缘
-129.96
1259
D18@200
1272
0.24
B侧池壁配筋及裂缝表(弯矩:
kN.m/m,面积:
mm2/m,裂缝:
mm)
部位
弯矩
计算面积
实配钢筋
实配面积
裂缝宽度
内侧-水平跨中
27.49
800
D18@250
1018
0.07
水平边缘
5.06
800
D18@250
1018
0.01
竖直跨中
15.21
800
D18@250
1018
0.04
竖直上边缘
1.19
800
D18@250
1018
0.00
竖直下边缘
4.55
800
D18@250
1018
0.01
外侧-水平跨中
-37.10
800
D18@250
1018
0.11
水平边缘
-91.91
878
D18@250
1018
0.26
竖直跨中
-36.06
800
D18@250
1018
0.11
竖直上边缘
-50.06
800
D18@250
1018
0.15
竖直下边缘
-85.21
812
D18@250
1018
0.24
注意:
存在裂缝验算不满足限值0.20mm的情况!
工作井井壁钢筋实配18@200。
1.6.8底板内力计算:
(理正结构工具箱计算)
单块矩形板计算(弹性板):
(1)计算条件
计算板长=4.500(m);计算板宽=3.000(m);板厚=350(mm)
板容