《地下建筑结构设计》课程设计题目：盾构管片设计计算院部：工程技术学院专业：土木工程班级：组员及学号：一、设计功能：该段隧道为城市地铁区间段 二、称砌方式：根据设计要求盾构管片类型为平面型。

平面型管片的抗弯刚度和强度相对较大，且管片混凝土截面削弱小，对盾构推进装置的顶力具有较大的抵抗能力。

故决定采用C50钢筋混凝土平面型管片，管片厚度的选择，取决于土质条件、覆盖土层的厚度、施工荷载状况、隧道的使用目的及管片施工条件等多种因素。

本工程的管片厚度选择为300mm ，管片内径为（2350+100*16=3950）mm ，管片的每环长度为1000mm 。

三、管片类型：平面型；管片外直径：D=3350mm ；管片型心半径：Rc=1975mm;管片宽度：B=1000mm ；管片厚度：t=300mm ；管片截面面积：）（2cm 30001000300=⨯=A ；管片单位重度：3c m /26KN =γ；管片的弹性模量：a 1030.37KP E ⨯=；管片截面的惯性矩：44-m 106276.1⨯=I /m ；混凝土轴心抗压强度标准值：a 43f c MP =；混凝土抗弯刚度有效系数η=1.0；钢筋混凝土弹性模量比n=c s /E E =15；混凝土弯矩增大率ζ=0.0.构件的容许应力见下图。

四、场地条件：土层条件：沙质土；土的单位重度：3/5.18m KN =γ，土的单位浮重度；3/5.8m KN =＇γ,土的内摩擦角：︒=21ϕ，土的粘聚力：kpa c 12=；土的侧压力系数：5.00=k ；超载：kpa p 100=；上部土层厚度：m H 5.7=；潜水位：地面水平线-3.0m ，m H w 5.40.35.7=-=；N 值：N=30；地基反作用系数：3/10m MN k =；水的单位重度：3/10m KN =γ五、 构件容许应力：混凝土标准强度：；2ck =32.4MN m f 混凝土允许抗压强度：2ca =16.2MN m σ；混凝土抗弯刚度有效系数：η=1.0；钢筋与混凝土弹性模量比：5s 4c 2.010===5.803.4510E n E ⨯⨯；混凝土弯矩增大率：ξ=0.0； 钢筋（SD35）允许强度：2sa =200MN m σ；螺栓允许强度：2sa 240MN m σ=；六、盾构千斤顶;盾构千斤顶轴推力：1000kN T =10⨯片。

一个盾构千斤顶的中心推力与衬砌管片中心偏心距：1e cm =；相邻两个千斤顶的距离：10s l cm=；盾构千斤顶顶管片数量：10片。

在校对管片衬砌抵抗盾构千斤顶轴推力的安全性时，常采用允许应力提高到上面所提到应力的165%。

因为管片衬砌作为一个临时结构能够被求出数值。

七、设计方法:盾构隧道的设计主要根据设计规范，校核内力采用弹性方程法，弹性方程内力公式，校核衬砌安全性采用允许应力设计法。

八、计算荷载：1计算隧道拱部简化土应力因为土是砂质土，所以土压力和水压力按水土分离处理。

在隧道拱部的垂直土压力()el p 用太沙基公式计算： m D m h o 7.62581.4=<=土的松动区高度o h 小于管片外径的2倍，故取最小松动区高度等于外径的2倍，即6.5m 此时25.5522h max(o ===D D p el ，，，），γγγ2 荷载计算静荷载：kPa 8.73.026=⨯=g静荷载底部反作用力：a k 49.324g P p g ==π 隧道拱部的垂直压力：土压：kPa D y y h p o el 25.5525.35.822,,=⨯⨯===水压：kPa H y p w w wl 45==kPa p p p wl el 25.1004525.551=+=+=隧道底部的垂直压力： 水压：kPap w 5.77)5.425.3(102+=不考虑静荷载作用力的土压：kPa p p p p w w el e 75.225.774525.55212=-+=-+=隧道拱部的测压（作用在隧道形心半径处）： 土压：kPa q el 26.28)15.0225.3(5.85.0=+⨯⨯=水压：kPa q w 5.46)15.05.4(101=+=kPa q 7625.745.467625.28=+=隧道底部的测压（作用在隧道形心半径处）：土压：kPa q e 5.40)15.025.325.32(5.85.02=-+⨯⨯= 水压;kPa q 5.116765.40,=+= 不考虑静荷载作用的地基反作用力位移：m00109026.0)975.15.00454.0103.3(24/925.1)5.1167625.7425.1002(474=⨯⨯+⨯--⨯=ϕ 地基的反作用力：kPa k p k 09.1==ϑ3 计算内力根据表中的计算公式，计算出的衬砌管片的内力如图所示4、计算管片断面参数平面形管片的主断面通常作为标准断面，即双筋矩形截面来计算。

管片断面的钢筋布置形式如图所示。

管片断面上下布置两排钢筋，每排钢筋由 4 根 D13（公称直径为 12.7mm ）和两根 D16（公称直径为 15.9mm ）的钢筋组成，每排 6 根钢筋按照公称直径计算的断面面积为 A S =A S ＇=904mm 2将图中参数代入式)2/(e h u f --=)(/1u h A I k i i -=如果,f k i ≥，则按照全断面受压状态设计：如果f k i ≤，则按照发生了弯曲应力状态设计，)(,s s i A A n bh A ++=[]A dA n bh u s ÷+=)(2/,2[][]2233)()(3)(d u A u d A n u h u b I s s -+-+÷-+=其中A-----换算等截面面积N-------钢筋与混凝土的弹性模量比，取5.8U--------轴力侧边缘到换算等效断面形心的距离。

mm I---------换算等效断面的断面惯性矩4mm,s s A A =----抗拉 受压钢筋的断面面积2mm ,,d d ----抗拉 受压钢筋的断面面积mmF------换算等效截面的形心到轴心作用位置的距离，e------断面的中心轴到轴心重心位置的距离 N M e mm /,=得24.310486mm A i =mm u 150=42376885440mm I i = d=260mm mm d i 40=04.51=i K5 验算衬砌管片的安全性验算截面 A 截面 B 连接部分和盾构千斤顶的推力，看衬砌管片是否安全。

5. 1验算截面A （最大弯矩正截面）m m kN M M /*61.17)1(max =+=ξm kN N /99.171= mm N M e 39.102/==mm e h u f 89.189)2/(=--=所以，管片主断面产生了受弯拉应力，按照受弯拉应力设计。

将mm C C 110,==，e=189.89mm ，及前面的其他参数代入式[]()()[]2/)(2/)(/6)()(/6)2/(3,,,23=-++++-++++--c h c e A h c c e A b n x c e A c e A b n x e h x i i i i 得X=133.57同时根据下式：()()()()()ca s c x h c x nA x h c c x nA x h bx M σσ≤+-+-++-=2//2//3/2/2// ()cs x h c x n σσσ≤-+=2//()σσσ≤+-=x h c x n c s 2//得22/2.16/94.2m MN m MN c ≤=ο22/200/83.18m MN m MN x ≤=ο22,/240/53.11m MN m MN s ≤=ο满足设计要求5.2验算最大负弯矩())/*(98.181min m m kN M M -=+=ξ m kN N N /25.186)1(min =+=ξmm N M e 9.101/-==()mm e h u f 9.1012/=--=i K f >()[]()()[]02/)(2/)(/6)(/62/33=-+++-++--c h c e A c h c e A b n x c e A b n e h x s i i根据e=-101.9代入上式，得X=146.48mm ， 根据以下公式：()()()()()ca s c x h c x nA x h c c x nA x h bx M σσ≤+-+-++-=2//2//3/2/2// ()cs x h c x n σσσ≤-+=2//()σσσ≤+-=x h c x n c s 2//得22/2.16/18.1m MN m MN c ≤=ο22/200/3.5m MN m MN s ≤=ο22,/240/97.4m MN m MN x ≤=ο 满足设计要求。

混凝土管片的混凝土和钢筋应力均小于允许应力值，截面A 和截面B 都是安全的。

计算结果见表：截面A 和截面B 都是安全的。

5.2 验算剪力（最大剪力截面） 根据式τ≤=bdQr 其中，Q-------最大剪应力。

-43.13KNb-------矩形断面为全宽度，T 形断面为腹板宽度，1000mm------混凝土的允许剪应力。

2/80mm N其他参数意义相同=-165.88Kpa 剪力满足设计要求。

5.4验算连接缝处主断面混凝土及螺栓设计 根据式子)(2)()(''2''s s s s s s A d dA b n b A A n b A A n x ++⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++-=ca s d d x nA x d M σ2''bc)_()32bx ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=（sa s x d n x d d d x nA x d bx M σ2)''rc )()(()3(2⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---+-=得 ：；），（；；；m /m 30.43min M m /m 30.43m /m 82.750.046m =X rs rc r rs rc •==•=•=KN M M KN M KN M管片接头处的允许弯矩根据式：ττBabBjrBcaBjreBBsxdAMxdbxMnAbdbnAxσσ)3()3(2)211(-=-=++-=选M22@2螺栓，其中：mmKNMmmKNMmmKNMmmxmmAmmjrjrbjreB/73.57;/73.57/3.29;91.0;606;1000b2•=•=•====因此，60%69.3%%1003.433.29rjr=⨯=MM，满足条件5.5 验算盾构千斤顶的推力是否符合要求定位板中心弧长mlNRBs83.02jc=-=π作用在衬砌管片上的一个千斤顶推力机的接触面积2249.0mBtA==定位板的截面惯性距为331091.12l-⨯==BtI混凝土的最大压应力为Mpa Mpa hp AF cae s2.1694.2l2c =≤=+=δδ千斤顶推力在混凝土管片上产生的最大应力小于其允许应力强度，管片安全。