盾构顶进力学计算.docx
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盾构顶进力学计算
盾构顶进力学计算
一、按悬挑模型框架柱受力连接计算
1、中荷载
2、动力系数
简支或连续钢桥
1+μ=1+28/(40+L)
取L=12m因为其中一跨为12m
1+μ=1.54
3、支座处受力分析
⑴、考虑平均覆土厚度2m,每方土容重取20kN;
20×2=40KN/m2
⑵、考虑两股道同时来车荷载布置如下图所示A点受力最大
220kN
∑MB=0
220×1.54=339KN
92×1.54=142KN/m
142×4.5×4.5/2+339×(6+7.5+9+10.5+12)=RA×12
解得:
RA=1391KN
∑Y=0RB=142×4.5+339×5-RA=943KN
⑶边框架柱受力分析
RBC=(40×6×7.7×7.7/2+1391×6.95+893×2.95)/(7.7/1.414)
RBC=3566kN
RAC=3566/1.414=2522kN
∑Y=0RAB=40×6×7.7+1391+893-3082/1.414=1610kN
边框架柱连接计算:
预埋钢筋面积=2522000/170=14835mm2
选用φ22钢筋,螺纹净直径φ19每根螺栓净面积=284mm2
共需要预埋钢筋的根数=14835/284=53根
设4排每排16根共64根大于53根,设在上部顶板范围内
钢筋间距45mm,预埋钢筋长度取1m。
每根螺栓承受拉力Nt=2522/64=39.4kN
剪力Nv=1610/64=25.16kN
检算在拉剪共同作用下螺栓的承载力:
Ntb=192π/4×170=48.200kN
Nvb=222π/4×130=49.417kN
[(Nt/Ntb)2+(Nv/Nvb)2]0.5=0.963≤1
能满足要求。
若用贴角焊缝连接焊缝高度10mm,焊缝高度计算时取7mm,其焊缝长度:
L=[(25220002+16100002)/1602/49]0.5
=2671mm
每条焊缝考虑起弧收弧加10mm,每条焊缝长680mm。
⑷中间框架柱受力分析
荷载考虑特种荷载,同时两股道有车
250KN×1.54=385KN
按简支梁计算
中间支座受力=385×2/3×2+385=898KN
计算简图如下
RBC=(160×7.7×7.7/2+898×6.95+898×2.95)/(7.7/1.414)=2499KN
RAC=2499/1.414=1767kN∑Y=0RBA=1261kN
连接计算898kN898kN
40×4kN/m
C
7.7
A
B
2.954.00.75
选用φ22钢筋,螺纹按净面积按284mm计算;
共需钢筋根数=1767000/170/284=37根;
按4排布置每排12根共48根,钢筋布置在顶板范围内,间距均匀布置在顶板范围内,预埋钢筋长度取1m。
每根螺栓承受拉力Nt=1767/48=36.81kN
剪力Nv=1261/48=26.27Kn
检算在拉剪共同作用下螺栓的承载力:
Ntb=192π/4×170=48.200kN
Nvb=222π/4×130=49.417kN
[(Nt/Ntb)2+(Nv/Nvb)2]0.5=0.93≤1
满足要求。
说明:
计算没有考虑盾构自身的重量,也没又考虑框架柱下部土体受力。
二、考虑土体承受模型计算
1、子盾构下部土体所承受的力:
E=γh=20×3.6=72kpa(上部土体的重力)
E=qh=165/(2.5+3.6)=27kpa(中活载产生的附加应力)
∑e=99kpa
⑴就是说在子盾构下部土经常受到99kpa的荷载,即每平米经常受到10t的荷载。
⑵《路基规范》要求的路基承载力为180kpa,即每平米能提供18t的承载力。
2、当子盾构进入路基后,下部核心土每米能提供
⑴1.8×100=180kN
⑵1.8×180=324kN
3、框架柱下每平米至少可以提供10t的承载力,计算时不考虑。
(一)、中间框架柱计算
1、计算简图
2、计算
898
⑴RBC=
(160×7.7×7.7/2+898×6.95+898×2.95-720×6.6)/(7.7/1.414)=1631KN
RAC=1631/1.414=1153.KN
RAC=1155KN
连接计算:
锚固螺栓选用φ22钢筋,螺纹按净面积按284mm计算;
1153000/170/284=24(根)
布置4排每排10根共40根
每根螺栓承受拉力Nt=1153/40=28.83kN
剪力Nv=1155/40=28.88Kn
检算在拉剪共同作用下螺栓的承载力:
Ntb=192π/4×170=48.200kN
Nvb=222π/4×130=49.417kN
[(Nt/Ntb)2+(Nv/Nvb)2]0.5=0.942≤1
满足要求。
⑵RBC=
(160×7.7×7.7/2+898×2.95+898×6.95-1296×6.6)/(7.7/1.414)=933KN
RAC=933/1.414=660KN
RBA=1072KN
连接计算:
选用φ22钢筋,螺纹按净面积按284mm计算;
660000/170/284=14(根)
1075/49.417=22根
布置4排每排7根共28根
每根螺栓承受拉力Nt=660/28=23.57kN
剪力Nv=1075/28=38.39Kn
检算在拉剪共同作用下螺栓的承载力:
Ntb=192π/4×170=48.200kN
Nvb=222π/4×130=49.417kN
[(Nt/Ntb)2+(Nv/Nvb)2]0.5=0.918≤1
满足要求。
(二)、框架边墙柱受力计算:
1、计算简图
2、计算⑴核心土按100kN考虑
RBC=
(40×6×7.7×7.7/2+1391×6.95+893×2.95-1080×6.6)/(7.7/1.414)
RBC=2257kN
RAC=2257/1.414=1596kN
∑Y=0
RAB=40×6×7.7+1391+893-1080-1596=1456kN
边框架柱连接计算:
预埋钢筋面积=1596000/170=8565mm2
选用φ22钢筋,螺纹净直径φ19每根螺栓净面积=284mm2
共需要预埋钢筋的根数=8565/284=30根
设4排每排13根共52根大于30根,设在上部顶板范围内
钢筋间距50mm,预埋钢筋长度取1m。
每根螺栓承受拉力Nt=1596/52=30.69kN
剪力Nv=1456/52=28kN
检算在拉剪共同作用下螺栓的承载力:
Ntb=192π/4×170=48.200kN
Nvb=222π/4×130=49.417kN
[(Nt/Ntb)2+(Nv/Nvb)2]0.5=0.852≤1
能满足要求。
若用贴角焊缝连接焊缝高度10mm,焊缝高度计算时取7mm,其焊缝长度:
L=[(15960002+145600002)/1602/49]0.5
=1928mm
每条焊缝考虑起弧收弧加10mm,每条焊缝长500mm。
⑵核心土按180kN考虑
RBC=
(40×6×7.7×7.7/2+1391×6.95+893×2.95-1944×6.6)/(7.7/1.414)
RBC=1209kN
RAC=1209/1.414=855kN
∑Y=0
RAB=40×6×7.7+1391+893-1944-855=1333kN
边框架柱连接计算:
预埋钢筋面积=855000/170=5030mm2
选用φ22钢筋,螺纹净直径φ19每根螺栓净面积=284mm2
共需要预埋钢筋的根数=5030/284=18根
设4排每排10根共40根大于18根,设在上部顶板范围内
钢筋间距50mm,预埋钢筋长度取1m。
每根螺栓承受拉力Nt=855/40=21.38kN
剪力Nv=1333/40=33.33kN
检算在拉剪共同作用下螺栓的承载力:
Ntb=192π/4×170=48.200kN
Nvb=222π/4×130=49.417kN
[(Nt/Ntb)2+(Nv/Nvb)2]0.5=0.871≤1
能满足要求。
若用贴角焊缝连接焊缝高度10mm,焊缝高度计算时取7mm,其焊缝长度:
L=[(8550002+133300002)/1602/49]0.5
=1414mm
每条焊缝考虑起弧收弧加10mm,每条焊缝长365mm。
三、工字钢梁计算:
1、荷载按特种荷载考虑
2、冲击系数取1.54
3、左用宽度按2m考虑
3、考虑到安全不按连续梁计算,而按简支梁计算,
计算跨度取3.25m,跨中最大弯矩产生在荷载距A支座0.1m处:
工字钢采用50a
M中=1.5×192.5×1.625-(1.625-0.125)×192.5+1/8×40×3.252=233.3kN-m
每米一根σ1=M/W=233300000/1860000=125.43Mpa
跨中挠度计算:
F1=pb/(9EIL)×[(a2+2ab)3/3]0.5
a=125b=3125L=3250
p=192500E=2.0×105I=46470×104
代入数字计算得:
8.45×1012/(EI)
F2=PL3/(48EI)
代入数字计算得:
138×1012/(EI)
F3=5×40×3.254/(384EI)=58×1012/(EI)
叠加计算得:
f=2.2mm
如果每米放置2根工字钢梁f=1.1mm。
通过计算每米需要放置2根工子钢。
4、工字钢最大跨度计算:
⑴计算简图
Mmax=2.995p=2.995×192.5=576.54KN-m
σ=576.54×106/1860000=310Mpa
σ=576.54×106/1860000/2=155Mpa
⑵挠度计算:
F1=(5×n4-4×n2-1)/(384n3EI)×PL3
代入数据得:
f1=22.22mm
F2=5×40×64/(384EI)=7.26mm
∑f=29.48mm
每米4根工子钢挠度为7.37mm
最大跨度应小于6m,且应预留拱度。
四、盾壳龙骨面板计算:
龙骨采用φ48的钢管,间距按500mm考虑,上部荷载列车动应力100kpa,覆土应力40kpa,总计140kpa。
盾壳采用12mm厚钢板。
龙骨的刚度计算:
f=5×70×0.44×109/(384×2.0×105×121898)
=0.001mm
全部按四边简支考虑最大挠度:
f=140×0.54×109/(2.0×105×123)×12×0.91×
×0.00406=1.12mm
龙骨间距按1000mm考虑,上部荷载列车动应力100kpa,覆土应力40kpa,总计140kpa。
盾壳采用20mm厚钢板,全部按四边简支考虑最大挠度:
f=140×1.04×109/(2.0×105×8×103)×12×0.91×
×0.00406=3.88mm
不能满足要求
五、子盾构外壳设计计算:
1、上部荷载列车动应力100kpa,覆土应力40kpa,总计140kpa。
计算简图
龙骨间隔250mm,跨中最大挠度
组合断面I=1068840mm4
fMax=5×35×1012/(384×2.0×105×1068840)=2.13mm
考虑实际为多跨连续梁乘以系数0.644,挠度为1.37mm
⑴子盾构顶力计算:
吃土阻力F1=吃土面积×土体阻力
F1=1×0.2×1000=200kN
抽动减阻板F2=(钢与钢的摩擦系数+钢与土的摩擦系数)×上部荷载×减阻板面积
上部荷载――上部覆土厚度×γ+车辆荷载。
考虑一股线路有车:
F2=(0.15+0.2)×上部荷载×减阻板面积
=0.35×45×0.98×20=509.76kN
考虑二股线路有车:
F2=(0.15+0.2)×上部荷载×减阻板面积
=0.35×66×0.7×30=485.1kN
最大顶力为589.1kN,设两台30t的顶镐
∑MA=0
X=104×800/434.75=257.62mm
X=104×800/589.1=141.2mm
合力中心距顶板边缘141mm处
三、桁架梁计算:
1、荷载按特种荷载考虑、均布荷载40kN/m2
2、冲击系数取1.54
3、考虑到安全不按连续梁计算,而按简支梁计算,
计算跨度取3.25m,跨中最大弯矩产生在荷载距A支座0.1m处:
工字钢采用50a
M中=1.5×385×1.625-(1.625-0.125)×385+1/8×40×3.252+1/8*40*3.252=414kN-m
QMax=385*1.5+40*1.625=577.5+65=643kN
每米设两个桁架,桁架断面如下:
M次=385/4+40/8=101.25kN-m
N压=468/4/0.8=146.25kN
σ主=146250/3550=41.2MPa
σ次=101250000/237000/4=107MPa
σ=148.2MPa<235MPa满足要求
一根σ1=M/W=468000000/1860000=223Mpa
每米二根σ2=M/2W=112Mpa
跨中挠度计算:
F1=pb/(9EIL)×[(a2+2ab)3/3]0.5
a=125b=3125L=3250
p=385000E=2.0×105I=46470×104
代入数字计算得:
18×1012/(EI)
F2=PL3/(48EI)
代入数字计算得:
275×1012/(EI)
F3=5×40×3.254/(384EI)=58×1012/(EI)
叠加计算得:
f=3.97mm
如果每米放置3根工字钢梁f=1.32mm。
通过计算每米需要放置3根工子钢。
4、工字钢最大跨度计算:
⑴计算简图
Mmax=2.995p=2.995×385=1153.075KN-m
σ=1153.075×106/1860000=620Mpa
σ=1153.075×106/1860000/4=155Mpa
⑵挠度计算:
F1=(5×n4-4×n2-1)/(384n3EI)×PL3
代入数据得:
f1=44.2mm
F2=5×40×64/(384EI)=7.26mm
∑f=51.66mm
每米4根工子钢挠度为13mm
最大跨度应小于6m,且应预留拱度。
四、盾壳面板计算:
龙骨间距按500mm考虑,上部荷载列车动应力100kpa,覆土应力40kpa,总计140kpa。
盾壳采用10mm厚钢板,全部按四边简支考虑最大挠度:
f=140×0.54×109/(2.0×105×103)×12×0.91×
×0.00406=1.94mm
龙骨间距按1000mm考虑,上部荷载列车动应力100kpa,覆土应力40kpa,总计140kpa。
盾壳采用20mm厚钢板,全部按四边简支考虑最大挠度:
f=140×1.04×109/(2.0×105×8×103)×12×0.91×
×0.00406=3.88mm
不能满足要求
五、子盾构外壳设计计算:
1、上部荷载列车动应力100kpa,覆土应力40kpa,总计140kpa。
计算简图
龙骨间隔250mm,跨中最大挠度
组合断面I=1068840mm4
fMax=5×35×1012/(384×2.0×105×1068840)=2.13mm
考虑实际为多跨连续梁乘以系数0.644,挠度为1.37mm
⑴子盾构顶力计算:
吃土阻力F1=吃土面积×土体阻力
F1=1×0.1×1000=100kN
抽动减阻板F2=(钢与钢的摩擦系数+钢与土的摩擦系数)×上部荷载×减阻板面积
上部荷载――上部覆土厚度×γ+车辆荷载。
考虑一股线路有车:
F2=(0.15+0.2)×上部荷载×减阻板面积
=0.35×(40×1×20+3.4×3.4×18)=352.93kN
考虑二股线路有车:
F2=(0.15+0.2)×上部荷载×减阻板面积
=0.35×(40×1×20+3.4×3.4×18×2)=425.66Kn
最大顶力为525.66kN,设两台30t的顶镐
∑MA=0
X=104×800/434.75=257.62mm
X=104×800/589.1=141.2mm
合力中心距顶板边缘141mm处
六、桁架梁计算
1、荷载取值:
由于跨度为3.5m计算时取集中荷载,特种荷载验算。
七、子盾构液压系统计算:
1、假设子盾构千斤顶工作压力为20Mpa,油缸面积150cm2,提供顶力15t,顶一镐10分钟。
2、每批顶进30台千斤顶。
3、考虑2倍的安全系数液压泵站供油量:
1.50×5.0×30/10×2.0=45ι/min
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