沉管结构设计

目录工程资料 (2)1工程概况 (2)2.场地地质及水文地质情况 (2)2.1地形地貌 (2)2.2地层构成 (2)2.3拟建场地水文地质条件 (3)设计内容 (5)1. 干坞开挖设计 (5)2管段结构的外轮廓尺寸设计 (5)2.1设计依据 (5)2.2设计内容 (5)3沉管的埋置深度及荷载计算 (7)3.1沉管埋置深度 (7)3.2沉管的荷载计算 (7)4结构内力计算 (9)4.1计算模型的简化 (9)5配筋的计算与布置 (12)5.1设计依据 (12)5.2侧板配筋计算 (13)5.3顶板配筋计算 (14)5.4底板配筋计算 (14)5.5纵筋的配置 (15)6变形缝与管段接头设计 (15)6.1变形缝设计 (15)6.2接头设计 (16)参考文献 (17)工程资料1工程概况工程名称：某公路过河隧道沉管结构设计工程地点：某东西走向河流沿岸本工程场地位于某东西走向河流沿岸，河宽300m左右。

本地属亚热带带气候，河流常年水深在10m左右，河道常年通行船舶。

拟建工程位于市区周边，规划道路横穿河流，考虑到今后开发的需要，桥梁工程占地面积较大且对于城市建筑造成不利影响，拟采用河底隧道。

由于盾构隧道工程量较大且施工难度较大，采用沉管隧道的形式。

本工程场地位于市区苏家坨镇三星庄北，东西两侧均有公路通过，交通便利。

拟建的隧道工程河流南侧拥有大片未占用土地，可用于沉管结构管段浇筑时开挖干坞。

南北两侧河岸最高点距水面约2m左右，位置较好。

拟建隧道垂直穿越河流，两岸经引道引入地下。

2.场地地质及水文地质情况2.1地形地貌场地现状地形较平坦开阔，河岸两侧200m以内地表均为天然河岸土，无人工堆积及建筑垃圾。

由于杂草及河水冲积，有机质成分较多，地面高程约为23.69～25.65m。

2.2地层构成根据地层钻探结果，拟建场地30.00m深度范围内的地层主要为新近沉积层及一般第四纪沉积层构成。

现根据现场钻探情况将场地地层自上而下分述如下：新近沉积层：①淤泥质粘土：暗褐、灰褐、灰色，很湿，软塑～可塑，含氧化铁和云母，可见少量螺壳、姜石及有机质，属高压缩性土。

②砂质粉土：黄褐、黄灰、暗褐、灰褐色，很湿，密实，含氧化铁和云母，可见少量螺壳、姜石及有机质，属中高压缩性土。

局部夹粉质粘土、重粉质粘土、粉砂、细砂薄层或透镜体。

③河底淤泥：灰褐色、灰黑色，很湿，软塑，含大量的有机质及砂粒，属于高压缩性土。

第四纪沉积层：④粉质粘土～重粉质粘土：黄褐、黄灰、灰黄色，很湿，软塑～可塑，氧化铁、云母。

局部夹砂质粉土～粘质粉土薄层或透镜体，属中高压缩性土。

⑤砾石：褐色、黑褐色，砾石磨圆性及分选性较好，粒径约为5～10mm,胶结较差，胶结物为钙质胶结，可塑性较差。

属低压缩性土。

表2—1 土体物理力学参数表具体地层分布情况见附图2.2.3拟建场地水文地质条件2.3.1地下水分布情况勘察期间，在地表下30.00（m）范围内实测到4层地下水见表2—2：表2—2 地下水分布情况表2.3.2历年地下水位变化情况该地区历年（1959年）最高地下水位接近自然地表。

据在该拟建场地附近的岩土工程勘察报告，拟建场地近3～5年最高地下水位（包括上层滞水）埋深约为1.00m。

上层滞水的主要补给源以大气降水、农业灌溉等入渗为主，主要的排泄方式为大气蒸发；潜水的主要补给源主要为大气降水和地表水入渗及侧向径流补给，以径流方式排泄；微承压水及承压水，主要接受侧向径流补给，以径流方式排泄。

地下水年变化幅度约为1.0m～2.0m。

设计内容1.干坞开挖设计干坞是沉管管段的预制场地，本工程设计在河流南岸开挖，干坞边缘距离河岸的水平距离为10m,平面形状为矩形，南北长度为200m，东西宽度为150m，开挖深度为6m。

开挖前地表与河流水面垂直距离为2m左右，管段制作完成后将河水引入干坞，干坞内水深可达4m左右，可满足管段浮运的需要。

干坞边坡放坡坡度为1：3，边坡采用钢筋网喷砼支护，经验算，可满足稳定性要求。

2管段结构的外轮廓尺寸设计2.1设计依据1．《公路桥涵设计规范》2.《混凝土结构设计规范》2.2设计内容根据使用要求，沉管隧道要求内净跨8m,内净高2.5m。

采用双孔矩形钢筋混凝土管段，每节管段长度为100m。

根据以往的工程经验并本着经济实用的原则，设计管段边墙及顶底板厚度均为0.5m,中间隔板宽度为1.0m，管段宽度为11.5m,高度为4m。

具体尺寸参照附图1。

如上图所示，路面结构为管段沉入水底后为满足抗浮要求而附加的自重。

2.2.1沉管结构的浮力设计验算（应按最大混凝土重度，最大混凝土体积和最小河水密度来计算干舷）沉管自重（沿管段长度取1延米计算）：G mg vg ρ==33(11.510.520.5133)24.6/393.6m kN m kN=⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯=（浮运阶段）沉管浮力F v γ=浮水沉管33(11.514)9.8/450.8m kN m kN=⨯⨯⨯=干舷高度：G h H S γ=-水沉管（S 沉管为1延米沉管的底面积）393.643511.59.8cm =-=⨯满足要求。

2.2.2沉管结构抗浮安全系数验算（应按最小的混凝土容重和体积，最大的河水比重来计算抗浮安全系数）管段沉入水底使用以后，路面结构计入结构自重，此时的管段的自重（按每延米计算）：''G m g =33(11.510.520.5133510.520.5112)24.2/532.4m kN m kN =⨯⨯⨯+⨯⨯⨯+⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯=（使用阶段）''F v γ=浮水沉管33(11.514)10/460m kN m kN=⨯⨯⨯=抗浮安全系数'532.41.16'460G K F ===浮 计算中尚未考虑两侧填土的部分负摩擦力作用与车辆荷载，满足安全系数在1.05~1.10之间的要求。

所以此种预设计完全符合规范要求，工程中将采用这种设计。

3沉管的埋置深度及荷载计算 3.1沉管埋置深度根据地层钻探所取得的地层资料，将地基设置在河床底部的粉质粘土上，管顶覆盖约一米厚的河底淤泥土，下垫层为砾石层，承载力较大。

3.2沉管的荷载计算3.2.1顶板荷载的计算河流水深10m,板顶覆盖厚度1m 的河底淤泥土33=10/'10/10'1kN m kN m h m h m γγ===水水1''(1010101)110q h h kPa kPa γγ=⋅+⋅=⨯+⨯=水水顶板自重3224.2/0.512.1q d kN m m kPa γ==⨯=顶板上的荷载为=122kPaq 顶3.2.2侧板压力的计算1.侧板土压力由于沉管结构刚度较大，在侧向土压力和水压力作用下可认为不发生侧向位移，土压力为静止土压力。

计算参考见下图：上部超载：0110q kPa = 侧向土压力 0'e k z γ=可以将上部超载等效成一定高度的土层，等效高度0/'11h q m γ==（'γ为土的浮重度）可以求得顶板处与底板处的土压力强度分别为125575kPakPaσσ==2.侧向水压力w w e h ψγ=ψ取0.7，求得顶板与底板的水压力强度为111442w w e kPa e kPa==所以，作用在侧墙上的荷载为： w q e e =+侧顶板与底板处的侧向荷载分别为：69117q kPa q kPa==侧1侧23.2.3底板荷载计算一般情况下，沉管工程中的结构刚度都比较大，而地基相对来说较松软，所以假定地基反力为直线分布。

作用于底板上的荷载可按下式计算=+/q q P L ∑顶底式中P ∑——结构顶板以下，顶板以上的两边墙及中间柱等重量L ——结构横断面的宽度 求得=146kPa q 底4结构内力计算 4.1计算模型的简化当不考虑线位移影响时，可以将计算模型简化，按下图用力矩分配法进行手算。

4.1.1结构弯矩、剪力及轴力的计算该刚架是对称的，且荷载对于中间墙也是对称的，所以可以取结构的一半进行计算计算分配系数（该刚架各个界面的刚度是相同的）0.410.59AB AC μμ== 0.410.59CD CA μμ==计算固端弯矩21146 5.7540212DC M kN m kN m =-⨯⨯⋅=-⋅21146 5.7540212CD M kN m kN m =⨯⨯⋅=⋅2211(694484)130.41220CA M kN m kN m=-⨯⨯-⨯⨯⋅=-⋅2211(694484)117.61230AC M kN m kN m=⨯⨯+⨯⨯⋅=⋅21122 5.7533612AB M kN m kN m =-⨯⨯⋅=-⋅ 然后按力矩分配法进行计算D C A B 分配系数 0.41 0.59 0.59 0.41固端弯矩 -402 402 -130.4 117.6 -336 336 分配与传递 -55.7 ← -111.4 -18 ← -36.1 -1.6 ← -3.1 -0.2 ← -0.3 -160 → -80 88 ← 176.1 -51.9 → -26 7.7 ← 15.3 -4.6 → -2.3 0.7 ← 1.3 -0.4 → -0.2122.3 → 61.210.7 → 5.4 1 → 0.5 最后弯矩 -477.5 251 -251 202 -202 403 计算结构的剪力 350.75350.75(13828.8)166.8(13867.2)205.2QBA QAB QAC QCA F kN F kNF kN kN F kN kN=-==--=-=+=419.75419.75QCD QDC F kN F kN=-=结构的弯矩、剪力及轴力分布图如下：4.1.2设计弯矩、剪力及轴力的计算根据计算简图求解超静定结构时，直接求得的是节点处的内力，然后利用平衡条件可以求得各杆任意截面处的内力。

节点弯矩虽然比附近截面的弯矩为大，但其对应的截面高度是侧墙的高度，所以，实际不利的截面则是侧墙边缘处的截面，对应这个截面的弯矩称为设计弯矩。

可按下面公式计算设计弯矩：22i p p i p b M M Q qQ Q b=-⨯=-⨯式中 i M ——设计弯矩； p M ——计算弯矩； p Q ——计算剪力；b ——支座宽度；q ——作用于杆件上的均布载荷。

由静载引起的设计轴力按下式计算： i p N N =式中 p N ——由静载引起的计算轴力。

设计弯矩：373146iDC iCD M kN m M kN m =-⋅=⋅200160iCA iAC M kN m M kN m=-⋅=⋅115315iAB BA M kN m M kN m=-⋅=⋅设计剪力：320320QBA QAB F kN F kN =-=149182QAC QCA F kN F kN=-=383383QCD QDC F kN F kN=-=设计轴力：'167420NAA NAC F kN F kN=='420420NAC NBD F kN F kN== '205NCC F kN =5配筋的计算与布置 5.1设计依据根据《混凝土结构设计规范》，管段的混凝土28天强度等级，宜采用C30~C45，不宜采用Ⅲ级以上的钢筋。