钢管顶管设计计算书

钢管顶管设计一、设计参数1.工程概况包头某输水工程,某段顶管采用直线顶管法施工,管道内径为1600mm钢管,顶进长度为200m。

土层物理力学性质参数见表。

土层物理力学性质参数表层序土层名称土的重度rsikg/m³变形模量Ed(Mpa)直剪固快实验强度C(kpa) φᵒ①粉土17.1 0 34②湿陷性粉土17.9 10.5 24.9 25.4③砾砂18.7 34.8 0 41④粉土21．8 19.2 18 26 注：地质勘察报告中，一般提供土的压缩模量E，而规程中，要求提供管侧原状土的变形模量—般E d,一般取E d=2E S。

2.设计参数钢管内径：D = 1600mm,钢管设计壁厚：t= 15mm，钢管计算壁厚：t0=t-2 =13mm；钢管中心直径：D0=D +t = 1615mm；钢管外径:D1=D+2t= 1600 + 2 x15=1630mm ；管道计算直径：d0=D +t0=1613mm,管道计算半径：r0=d0/2= 806.5mm；管道至原状地面的埋置深度：Hs=18m;二、强度计算管道环向截面受力计算1.管道荷载计算（1）单位长度钢管结构自重标准值k1GG1k=γ∙π∙D0 ∙t=78.5×π×1.615×0.015=5.97kN/m（2）管道竖向土压力计算标准值F sv∙k 管顶土的加权内摩擦角：1ϕ=34×1.2+25.4×4+41×6.3+26×6.518=31.65°；管顶土的加权内聚力:c =0×1.2+24.9×4+0×6.3+18×6.518=12.03kPa ；为方便计算，以下以加权重度进行计算，管顶土的加权重度:γs =17.1×1.2+17.9×4+18.7×6.3+21.8×6.518=19.54KN/m 3；管顶土的自重应力：1σ=γs1∙H s =19.54⨯18=351.72kPa;顶管土的折算内摩擦角（采用朗肯土压力理论按抗剪强度相等的原则进行换算）：φ=2×{45°−αtan [tan (45°−φ12)−2cσ1]}=2×{45°−αtan [tan (45°−31.65°2)−2×12.03351.72]} =37.64° 管顶影响宽度：B t =D 1∙[1+tan (45°−φ2⁄)]=1.630×[1+tan (45°−37.64°2⁄)]=2.43m ;管道穿越土层为④层粉土，查《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246: 2008， 以下简称规程）按一般黏性土取值：Kα∙μ=0.13； 顶管竖向土压力系数:∁j =1−℮−2Κα∙μ∙ΗsB t 2∙Κα∙μ=1−℮−2×0.13×182.432×0.13=3.29;竖向土荷载:F sv∙k2=γs1∙0.215∙D 12=21.8×0.215×1.6302=3.82kN/m²;F sv⋅k3=∁j ⋅[γs1∙B t −2c ]=3.29×[19.54×2.43−2×12.03]=77.06kN/m²;F sv∙k=F sv∙k2+F sv⋅k3=3.82+77.06=80.88kN/m²;(3)管内满水重标准值G wk:G wk=γw∙14∙π∙D2=10×14×π×1.62=20.11kN/m；(4)管道内水压力标准值：管道工作压力标准值：F wk=0.45MPa；管道设计水压力标准值：F wd,k=F wk+0.50=0.95MPa；(5)管道外水压力标准值（按最低地下水位计算）：F ww,k=0；(6)地面荷载Q ik：由于管道埋深较深，不考虑管顶地面荷载（车辆荷载和地面堆积荷载）。

2．管道内力计算（1）管道截面弯矩计算根据规程，管道的土弧基础中心角取120°，查规程附录A柔性管道在各种荷载作用下的最大弯矩系数：管道自重：k gm=0.083竖向土压力：k vm=0.138管道水重：k wm=0.083弯矩折减系数：有内压时φ=0.7；无内压时φ=1.0；钢管钢材的弹性模量：E p=2.06×105MPa；钢管管侧原状土的变形模量：E d=19.2MPa；工况一：空管期间M1=φ×(γG1∙k gm∙G1k+γG∙k vm∙F sv∙k∙D1)∙r0∙b01+0.732×E d Ep ×(r0t)3=1.0×(1.2×0.083×5.97+1.27×0.138×80.88×1.63)×0.8065×11+0.732×19.22.06×105×（806.513）3=1.11kN∙m工况二：管内满水、无内水压期间M 2=φ•(γG1 ·k gm ·G 1k ＋γG ·k vm ·F sv·k ·D 1＋γGw ·k wm ·G wk )·r 0·b 01＋0.732E d E p ·(r0t 0)³=1.0×(1.2×0.083×5.97+1.27×0.138×80.88×1.63+1.2×0.083×20.11)×0.8065×11+0.732×19.22.06×105×(806.513)3=1.20 kN ∙m工况三：使用期间、管内满水有水压M 3=φ• (γG1 ·k gm ·G 1k ＋γG ·k vm ·F sv·k ·D 1＋γGw ·k wm ·G wk )·r 0·b 01＋0.732E d E p ·(r0t 0)³=0.7 ×(1.2×0.083×5.97+1.27×0.138×80.88×1.63+1.2×0.083×20.11)×0.8065×11+0.732×19.22.06×105×(806.513)3= 0.84kN ∙m(2) 管道截面轴力计算（拉力为正，压力为负） 可变作用荷载系数：φc =0.9管道设计水压力下的截面轴力（拉力）：N 1=φc ·γQ ·F wd,k ·r 0·b 0=0.9×1.4×0.95×806.5×1=965.38kN 管道外水压力下的截面轴力（压力）：N 2=－φc ·γQ ·F ww,k ·r 0·b 0=−0.9×1.4×0×806.5×1=0kN 3.管道截面应力计算（1）管道截面最大环向应力计算：工况一：σθ1=6M 1b 0∙t 02=6×7.27×1061000×132=39.41N/mm 2工况二：σθ2=6M 2b 0∙t 02=6×7.88×1061000×132=42.60 N/mm 2工况三：σθ3=N 1+N 2b 0∙t 0+6M 3b 0∙t 02=965.38×1031000×13+6×5.52×1061000×132=104.08 N/mm 2(2)管道截面最大纵向应力计算：管道闭合温差：△T=20℃假定管道出现偏差的最小距离：L 1=50m 查规程第13.2.1条，表13.2.1顶管管道顶进允许偏差，假定管道顶进允许的偏差：f 1=100;钢管顶进施工变形形成的曲率半径：R 1=f 12+(L 12)2∙f 1=0.12+（502）22×0.1=3125m >1260×D 1=2053.8m钢管管材线膨胀系数：α=1.0×10−5 钢管管材的泊松比：νP =0.3工况一：σθ1=39.41 N/mm 2(空管计算工况不急温差引起的管道变形)：σX11=νP ∙σθ1+0.5∙E P ∙D 0R 1=0.3×39.41+0.5×2.06×105×1.6153125=65.05N/mm 2σX12=νP ∙σθ1−0.5∙E P ∙D 0R 1=0.3×39.41−0.5×2.06×105×1.6153125=-41.41N/mm 2工况二：σθ2=42.60 N/mm 2σX21=υP ∙σθ2+φC ∙γQ ∙α∙E P ∙△T +0.5∙E P ∙D 0R 1=0.3×42.60+0.9×1.4×1.0×10−5×2.06×105×20+0.5×2.06×105×1.6153125=117.92N/mm 2σX22=υP ∙σθ2−φC ∙γQ ∙α∙E P ∙△T +0.5∙E P ∙D 0R 1=14.10N/mm 2 σX23=υP ∙σθ2+φC ∙γQ ∙α∙E P ∙△T −0.5∙E P ∙D 0R 1=11.46N/mm 2 σX24=υP ∙σθ2−φC ∙γQ ∙α∙E P ∙△T −0.5∙E P ∙D 0R 1=-92.36N/mm 2工况三：σθ3=104.08 N/mm 2σX31=υP ∙σθ3+φC ∙γQ ∙α∙E P ∙△T +0.5∙E P ∙D 0R 1=0.3×104.08+0.9×1.4×1.0×10−5×2.06×105×20+0.5×2.06×105×1.6153125=136.37N/mm 2σX32=υP ∙σθ3−φC ∙γQ ∙α∙E P ∙△T +0.5∙E P ∙D 0R 1=32.54N/mm 2 σX33=υP ∙σθ3+φC ∙γQ ∙α∙E P ∙△T −0.5∙E P ∙D 0R 1=29.91N/mm 2σX34=υP ∙σθ3−φc ∙γQ ∙α∙E P ∙△T −0.5∙E P ∙D 0R 1=-73.92N/mm 2（3）管道截面折算应力计算： 应力折减系数：η=0.9 ; 工况一： σ11=η·11111212x x σσσσθθ⋅-+=0.9×√39.412+65.052−39.41×65.05=51.08N /mm ²；σ12=η·12112212x x σσσσθθ⋅-+=0.9×√39.412+(−41.41)2−39.41×(−41.41)=63.0N /mm ²；工况二： σ21=η·21221222x x σσσσθθ⋅-+=0.9×√42.62+117.922−42.6×117.92=93.08N /mm ²；σ22=η·22222222x x σσσσθθ⋅-+=0.9×√42.62+14.102−42.6×14.10=33.80 N /mm ²；σ23=η·23223222x x σσσσθθ⋅-+=0.9×√42.62+11.462−42.6×11.46=34.36N /mm ²；σ24=η·24224222x x σσσσθθ⋅-+=0.9×√42.62+(−92.36)2−42.6×(−92.36)=107.55N /mm ²；工况三： σ31=η·31331232x x σσσσθθ⋅-+=0.9×√104.082+136.372−104.08×136.37=111.09N /mm ²；σ32=η·32332232x x σσσσθθ⋅-+=0.9×√104.082+32.542−104.08×32.54=83.0N /mm ²；σ33=η·33333232x x σσσσθθ⋅-+=0.9×√104.082+29.912−104.08×29.91=111.09N /mm ²；σ34=η·34334232x x σσσσθθ⋅-+=0.9×√104.082+(−73.92)2−104.08×(−73.92)=139.40N /mm ²；(4)截面复核 工况一：ησθ1= 0.9×39.41=35.47N /mm ²；ηmax{σx11,σx12} =0.9×max {65.05,∣−41.41∣}=58.55 N /mm ²；γ0max{σx11,σx12}=1.0×max {51.08,63.0}=63.0 N /mm ²；工况二：ησθ2= 0.9×42.60=38.4N /mm ²；ηmax{σx21,σx22,σx23,σx24}= 0.9×max {117.92,14.10,11.46,∣−92.36∣} =106.13N /mm ²；γ0max{σ21,σ22, σ23,σ24 }=1.0×max {93.08,33.80,34.36,107.55} =96.80N /mm ²；工况三：ησθ3= 0.9×104.08=93.67N /mm ²；ηmax{σx31,σx32, σx33,σx34 }= 0.9×max {136.37,32.54,29.91,∣−73.92∣} =122.73N /mm ²；γ0max{σ31,σ32, σ33,σ34}= 1.0×max {111.09,83.0,83.53,139.40} =125.46N /mm ²；钢材钢材强度设计值：f=205N /mm ²， 安全。