專利名稱：：盾構隧道預應力襯砌設計方法
技術領域：
：本發明涉及一種盾構隧道預應力襯砌的設計方法。
背景技術：
：預應力混凝土技術由于具有鋼筋混凝土不可比擬的優越性，在建筑結構、橋梁等領域得到廣泛應用。施加預應力一方面可以提高混凝土的抗裂性能，同時還可以作為一種裝配手段。盾構隧道的預制裝配式襯砌引入預應力技術具有良好的經濟技術性能。預應力襯砌中，預應力的作用主要表現在兩個方面(1).對接頭的影響——預應力的施加可以減小接頭的張角(與螺栓拼接的襯砌在同樣的荷載條件下比較)；(2).對結構整體的影響——預應力的施加相當于對隧道襯砌施加等效圍壓作用，既可以增大截面的軸力，又可以限制結構的變形，提高結構的整體剛度。對第一個影響，計算時需要通過采用能夠反映接頭張角的計算模型來考慮；對第二個影響，計算時可以引入等效荷載的概念來體現。目前，日本的盾構隧道預應力襯砌的應用建立在結構試驗的基礎上；國內對盾構隧道預應力襯砌的研究剛起步，尚無符合工程技術人員的設計習慣、簡單易用的實用設計方法。
發明內容本發明要解決的技術問題是提供一種符合廣大工程技術人員的設計習慣，簡單易用的盾構隧道預應力襯砌的設計方法。為了解決上述技術問題，本發明一種盾構隧道預應力襯砌設計方法，包括以下步驟(1).初步計算包括管片結構尺寸設定、材料選用、荷載計算以及結構內力的初步計算；(2).預應力度設定根據襯砌結構要求，確定預應力襯砌類型，并選擇合適的預應力度；(3).預應力鋼筋和非預應力鋼筋的確定，進一步計算結構計算需要的參數；(4).接頭計算和連續一非均勻剛度計算模型的確定根據初步計算的內力，計算接頭的張角^，設定襯砌為連續結構，并設定接頭區域的中心弧長度為2h，且接頭區域的等效剛度為飼/z其它區域的剛度為￡/，根據公式7>TT^~，計算出接頭區域等效剛度系數7',，五/式中M為接頭處的彎矩，h為管片厚度，E為管片材料的彈性模量；I為管片截面慣性矩；(5).計算預應力等效荷載并與初步計算的荷載一起施加在步驟(4)所確定的計算模型上，求得結構的內力和變形；(6).根據步驟(5)的計算結果，計算接頭區域的等效剛度，并(4沖的結果比較，相差不大則進行后續計算；否則需要進行迭代計算；(7).在迭代計算的內力和變形基礎上，對結構的承載能力進行驗算，若不滿足要求，需要調整預應力度和配筋，回到(2)重新進行計算；(8).若承載能力滿足要求，則進行正常實用極限狀態要求的抗裂及裂縫寬度驗算和變形驗算，若不滿足要求，則需要調整預應力度和配筋，回到(2)重新進行計算；(9).根據上述計算結果，進行相關的構造設計。其中，上述步驟(3)中預應力鋼筋和非預應力鋼筋可按以下步驟確定a)根據初步計算得到的內力、選擇的預應力度初步估算預應力鋼筋的配置；H風^、義4(~^——^")b)根據公式^。=——『°計算所需預應力筋的面積^，式中/l為預應力度，4為p(0.75~0氛p"構件截面換算面積，i^為荷載短期效應組合下的彎矩，『。一換算截面抗裂驗算邊緣的彈性抵抗矩，乂為荷載短期效應組合下的軸力，^。為張拉控制應力；c)在預應力筋面積確定的基礎上，按照混凝土結構設計規范中的方法，計算預應力的損失，然后根據構件的承載能力要求計算襯砌需要的非預應力筋的面積。本發明的設計方法是依托現行的國家設計相關標準，以概率極限狀態設計方法為基礎，基于對盾構隧道預應力管片襯砌特點進行分析研究，結合預應力度的概念，提出的盾構隧道預應力襯砌的實用設計方法。該設計方法中采用新的結構計算模型來反映預應力的影響，提出設計計算的具體過程，符合廣大工程技術人員的設計習慣，且概念明確、計算量小。下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。圖1是本發明設計方法的流程圖。圖2是本發明所采用的襯砌結構連續一非均勻剛度模型的示意圖。圖3是本發明連續一非均勻剛度計算模型中接頭區域的等效模型示意圖。圖4是襯砌結構的預應力等效荷載示意圖。具體實施例方式在設計之前，首先解決盾構隧道預應力襯砌設計中的幾個關鍵問題一、預應力襯砌接頭張角計算預應力襯砌接頭的張角計算可以按照下式進行-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式中m—接頭處的彎矩；7v—接頭處的軸力；c一混凝土壓應力的合力；t一接頭處預應力鋼筋(鋼絞線)的合力；7;—預應力鋼絞線的總的有效預應力；p—接頭張角；6—接頭截面寬度；A—接頭截面高度；^一預應力鋼筋(鋼絞線)截面積；；c一混凝土受壓區高度；預應力鋼筋(鋼絞線)到混凝土受壓區邊緣的距離；五p—預應力鋼筋(鋼絞線)的彈性模量；《一混凝土的割線模量，《=^&，其中，A為混凝土的彈性模量，v為混凝土彈性系數，當《0.3/J寸，v=1.0，當=0.8/;時，v約為0.40.7，且隨混凝土強度的增大而增大，考慮到在正常使用條件下，混凝土應力一般小于o.8y;，其中,為混凝土的軸心抗壓強度，計算時可取v^l.0;A/pl—連續體部分預應力鋼筋的變形量，與連續體的內力、預應力筋位置有關；/p—預應力鋼筋的總長度；A/p2—接頭位置預應力鋼筋的變形量；~一接頭預應力鋼絞線受力傳遞，理想狀態下不考慮摩擦影響時，等于預應力筋長度/p，實際條件下，應根據預應力鋼絞線的摩擦特性進行折減。二、襯砌結構的連續一非均勻剛度模型(1).模型條件假定A.采用連續結構模型；B.管片環的剛度為非均勻分布，由于接頭的影響，在接頭附近一定范圍內剛度較管片主體部分降低；C.接頭部位剛度降低的區域中心弧長度為管片厚度的2倍，即2h(h為管片厚度)，該區域的彎矩等于接頭處的彎矩；D.剛度降低的區域的剛度;7'五/(7'S1，為接頭區域等效剛度系數)根據彎矩作用下區域兩端的截面轉角相等求出，其余區域的剛度仍為^/。(2).連續一非均勻剛度模型在上述假定的基礎上，可得該管片環結構的連續非均勻剛度模型如圖2所示(i為接頭編號)。(3).接頭等效剛度系數的確定圖3給出了區域剛度等效的具體情況，依據假定內容，可以求得剛度降低區域的剛度。由等效前后截面A'-A'對B'-B'在彎矩的作用下的轉角相同，可得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中M—接頭處的彎矩；0—接頭張角；—J'號接頭的等效抗彎剛度系數；力為管片厚度；^為管片材料的彈性模量；/為管片截面慣性矩。三、預應力的等效荷載等效荷載法主要原理是將結構中的預應力筋和錨具視為施載體將其從結構中脫離，而把它們的作用等效為荷載，并把這些等效荷載如同外荷載一樣施加到結構上，從而計算結構在預應力作用下的綜合響應。等效荷載分析法是預應力結構設計中的一種常用方法。采用等效荷載法可以直觀的反映預應力對結構的內力和變形的影響，尤其可有效簡化超靜定預應力結構的分析計算。對圓形的盾構隧道來說，結構的受力與結構的變形有關，采用等效荷載可以體現預應力對結構剛度的影響，且可以同時確定結構在外荷載及預應力作用下的內力和變形。當預應力筋首尾錨固在一起時，不考慮摩擦對預應力的影響，則結構中只產生軸向力作用。此時，等效荷載相當于沿襯砌環分布的均勻壓力，如圖4所示，其大小為式中9p一等效荷載；？；一預應力襯砌的總有效預應力；；一預應力鋼筋的曲率半徑。四、預應力筋的選型和布置(1).預應力筋的選型預應力筋曲線型布置，由摩擦產生的預應力損失較大，考慮采用包裹有防腐潤滑脂及套管的無粘結預應力筋作為首選的預應力筋；(2).預應力筋的布置襯砌結構在外荷載下產生有正負彎矩，理論上預應力筋的布置位置應該和正負彎矩對應起來，但這樣會使施工時預應力筋的穿筋不便，又由于預應力產生的附加彎矩，使結構計算復雜。基于此種原因，考慮預應力筋布置如下A.預應力筋的形狀采用圓形，沿整個結構的曲率相同。這樣，一方面對環形構件只產生軸壓力作用，另一方面便于施工；B.預應力筋的位置限定在截面核心區域內(中心h/3范圍內)，既可以避免正負彎矩剛度相差過大，又可以避免由于同向彎矩的作用使接頭張開過大，對結構防水不利。(3).預應力筋的張拉A.預應力筋的初次張拉在盾構內進行襯砌結構拼裝時完成，此時襯砌結構的外荷載產生的軸力很小。在脫離盾尾后經歷注漿、漿體凝固、承受正常水土壓力的過程中，襯砌結構的外荷載產生的軸力逐步增大，預應力筋隨結構一起變形，預應力筋的應力減小，此時需要對預應力筋進行補張。B.從初次張拉到隨后的補張過程中間，預應力對結構的約束作用在變化，施工過程中需要采取一定的措施來保證襯砌結構的穩定。C.為減小預應力損失，考慮采用超張拉工藝和兩端張拉的方法。五、預應力度預應力度;i是指預應力混凝土結構施加預應力大小的程度，它影響著結構在荷載作用下的受力性能和結構的變形程度。由于結構的性能要求不同，預應力度的定義和表達有不同的形式，此處采用截面應力比。截面應力比是預應力作用于混凝土構件上產生的有效預壓應力ov與荷載產生的混凝土拉應力R,之比-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(5)對管片類受壓構件，荷載產生的混凝土拉應力s,為-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(6)式中iV,—荷載短期效應組合下的軸力；M,—荷載短期效應組合下的彎矩；^一構件截面換算面積；『。一換算截面抗裂驗算邊緣的彈性抵抗矩。由預應力混凝土結構分類的條件以及預應力度(應力比)、拉應力限制系數、及混凝土自身抗裂度的定義，可以求得不同分類要求下預應力度的取值條件，如表1所示。表1預應力度的取值<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>按照應力比預應力度法設計高效預應力混凝土結構的方法，稱為預應力度法。根據表l所提供的結果，在設計時可以預先根據結構的性能要求設定需要的預應力度，然后根據結構的受力設計預應力筋和非預應力筋來保證結構的承載力和性能要求。該設計方法避免了以往預應力構件設計時的復雜計算，成為目前預應力結構設計的新方法。基于上述分析，本發明預應力襯砌設計方法的基本步驟包括(1).初步計算包括管片結構尺寸設定、材料選用、荷載計算以及結構內力的初步計算。有關內容按照普通的鋼筋混凝土管片襯砌的方法進行。(2).預應力度設定根據襯砌結構的要求，確定預應力襯砌的類型，根據表1選擇合適的預應力度。(3).預應力鋼筋和非預應力鋼筋的確定。根據初步計算得到的內力、選擇的預應力度初步估算預應力鋼筋的配置。對曲率一定的預應力筋，圓形隧道只產生混凝土的壓應力。則由式(56)可得計算所需的總有效預應力Np為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式中各符號意義同前。一般情況下，預應力的總損失約為張拉控制應力cr，的20~25%，初始張拉的總有效預應力約為^/(0.75~0.8)，則所需預應力筋的面積為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>在預應力筋面積確定的基礎上，.按照混凝土結構設計規范中的方法，計算預應力的損失，然后根據構件的承載能力要求計算襯砌需要的非預應力筋的面積。在預應力鋼筋和非預應力鋼筋的基礎上，進一步計算結構計算需要的參數。(4).接頭計算和連續一非均勻剛度計算模型的確定。計算初步計算的內力條件下接頭的張角，進一步計算各接頭區域的等效抗彎剛度，完善結構的計算模型。(5).計算預應力等效荷載，并與初步計算的荷載一起施加在結構計算模型上，求得結構的內力和變形。(6).根據步驟(5)的計算結果，計算接頭區域的等效剛度，并步驟(4)中的結果比較，相差不大(5%以內)，則進行后續計算；否則需要進行迭代計算。(7).在迭代計算的內力和變形基礎上，對結構的承載能力進行計算。由于步驟(3)中已進行了初步的計算，此處驗算即可，若滿足進行后續計算，否則需要調整預應力度和配筋，回到步驟(2)重新進行計算。(8).若承載能力滿足要求，則進行正常實用極限狀態要求的抗裂及裂縫寬度驗算和變形驗算，若不滿足要求，則需要調整預應力度和配筋，回到(2)重新進行計算。(9).相關的構造設計。可以按照混凝土結構的構造設計進行。具體的設計計算過程如圖1所示。權利要求1.一種盾構隧道預應力襯砌設計方法，其特征是包括以下步驟(1).初步計算包括管片結構尺寸設定、材料選用、荷載計算以及結構內力的初步計算；(2).預應力度設定根據襯砌結構要求，確定預應力襯砌類型，并選擇合適的預應力度；(3).預應力鋼筋和非預應力鋼筋的確定，進一步計算結構計算需要的參數；(4).接頭計算和連續一非均勻剛度計算模型的確定根據初步計算的內力，計算接頭的張角夕，設定襯砌為連續結構，并設定接頭區域的中心弧長度為2h，且接頭區域的等效剛度為η′iEI，其它區域的剛度為EI，根據公式計算出接頭區域等剛度系數η′i，式中M為接頭處的彎矩，h為管片厚度，E為管片材料的彈性模量；I為管片截面慣性矩；(5).計算預應力等效荷載并與初步計算的荷載一起施加在步驟(4)所確定的計算模型上，求得結構的內力和變形；(6).根據步驟(5)的計算結果，計算接頭區域的等效剛度，并(4)中的結果比較，相差不大則進行后續計算；否則需要進行迭代計算；(7).在迭代計算的內力和變形基礎上，對結構的承載能力進行驗算，若不滿足要求，需要調整預應力度和配筋，回到(2)重新進行計算；(8).若承載能力滿足要求，則進行正常實用極限狀態要求的抗裂及裂縫寬度驗算和變形驗算，若不滿足要求，則需要調整預應力度和配筋，回到(2)重新進行計算(9).根據上述計算結果，進行相關的構造設計。2.根據權利要求1所述的一種盾構隧道預應力襯砌設計方法，其特征是步驟(3)中預應力鋼筋和非預應力鋼筋按以下步驟確定a)根據初步計算得到的內力、選擇的預應力度初步估算預應力鋼筋的配置；A4)(~~^——b)根據公式4-^^^^8)^0計算所需預應力筋的面積^，式中義為預應力度，4為構件截面換算面積，M,為荷載短期效應組合下的彎矩，^一換算截面抗裂驗算邊緣的彈性抵抗矩，乂為荷載短期效應組合下的軸力，cr^為張拉控制應力；c)在預應力筋面積確定的基礎上，按照混凝土結構設計規范中的方法，計算預應力的損失，然后根據構件的承載能力要求計算襯砌需要的非預應力筋的面積。全文摘要本發明公開了一種盾構隧道預應力襯砌設計方法，首先進行管片結構尺寸設定、材料選用、荷載計算以及結構內力的初步計算；根據襯砌結構要求，確定預應力襯砌類型和預應力度；確定預應力鋼筋和非預應力鋼筋；接頭計算和確定連續-非均勻剛度計算模型計算預應力等效荷載與初步計算的荷載一起施加在計算模型上，求得結構的內力和變形；計算接頭區域的等效剛度，并與之前的結果比較，相差不大則進行后續計算；否則需要進行迭代計算；對結構的承載能力進行驗算，若不滿足要求，需要調整預應力度和配筋，重新選擇預應力度并計算；若承載能力滿足要求，則進行抗裂及裂縫寬度驗算和變形驗算，最后進行相關的構造設計。文檔編號E21D11/08GK101363323SQ20071004466公開日2009年2月11日申請日期2007年8月8日優先權日2007年8月8日發明者劉豐軍,廖少明,朱合華,閆治國申請人:同濟大學