拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片结构及设计方法技术

本发明专利技术涉及一种拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片结构及设计方法，针对本发明专利技术管片结构来说，其包括：管片主体，管片主体包括：拱顶，拱腹，拱脚，混凝土内部的钢筋网，管片注浆孔，管片接缝凹槽，拱腹的横向截面为弧面片状结构；拱腹还具有拱形的纵向截面。针对本发明专利技术设计方法来说，具体包括如下步骤：1）确定拱顶厚度h

【技术实现步骤摘要】
拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片结构及设计方法
本专利技术涉及地铁盾构隧道管片结构
，尤其涉及一种拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片结构；本专利技术还涉及上述管片结构的设计方法。
技术介绍
随着城市化进程推进，我国城市轨道交通隧道建设快速推进，盾构法施工作为城市地下隧道施工的主要施工形式被广泛应用在地铁、地下管廊和地下排水通道等城市地下空间工程建设中。然而在盾构隧道运营阶段，盾构隧道管片不可避免地出现不同程度的损伤裂缝、应力松弛和接头局部破坏等问题，最终导致隧道变形过大和隧道渗漏水等工程问题，严重影响列车行驶安全。盾构管片作为盾构法施工中主要的承载构件，需要满足承载力要求的同时还需要有足够的刚度和韧性来满足隧道的变形控制和抗渗要求。现今普通钢筋混凝土盾构隧道管片结构自重大抗裂性能较差，容易在地铁隧道施工和运营过程中产生裂缝，形成渗流路径造成严重的隧道渗水问题，无法满足地下结构长期使用的耐久性要求。同时运营期管片环缝间的应力松弛问题和螺栓接头混凝土局部破坏问题也是管片接缝错台张开变形和接缝渗漏水问题的重要诱因。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片结构来解决管片结构运营期间抗裂性能差渗漏水严重、环缝间应力松弛和螺栓接头处混凝土局部破坏三大技术问题。本专利技术的另一个目的是提供上述管片结构的设计方法，便于设计上述管片结构。针对本专利技术拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片结构来说，其包括：管片主体，所述管片主体包括：拱顶，拱腹，拱脚，混凝土内部的钢筋网，管片注浆孔，管片接缝凹槽，所述拱腹的横向截面为弧面片状结构；拱腹还具有拱形的纵向截面。作为本专利技术管片结构进一步的改进，拱形的纵向截面是由拱腹处的管片主体上，成矩形的纵向截面中间减薄混凝土厚度而形成。作为本专利技术管片结构进一步的改进，拱顶处的混凝土层最小厚度不小于150mm。作为本专利技术管片结构进一步的改进，超高性能混凝土抗压强度不小于120MPa。作为本专利技术管片结构进一步的改进，管片注浆孔位于管片主体中心位置，管片注浆孔周围配置螺旋箍筋，在管片注浆孔附近区域内的混凝土层局部加厚并设置相应的第二加强肋；本专利技术管片结构还具有另一种改进，管片结构还包括：局部加强带，其为沿管片主体四周边缘周长路径布置的闭合的条带状钢筋混凝土加厚层。优选的，所述局部加强带上垂直于其轴向的截面，此截面的宽度为100~200mm，厚度不小于300mm。优选的，管片主体两侧拱脚处预留部分作为局部加强带。优选的，局部加强带的受力主筋与管片主体内的钢筋网通过焊接方式形成整体钢筋笼，其中：拱腹内的环向主筋与纵向构造钢筋通过焊接方式形成钢筋网，拱腹内的纵向构造钢筋部分伸入局部加强带，并与局部加强带内的受力主筋通过焊接方式连接形成整体钢筋网。优选的，局部加强带内按暗梁边缘构件单独配置受力钢筋，局部加强带纵横向相交节点应加强配筋。优选的，管片结构还包括直螺栓预留孔，其是位于局部加强带上用于与相邻管片主体相连的螺栓孔，螺栓孔周围配置螺旋箍筋进行局部加强。优选的，直螺栓预留孔处的局部加强带和管片主体两端弧面片状结构之间采用倾斜面过渡，在倾斜面两侧设置第一加强肋，第一加强肋为直角四面体混凝土加强肋。针对本专利技术拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片结构的设计方法来说，具体包括如下步骤：1）根据采用的超高性能混凝土材料强度、钢筋型号和根据规范计算所承受的外荷载产生的内力确定管片纵向正截面尺寸，确定拱顶厚度h1和拱脚厚度h2；2）超高性能混凝土管片主体拱腹区正截面承载力计算时利用平均截面厚度将拱腹区正截面等效成截面尺寸为beq×heq的矩形截面进行配筋计算，beq——拱腹区等效等效矩形截面的宽度，单位：mm；3）管片主体拱腹区内力复核：分别按受弯构件正截面承载力和大偏心受压构件正截面承载力计算进行内力复核，并进行环向主筋配筋面积的计算；4）对比按受弯构件正截面承载力计算和按大偏心受压构件正截面承载力计算的配筋结果，选择其中配筋面积大的方案进行配筋。作为本专利技术设计方法进一步的改进，步骤3）中，受弯构件正截面承载力验算：超高性能混凝土受压区高度由以下公式确定：超高性能混凝土受压区高度符合以下条件：式中：M——管片主体拱腹区弯矩设计值，单位：kN·m；fc——超高性能混凝土轴心抗压强度设计值，单位：N/mm2；ft——超高性能混凝土轴心抗拉强度设计值，单位：N/mm2；fy、fpy——管片主体拱腹区普通钢筋、预应力筋抗拉强度设计值，单位：N/mm2；f'y、f'py——管片主体拱腹区普通钢筋、预应力筋抗压强度设计值，单位：N/mm2；As、A's——受拉区、受压区纵向普通钢筋的截面面积，单位：mm2；Ap、A'p——受拉区、受压区纵向预应力钢筋的截面面积，单位：mm2；α1——等效矩形应力图系数；σ'p0——受压区纵向预应力钢筋合力点处混凝土法向应力等于零时的预应力筋应力，单位：N/mm2；b——等效矩形截面的宽度，b=beq，单位：mm；bf——受拉区翼缘的宽度，单位：mm；对于矩形截面，bf=b；h0——等效矩形截面有效高度，单位：mm；h——等效矩形截面高度，h=heq，单位：mm；ξb——相对界限受压区高度；x——混凝土受压区高度，单位：mm；ɑs、ɑp——受拉区纵向普通钢筋合力点、预应力钢筋合力点至截面受压边缘的距离，单位：mm；ɑ's、ɑ'p——受压区纵向普通钢筋合力点、预应力钢筋合力点至截面受压边缘的距离，单位：mm；ɑ——纵向普通受拉钢筋和预应力受拉钢筋的合力点至截面近边缘的距离，单位：mm。作为本专利技术设计方法进一步的改进，步骤3）中，大偏心受压构件正截面承载力验算：式中：N——管片主体拱腹区轴向压力设计值，单位：kN；e——轴向压力作用点至纵向普通受拉钢筋和预应力受拉钢筋合力作用点的距离，单位：mm；e0——轴向压力作用点对截面重心的偏心距，单位：mm；当需要考虑二阶效应时，M应按国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）规定计算；eɑ——附加偏心距，单位：mm，按偏心方向截面最大尺寸hɑ确定，hɑ=h：当hɑ≤600mm时，eɑ=20mm；当hɑ>600mm时，；fc——超高性能混凝土轴心抗压强度设计值，单位：N/mm2；ft——超高性能混凝土轴心抗拉强度设计值，单位：N/mm2；σs、σp——受拉边或受压较小边的纵向普通钢筋本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片结构，包括：/n管片主体，所述管片主体包括：拱顶，拱腹（1），拱脚，混凝土内部的钢筋网，管片注浆孔（6），管片接缝凹槽（2），所述拱腹（1）的横向截面为弧面片状结构；/n其特征在于：所述拱腹（1）还具有拱形的纵向截面；/n所述拱形的纵向截面是由拱腹（1）处的管片主体上，成矩形的纵向截面中间减薄混凝土厚度而形成。/n

【技术特征摘要】
1.一种拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片结构，包括：
管片主体，所述管片主体包括：拱顶，拱腹（1），拱脚，混凝土内部的钢筋网，管片注浆孔（6），管片接缝凹槽（2），所述拱腹（1）的横向截面为弧面片状结构；
其特征在于：所述拱腹（1）还具有拱形的纵向截面；
所述拱形的纵向截面是由拱腹（1）处的管片主体上，成矩形的纵向截面中间减薄混凝土厚度而形成。


2.根据权利要求1所述的拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片结构，其特征在于：拱顶处的混凝土层最小厚度不小于150mm；
超高性能混凝土抗压强度不小于120MPa；
管片注浆孔（6）位于管片主体中心位置，管片注浆孔（6）周围配置螺旋箍筋（11），在管片注浆孔（6）附近区域内的混凝土层局部加厚并设置相应的第二加强肋（7）。


3.根据权利要求1或2所述的拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片结构，其特征在于：
管片结构还包括：
局部加强带（5），其为沿管片主体四周边缘周长路径布置的闭合的条带状钢筋混凝土加厚层；
所述局部加强带（5）上垂直于其轴向的截面，此截面的宽度为100~200mm，厚度不小于300mm；
管片主体两侧拱脚处预留部分作为局部加强带（5）；
局部加强带（5）的受力主筋与管片主体内的钢筋网通过焊接方式形成整体钢筋笼，其中：
拱腹（1）内的环向主筋与纵向构造钢筋通过焊接方式形成钢筋网，拱腹（1）内的纵向构造钢筋部分伸入局部加强带（5），并与局部加强带（5）内的受力主筋通过焊接方式连接形成整体钢筋网；
局部加强带（5）内按暗梁边缘构件单独配置受力钢筋，局部加强带（5）纵横向相交节点加强配筋；
管片结构还包括直螺栓预留孔（4），其是位于局部加强带（5）上用于与相邻管片主体相连的螺栓孔，螺栓孔周围配置螺旋箍筋（11）进行局部加强；
直螺栓预留孔处的局部加强带（5）和管片主体两端弧面片状结构之间采用倾斜面过渡，在倾斜面两侧设置第一加强肋（3），第一加强肋（3）为直角四面体混凝土加强肋。


4.一种用于权利要求1所述拱腹式超高性能混凝土预制盾构隧道管片结构的设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1）根据采用的超高性能混凝土材料强度、钢筋型号和根据规范计算所承受的外荷载产生的内力确定管片纵向正截面尺寸，确定拱顶厚度h1和拱脚厚度h2；
2）超高性能混凝土管片主体拱腹区正截面承载力计算时利用平均截面厚度将拱腹区正截面等效成截面尺寸为beq×heq的矩形截面进行配筋计算，beq——拱腹区等效矩形截面的宽度，单位：mm；
3）管片主体拱腹区内力复核：分别按受弯构件正截面承载力和大偏心受压构件正截面承载力计算进行内力复核，并进行环向主筋配筋面积的计算；
4）对比按受弯构件正截面承载力计算和按大偏心受压构件正截面承载力计算的配筋结果，选择其中配筋面积大的方案进行配筋。


5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，
步骤3）中，受弯构件正截面承载力验算：



超高性能混凝土受压区高度由以下公式确定：



超高性能混凝土受压区高度符合以下条件：






式中：

M——管片主体拱腹区弯矩设计值，单位：kN·m；

f

c
——超高性能混凝土轴心抗压强度设计值，单位：N/mm2；

f

t
——超高性能混凝土轴心抗拉强度设计值，单位：N/mm2；

f

y

、f

py
——管片主体拱腹区普通钢筋、预应力筋抗拉强度设计值，单位：N/mm2；

f'

y

、f'

py
——管片主体拱腹区普通钢筋、预应力筋抗压强度设计值，单位：N/mm2；
As、A's——受拉区、受压区纵向普通钢筋的截面面积，单位：mm2；
Ap、A'p——受拉区、受压区纵向预应力钢筋的截面面积，单位：mm2；
α1——等效矩形应力图系数；
σ'p0——受压区纵向预应力钢筋合力点处混凝土法向应力等于零时的预应力筋应力，单位：N/mm2；
b——等效矩形截面的宽度，b=beq，单位：mm；
bf——受拉区翼缘的宽度，单位：mm；对于矩形截面，bf=b；
h0——等效矩形截面有效高度，单位：mm；
h——等效矩形截面高度，h=heq，单位：mm；
ξb——相对界限受压区高度；

x——混凝土受压区高度，单位：mm；
ɑs、ɑp——受拉区纵向普通钢筋合力点、预应力钢筋合力点至截面受压边缘的距离，单位：mm；
ɑ's、ɑ'p——受压区纵向普通钢筋合力点、预应力钢筋合力点至截面受压边缘的距离，单位：mm；
ɑ——纵向普通受拉钢筋和预应力受拉钢筋的合力点至截面近边缘的距离，单位：mm。


6.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，
步骤3）中，大偏心受压构件正截面承载力验算：















式中：

N——管片主体拱腹区轴向压力设计值，单位：kN；
e——轴向压力作用点至纵向普通受拉钢筋和预应力受拉钢筋合力作用点的距离，单位：mm；
e0——轴向压力作用点对截面重心的偏心距，单位：mm；当需要考虑二阶效应时，M应按国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）规定计算；
eɑ——附加偏心距，单位：mm，按偏心方向截面最大尺寸hɑ，hɑ=h确定：当hɑ≤600mm时，eɑ=20mm；当hɑ>600mm时，；

f

c
——超高性能混凝土轴心抗压强度设计值，单位：N/mm2；

f

t<...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈仁朋，吴怀娜，冯东林，刘源，张阳，孟凡衍，程红战，阮世强，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43