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第Ⅰ篇 容许应力设计法1

1序论1

1.1前言1

1.2设计的基本原则与适用范围2

1.3相关规范与标准4

1.4衬砌结构的选定5

1.4.1一次衬砌的功能与种类5

1.4.2二次衬砌的功能与种类6

1.4.3管片的选定10

1.5结构计算的基本内容11

1.6名称与记号11

1.6.1名称11

1.6.2记号15

1.7设计文件16

1.7.1设计计算书16

1.7.2设计图16

2荷载17

2.1土压力与水压力的考虑方法17

2.1.1土压力17

2.1.2水压力21

2.1.3隧道抗浮验算22

2.2衬砌自重22

2.3地面超载的影响23

2.3.1评价地面超载影响的实例23

2.3.2基于弹性理论的地中应力计算法23

2.4地层抗力24

2.4.1惯用计算法对地层抗力的考虑方法24

2.4.2地层弹簧模型对地层抗力的考虑方法24

2.5施工荷载25

2.5.1千斤顶推力25

2.5.2壁后注浆压力26

2.5.3其他施工荷载26

2.6地震的影响26

2.6.1隧道及隧道周围地层稳定性的验算27

2.6.2地震影响的验算顺序与模型27

2.7其他应该考虑的荷载29

2.7.1邻近施工的影响29

2.7.2地层沉降的影响30

2.7.3平行设置隧道的影响30

2.7.4内部荷载31

2.7.5其他荷载32

3材料与容许应力33

3.1材料的种类与规格33

3.2材料的机械性能与形状尺寸33

3.3材料的弹性模量与泊松比36

3.4容许应力36

3.5容许应力的提高40

4管片形状与接头结构41

4.1管片外径与隧道内径41

4.2管片高度（厚度）44

4.3管片宽度45

4.4管片环的分块与K型管片46

4.4.1管片环的分块46

4.4.2 K型管片的种类46

4.5接头结构47

5横断方向上的结构计算50

5.1概论50

5.2断面各量的确定52

5.2.1面板的有效宽度52

5.2.2主断面构件的断面性能53

5.2.3设计轴线55

5.3惯用计算法及修正惯用计算法56

5.3.1计算方法的基本考虑方式56

5.3.2设计用断面内力58

5.4梁-弹簧模型计算法60

5.4.1计算方法的基础61

5.4.2设计用断面内力63

5.4.3各规范中的梁-弹簧模型计算法64

6纵断方向上的结构计算66

6.1概述66

6.2结构分析模型66

6.2.1纵断方向的梁-弹簧模型67

6.2.2纵断方向上的等效刚度梁模型68

6.2.3地层等的模型化70

6.2.4纵断方向上的解析模型实例70

7构件设计73

7.1基本事项73

7.2钢铁管片73

7.2.1主断面设计73

7.2.2管片接头设计74

7.2.3环间接头设计77

7.2.4对千斤顶推力的设计78

7.2.5面板设计79

7.3混凝土管片81

7.3.1主断面设计81

7.3.2管片接头设计84

7.3.3环间接头设计87

7.3.4对千斤顶推力的验算88

8管片耐久性89

8.1关于耐久性的基本考虑方法89

8.2防水性能90

8.2.1漏水及其影响90

8.2.2防水措施概要90

8.2.3接头处的防水92

8.3裂缝验算93

8.4防腐蚀与防锈94

8.4.1钢铁管片与合成管片94

8.4.2混凝土管片95

第Ⅱ篇 极限状态设计法97

1序论97

1.1前言97

1.2对应于设计目的的极限状态97

1.3设计使用年限99

1.4荷载效应与结构抗力的计算100

1.5安全系数与修正系数100

1.6符号101

2安全系数102

2.1材料分项系数102

2.2构件分项系数103

2.3荷载分项系数104

2.4结构计算分项系数105

2.5结构物重要性系数106

2.6抗震设计中安全系数的处理106

2.7修正系数107

3荷载108

3.1设计荷载的种类与标准值的计算108

3.2设计荷载的组合109

4材料的设计值111

4.1材料强度111

4.2应力-应变曲线114

4.3弹性模量114

4.4其他材料的设计值114

5荷载效应的计算116

5.1计算的基本原则116

5.2荷载效应的计算方法116

5.2.1结构计算模型116

5.2.2管片主断面模型117

5.2.3管片接头模型119

5.2.4环间接头模型123

5.2.5实际设计中对非线性特性的简易处理123

6结构抗力的计算与校核124

6.1对承载力极限状态的验算124

6.1.1承载力极限状态验算的一般事项124

6.1.2混凝土管片的验算126

6.1.3钢铁管片的验算131

6.2对使用极限状态的验算138

6.2.1使用极限状态验算的一般事项138

6.2.2混凝土管片的验算140

6.2.3钢铁管片的验算141

6.2.4裂缝宽度验算144

6.2.5管片环变形的验算145

6.2.6接头变形的验算146

第Ⅲ篇 设计细则148

1主断面与接头的配置148

1.1钢铁管片148

1.2混凝土管片148

2纵肋151

3密封槽与接缝沟152

3.1密封槽152

3.2接缝沟152

4注浆孔与起吊环154

4.1注浆孔154

4.2起吊环155

5接头角度与插入角度156

6楔形环157

6.1楔形环的种类157

6.2楔形环的使用量157

6.3楔形环的楔形量157

7钢筋的一般要求159

7.1钢筋的保护层厚度与间距159

7.2钢筋的加工，接头与固定159

7.3受力钢筋160

7.4分布钢筋，架立钢筋及其他钢筋160

8其他161

8.1焊接161

8.2排气162

第Ⅳ篇 设计计算实例164

1序论164

1.1关于设计计算实例164

1.2关于设计计算实例的注意事项164

2依据容许应力设计法的设计计算实例167

2.1钢管片实例167

2.2铸铁管片实例173

2.3混凝土管片实例180

3依据极限状态设计法的设计计算实例187

3.1钢管片实例187

3.1.1设计条件187

3.1.2使用极限状态的验算189

3.1.3承载力极限状态的验算196

3.1.4设计结果203

3.1.5设计图的制作203

3.2铸铁管片实例204

3.2.1设计条件204

3.2.2使用极限状态的验算206

3.2.3承载力极限状态的验算212

3.2.4设计结果220

3.2.5设计图的制作220

3.3混凝土管片实例221

3.3.1设计条件221

3.3.2使用极限状态的验算224

3.3.3承载力极限状态的验算233

3.3.4设计结果239

3.3.5设计图的制作240

第Ⅴ篇 参考资料241

1特殊管片241

1.1具有特殊形状的管片241

1.2具有特殊功能的管片245

1.3对应各种施工条件的管片249

2接头的种类与分类253

3土压力与水压力的计算实例256

3.1土压力与水压力的计算流程256

3.2土压力与水压力计算方法实例257

4太沙基松弛土压力计算公式259

5由路面交通荷载引起的地面超载计算实例261

6大深度地下隧道的地面超载计算实例263

7铁路结构物中的地层抗力系数计算实例265

8由管片自重变形引起的地层抗力系数计算实例266

9施工荷载验算方法实例269

9.1施工荷载验算的现状269

9.2考虑隧道纵向上曲线施工时千斤顶推力与千斤顶组合方式影响的实例269

9.3管片加宽等引起的喇叭状拼装验算方法实例270

9.4壁后注浆压力验算实例270

9.5管片拼装器操作荷载实例271

9.6混凝土管片密封材料压缩反力验算方法实例272

10开口部设计法概要（《下水道临时设计手册》）274

10.1开口部带来的影响274

10.2开口部设计中应考虑的荷载274

11高强度钢材的容许应力（草案）277

11.1《隧道设计规范》中对局部屈曲容许应力的说明277

11.2高强度钢材的容许应力（草案）278

12管片接头的转动弹簧系数280

12.1概要280

12.2根据实验的计算方法280

12.3理论和解析计算方法282

12.3.1村上-小泉方法283

12.3.2《铁路设计规范》中的方法290

12.3.3 Leonhardt公式292

13环间接头的剪切弹簧系数294

13.1概要294

13.2《铁路设计规范》中的计算方法294

14接头弹簧系数的设定实例295

14.1《内水压指南》中的参考实例295

14.2《东京高速公路设计要领》中的参考实例295

15盾构隧道纵断方向上的转动弹簧系数（理论计算方法）299

15.1依据志波等提案的计算方法299

15.2依据西野提案的计算方法300

15.3理论计算方法的注意点300

16盾构隧道纵断方向上等效抗弯刚度的推导302

16.1纵断方向上等效抗弯刚度的推导302

16.1.1变形协调条件302

16.1.2力的平衡条件302

16.1.3对变形协调条件及力的平衡条件的说明302

16.1.4等效抗弯刚度的推导304

16.1.5中和轴计算公式的推导304

16.2盾构隧道纵断方向的应力与接头拉力计算公式的推导305

17楔形环楔形量的计算方法307

18极限状态设计法的参考资料309

18.1铸铁管片的材料特性及局部屈曲309

18.2钢铁管片承载力极限状态的验算313

18.3使用极限状态的验算317

19密封材料319

19.1密封材料的历史319

19.2密封材料的种类319

19.3防水机理320

19.4密封材料，密封槽与防水性能321

19.5密封材料的设计方法322

19.5.1密封材料的初始验算项目322

19.5.2密封材料的设计条件324

19.5.3密封材料的形状，尺寸的计算324

19.6密封材料耐久性的验算实例325

19.6.1原材料自身的耐久性325

19.6.2防水性能的耐久性326

19.7密封材料的设计实例327

19.7.1设计条件327

19.7.2密封槽及密封材料的尺寸选定327

19.7.3针对防水密封材料的设计328

19.7.4管片拼装时密封材料的设计329

19.7.5密封槽与密封材料尺寸（例）的决定329

20防腐蚀与防锈，螺栓孔充填，接缝工程及螺栓密封330

20.1钢管片的涂装方法实例330

20.2接头构件的防腐蚀处理实例330

20.3注浆孔及起吊金属器具的防腐蚀对策实例331

20.4螺栓孔充填方法实例332

20.5接缝施工333

20.6螺栓密封334

参考文献336