5-地下建筑結構設計(5)18課件

1、5.1 結構型式、分類與選擇； 5.2 結構設計的主要內容； 5.3 荷載確定（難點、重點）；5.4 結構設計模型與計算方法。5 地下建筑結構設計5.1 結構型式、分類與選擇結構型式影響因素： （1）受力條件（地層條件）：（2）使用要求（使用目的）：（3）施工方案（施工技術）：在地層條件和使用目的相同條件下，施工方法不同，結構型式也不同！土層地下建筑結構： （1）附建式結構：房屋建筑下面的地下室 分類方案一：按土、巖分別對待（2）淺埋式結構：覆土厚度僅510m左右(薄)；覆土厚度小于結構尺寸；多采用明挖法施工。 （3）沉井（箱）結構：沉井施工時需要在沉井底部挖土，頂部出土 。 （4）盾構法結構

2、：盾構推進時，以圓形為最宜，故常采用裝配式圓形襯砌 （5）連續(xù)墻結構：先建造兩條連續(xù)墻，然后在中間挖土，修建底板、頂板和中間樓層 （6）沉管法結構：一般做成箱形結構，二端加以臨時封門，運至預定水面處，沉放到設計位置， （7）其它：比如，頂管結構等。巖石地下建筑結構： （1）拱形結構：最常用！多采用礦山法暗挖施工。 （2）噴錨結構： （3）穹頂結構（按教材定義，稱為一種薄殼結構，中間無柱或墻）： （4）復合結構： 該分類點評： 1、總體以施工工藝為主線進行分類，特別是土層中的分類。 2、巖石中的分類有點亂，前兩種以施工工藝為主線，后兩種以構造形式為依據(jù)。（1）拱形結構： （2）圓形和矩形管狀結構

3、：（3）框架結構：（4）薄殼結構：（5）異形結構：注意：教材中有關結構設計、計算等相關問題是按照該分類方案展開論述的！本次講課只涉及其中一小部分內容。分類方案二：按構造形式不同（教材P7275）（1）拱形結構：前面講的“拱形結構”+噴錨結構分類方案二：按構造形式不同（2）圓形和矩形管狀結構：（3）框架結構：（4）薄殼結構：（5）異形結構：該分類點評：分類方案二：按構造形式不同分兩個階段：初步設計；技術設計（包括施工圖）。初步設計內容：（一）工程等級和要求，以及靜、動載標準的確定；（二）確定埋置深度與施工方法；（三）草算荷載值；（四）選擇建筑材料；（五）選定結構型式和布置；（六）估算結構跨度、高

4、度、頂?shù)装寮斑厜穸戎饕叽?；（七）繪制初步設計結構圖；（八）估算工程材料數(shù)量及財務概算。 5.2 結構設計的主要內容 在初步設計批準后開始技術設計。主要內容： （一）計算荷載：求出作用在結構上的各種荷載值；（二）計算簡圖：擬定出恰當?shù)挠嬎銏D式；（三）內力分析：選擇結構內力計算方法，得出控制截面的內力；（四）內力組合：對最不利的內力組合，求出各控制截面的最大設計內力值；（五）配筋設計：計算得出受力鋼筋，并確定分布鋼筋與架立鋼筋；（六）繪制結構施工詳圖：結構平面圖，結構構件配筋圖，節(jié)點詳圖，內部設備的預埋件圖等。注意：與地面結構設計比較！ PART A 橫向框架的設計： 將一個空間結構簡化成單位

5、米長的平面結構進行分析。示例 隧道結構設計要點 PART B 縱向設計： 縱向配筋，沿縱向是否需要分段，每段長度多少等。變形縫的設置：伸縮縫、沉降縫。變形縫間的隧道區(qū)段，視作截面為箱形的彈性地基梁計算。 PART C 出入口設計： 規(guī)模小但較復雜，有豎井、斜井、樓梯、三防房間、防護門等結構。出入口結構應與主體結構等強度。 難題：荷載計算，特別是圍巖壓力計算復雜，地下結構與圍巖關系非常復雜！ 一方面，圍巖給地下結構施加圍巖壓力，即荷載；另一方面，圍巖又幫助地下結構承受荷載，減少結構的內力。 注意以下幾個問題： 1、地下結構荷載特征：圍巖與地下結構相互作用。有別于地面結構的顯著特征。 2、相互作用

6、的效果主要取決于地層條件以及結構與地層的相對剛度。 對于穩(wěn)固地層，地層剛度大于結構剛度，地層約束作用大，而產(chǎn)生的圍巖壓力小。 對于不穩(wěn)固地層，結構剛度大于地層剛度，地層約束作用小，甚至忽略不計，則產(chǎn)生的圍巖壓力大。5.3 荷載確定 3、圍巖與地下結構相互作用非常復雜！加上地下結構受力特征還與施工工藝有關，導致所謂的“結構計算”無法成為精確的設計依據(jù)。 4、地下結構設計通用做法：采用結構計算、經(jīng)驗判斷和實測相結合的信息化設計施工方法。5.3 荷載確定 5.3.1荷載種類： （一）永久荷載：也稱恒載：長期作用在結構上且大小、方向與作用點不變，如結構自重、圍巖（土）壓力和地下水壓力等，還有彈性抗力（

7、地下結構特有的）。 （二）可變荷載：也稱活荷載：在結構物施工和使用期間可能存在的變動荷載，其大小和作用位置都可能變化。又可細分為基本可變（經(jīng)常作用的）和其它可變（非經(jīng)常作用的）荷載。（三）偶然荷載：原子武器和常規(guī)武器（炸彈、火箭）爆炸沖擊波壓力荷載；在抗震區(qū)計算地震波作用下的動荷載作用。特別說明：各種荷載不一定同時存在！采用可能的荷載組合。荷載組合：取最不利組合作為設計荷載，以最危險截面中最大內力值作為設計依據(jù)。5.3 荷載確定 5.3.2 荷載確定方法：一般按使用的規(guī)范和設計標準確定。 使用規(guī)范：設計時遵守各有關規(guī)范。有的沿用地面建筑的設計規(guī)范。 設計標準： （一）根據(jù)建筑用途、防護等級、地

8、震等級等確定建筑物荷載。（二）建筑材料選用：滿足規(guī)范和工程實際要求。（三）一般為超靜定結構，彈性階段按結構力學計算 。（四）截面計算原則：按總安全系數(shù)法進行，對強度、裂縫和變形進行驗算。（五）安全系數(shù)：可參見規(guī)范。一般施工條件差，比如現(xiàn)澆混凝土要考慮附加安全系數(shù)。（六）材料強度指標：按相關規(guī)范規(guī)定。 5.3 荷載確定 5.3.3 巖土體壓力計算 對大多數(shù)地下工程，是至關重要的荷載。 其一，結構設計計算的控制性因素； 其二，復雜性和不確定性，不敢，也不能掉以輕心。一、土壓力的計算 核心內容：“土力學”中涉及的土各種壓力計算。且以淺“土”為主，問題要簡單一些。 問題：淺“土力學”和深“土力學”問題

9、？ 巖石的“淺”、“深”問題更嚴重！5.3 荷載確定 二、 圍巖壓力的計算（參見教材P6369） 有多種計算理論與方法，常用有兩種：、按松散體理論計算（）垂直圍巖壓力的計算）淺埋結構：結構上部全部巖體重量作用于結構上。垂直圍巖壓力：問題：上式計算是一種最不利的情況！5.3 荷載確定 通過圖（b)分析計算：當深度大到一定時，圍巖壓力消失，顯然不合理。）深埋結構：5.3 荷載確定 拱高度計算：該公式為世紀初開始應用的，由普洛托季雅科諾夫提出，稱普氏理論。其中，為普氏系數(shù)，可通過工程經(jīng)驗或規(guī)范中得到。 特別指出：在地下結構設計中，圍巖壓力取均布形式，并按 h 計算，可以得到類似教材64 圖3-1的結

10、果。5.3 荷載確定 問題：深埋和淺埋的界定（P63）： 重要概念：圍巖分類（完整性） 5.3 荷載確定 （2）水平圍巖壓力的計算 對松軟巖層要考慮水平圍巖壓力！ 一般計算：垂直圍巖壓力乘以側壓力系數(shù)（按主動土壓力計算系數(shù)） 這樣可以分別得到淺埋和深埋結構的水平圍巖壓力： 1、P67 公式3-13（有錯誤）； 2、P64 公式3-14。 注意： P67 公式3-13參數(shù)注釋中的“S”是多余的！錯誤！ 5.3 荷載確定 2 按圍巖分級和經(jīng)驗公式確定圍巖壓力 理論計算均在簡化模型基礎上得到的，有局限性。 根據(jù)工程實踐，提出經(jīng)驗公式，更貼近工程實際！ 1）公路隧道設計規(guī)范（JTJ026-90）（P6

11、566,特別標注2004版新規(guī)范已出）： 2）鐵路隧道設計規(guī)范（TB10003-2001，J117-2001）（P6667,特別標注2005版新規(guī)范已出）： 圍巖壓力確定點評：我國多采用工程類比法，并采用現(xiàn)場實測和理論計算的方法進行驗算！5.3 荷載確定 5.3.4 彈性抗力計算（P71）地下建筑結構特有的，區(qū)別于地面結構的顯著特點之一。圍巖與結構相互作用的結果。彈性抗力的描述方法有：以彈性理論為基礎的共同變形理論。較合理。 以文克爾假定為基礎的局部變形理論。計算較簡單，一般能滿足工程精度要求，多采用。 彈性抗力系數(shù)確定：工程經(jīng)驗或規(guī)范等。5.3 荷載確定 5.4.1 地下結構設計主要模型與計

12、算方法（P1415）1、荷載結構模型：2、地層結構模型：3、經(jīng)驗類比模型：我國隧道設計主要采用前3種。4、收斂限制模型：5.4 結構設計模型與計算方法5.4.2 荷載結構法及設計模型示例1、淺埋在松散土中圓形隧道（整體式）結構計算采用自由變形圓環(huán)法（教材P7981）。2、淺埋在松散土中矩形結構的結構計算 按自由變形框架計算。具體計算可參見教材P8687（僅荷載部分）。 5.4 結構設計模型與計算方法1、淺埋在松散土中圓形隧道（整體式）結構計算。 可以采用自由變形圓環(huán)法 主要特征：結構可以自由變形。 （1）荷載計算：1、環(huán)自重： 公式3-412、豎向地層壓力： 公式3-453、水平地層壓力： 公式3-464、靜水壓力： 公式3-475、地基反力：