地下建筑結構荷載計算講解T

地下建筑結構荷載第四章本講內(nèi)容荷載種類和組合荷載確定方法巖土體壓力的計算方法初始地應力、釋放荷載與開挖效應彈性抗力其他荷載4.1

荷載種類和組合4.1.1荷載種類按存在狀態(tài)分為：靜荷載、動荷載和活荷載等

靜荷載：又稱恒載。是指長期作用在結構上且大小、方向和作用點不變的荷載，如結構自重、巖土體壓力、彈性抗力和地下水壓力等；活荷載：指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。

如地下建筑物內(nèi)部的樓板地面荷載（人群物件和設備重量）、吊車荷載、落石荷載等。地面附近的堆積物和車輛對地下結構作用的荷載以及施工安裝過程中的臨時性荷載。動荷載：要求具有一定防護能力的地下建筑物，需考慮原子武器和常規(guī)武器（炸彈、火箭）爆炸沖擊波壓力荷載，這是瞬時作用的動荷載；在抗震區(qū)進行地下結構設計時，應計算地震波作用下的動荷載作用。其他荷載：使結構產(chǎn)生內(nèi)力和變形的各種因素中，除有以上主要荷載的作用外，通常還有：混凝土材料收縮（包括早期混凝土的凝縮與日后的干縮）、溫度變化等受到約束而產(chǎn)生的內(nèi)力。地下結構所承受的荷載，按其作用特點及使用中可能出現(xiàn)的情況分為以下三類，即永久（主要）荷載、可變（附加）荷載和偶然（特殊）荷載:（1）永久（主要）荷載即長期作用的恒載，主要包括：結構自重；回填土重量；圍巖壓力；彈性抗力；靜水壓力（含浮力）；混凝土收縮和徐變影響力、預加應力及設備自重等。地層壓力和結構自重是襯砌承受的主要靜荷載，彈性抗力是地下結構所特有的被動荷載。（2）可變（附加）荷載分為基本可變荷載和其它可變荷載兩類。

基本可變荷載，即長期的、經(jīng)常作用的變化荷載，如吊車荷載、設備重量、地下儲油庫的油壓力、車輛、人員等荷重人群荷載等。其它可變荷載，即非經(jīng)常作用的變化荷載，如溫度變化、施工荷載（施工機具，盾構千斤頂推力，注漿壓力）等。（3）偶然（特殊）荷載偶然發(fā)生的荷載，如地震力或戰(zhàn)時發(fā)生的武器爆炸沖擊動荷載。4.1.2荷載組合

各種荷載對結構可能不是同時作用，需進行最不利情況的組合。先計算個別荷載單獨作用下的結構各部件截面的內(nèi)力，再進行最不利的內(nèi)力組合，得出各設計控制截面的最大內(nèi)力。最不利的荷載組合一般有以下幾種情況：（一）靜載；（二）靜載+活載；（三）靜載+動載（原子爆炸動載、炮（炸）彈動載）4.1.2荷載組組合指將可可能同同時出出現(xiàn)在在地下下結構構上的的荷載載進行行編組組，取取其最最不利利組合合作為為設計計荷載載，以以最危危險截截面中中最大大內(nèi)力力值作作為設設計依依據(jù)。。我國公公路和和鐵路路隧道道設計計規(guī)范范中給給出的的永久久、可可變及及偶然然荷載載（在鐵路路隧道道設計計規(guī)范范中采采用概概率極極限狀狀態(tài)設設計法法時稱稱為作作用）參見見表4-1和表4-2。表4-1公路隧隧道設設計規(guī)規(guī)范（（JTJ026-90）的隧隧道荷荷載編號荷載分類荷載名稱1永久荷載（恒載）圍巖壓力2結構自重力3填土壓力4混凝土收縮和徐變影響力5可變荷載基本可變荷載公路車輛荷載、人群荷載6立交公路車輛荷載及其所產(chǎn)生的土壓力7立交鐵路列車活載及其所產(chǎn)生的土壓力8其它可變荷載立交渡槽流水壓力9溫度變化的影響力10凍脹力11偶然荷載落石沖擊力12地震力13施工荷載注：[1]設計隧隧道結結構時時，按按其可可能出出現(xiàn)的的最不不利情情況組組合。。表4-2鐵隧道道設計計規(guī)范范（TB10003-2001,J117-2001）的隧隧道作作用（（荷載載）分分類編號荷載分類荷載名稱荷載分類1永久作用結構自重恒載主要荷載2結構附加恒載3圍巖壓力4土壓力5混凝土收縮和徐變的影響6可變作用列車活載活載7活載所產(chǎn)生的土壓力8公路車輛荷載9沖擊力10渡槽水流壓力（設計渡槽明洞時）11制動力附加荷載12溫度變化的影響13灌漿壓力14凍脹力15施工荷載（施工階段的某些外力）16偶然作用落石沖擊力附加荷載17地震力特殊荷載4.2荷載的的確定定方法法4.2.1確定依依據(jù)(1)依據(jù)規(guī)規(guī)范：：當前在在地下下建筑筑結構構設計計中試試行的的規(guī)范范、技技術措措施、、條例例等有有多種種。有有的仍仍沿用用地面面建筑筑的設設計規(guī)規(guī)范，，設計時時應遵遵守各各有關關規(guī)范范。。(2)設計標標準1）根據(jù)據(jù)建筑用用途、、防護護等級級、地地震等等級等確定定。2）地下下建筑筑結構構材料的的選用用3）地下下襯砌砌結構構一般般為超超靜定定結構構，其其內(nèi)力在彈性性階段段可按按結構構力學學計算。考慮慮抗爆爆動載載時，，允許許考慮慮由塑塑性變變形引引起的的內(nèi)力力重分分布。。4.2荷載的的確定定方法法3）截面面計算算原則則結構截截面計計算時時，按按總安全全系數(shù)數(shù)法進行行，一一般進進行強度、、裂縫縫（抗裂裂度或或裂縫縫寬度度）和變形形的驗驗算等?；旎炷镣梁痛u磚石結結構僅僅需進進行強強度計計算，，并在在必要要時驗驗算結結構的的穩(wěn)定定性。。鋼筋混混凝土土結構構在施工工和正正常使使用階階段的的靜荷荷載作作用下，除按強強度計計算外外，一一般應應驗算算裂縫縫寬度度，根據(jù)據(jù)工程程的重重要性性，限限制裂裂縫寬寬度小小于0.10~0.20mm，但不不允許許出現(xiàn)現(xiàn)通透透裂縫縫。對對較重重要的的結構構則不不能開開裂，，即驗驗算抗抗裂度度。鋼筋混混凝土土結構構在爆炸炸動載載作用用下只需進進行強強度計計算，，不作作裂縫縫驗算算。4）安全全系數(shù)數(shù)結構在在靜載載作用用下的的安全系系數(shù)可參照照有關關規(guī)范范確定。對于地地下建建筑結結構，，如施施工條條件差差，不不易保保證質(zhì)質(zhì)量和和荷載載變異異大時時，對對混凝凝土和和鋼筋筋砼結結構需需考慮慮用附附加安安全系系數(shù)1.1。靜載下下的抗抗裂安安全系系數(shù)不不小于于1.25，視工工程重重要性性，可可予提提高。。結構在在爆炸炸荷載載作用用下，，由于于爆炸炸時間間較短短，而而荷載載很大大，為為使結結構設設計經(jīng)經(jīng)濟和和配筋筋合理理，其其安全全系數(shù)數(shù)可以以適當當降低低。5）材料料強度度指標標一般采采用工業(yè)與與民用用建筑筑規(guī)范范中的的規(guī)定定值，，亦可可根據(jù)據(jù)實際際情況況，參參照水水利、、交通通、人人防和和國防防等專專門規(guī)規(guī)范。結構在在動載載作用用下，，材料料強度度可以以提高高；提提高系系數(shù)見見有關關規(guī)定定。4.3巖土體體壓力力的計計算方方法土壓力力是土土與擋擋土結結構之之間相相互作作用的的結果果，它它與結構構的變變位有有著密密切關關系。以擋土土墻為為例，，作用用在擋擋土墻墻墻背背上的的土壓壓力可可以分分為靜止土土壓力力、主主動土土壓力力（往往往簡簡稱土土壓力力）和和被動動土壓壓力（往往往簡稱稱土抗抗力））三種種，其其中主主動土土壓力力值最最小，，被動動土壓壓力值值最大大，而而靜止止土壓壓力值值介于于兩者者之間間。2.3.1經(jīng)典土土壓力力理論論軟土地地區(qū)淺淺埋的的地下下工程程，采采用““土土柱理理論””計算算。豎向土土壓力力即為為結構構頂蓋蓋上整整個土土柱的的全部部重量量。側向土土壓力力經(jīng)典典理論論主要要是庫庫倫（（Coulomb）理論論和朗朗肯（（Rankine）理論論。靜止土土壓力力計算算一般般采用用彈性性理論論，它也也可以以稱為為經(jīng)典典理論論。盡管上上述經(jīng)經(jīng)典土土壓力力理論論存在在許多多不足足之處處，但但是在工程程界仍仍然得得到廣廣泛應應用。4.3.2圍巖壓壓力的的計算算（一））圍巖巖壓力力及其其影響響因素素1、圍圍巖壓壓力的的概念念圍巖壓壓力是是指位位于地地下結結構周周圍變變形及及破壞壞的巖巖層，，作用用在襯襯砌或或支撐撐上的的壓力力。洞室開開挖之之前，，地層層中的的巖體體處于于復雜雜的原原始應應力平平衡狀狀態(tài)。。洞室室開挖挖之后后，圍圍巖中中的原原始應應力平平衡狀狀態(tài)遭遭到破破壞，，應力力重新新分布布，從從而使使圍巖巖產(chǎn)生生變形形。當當變形形發(fā)展展到巖巖體極極限變變形時時，巖體就就產(chǎn)生生破壞壞。如在在圍巖巖發(fā)生生變形形時及及時進進行襯襯砌或或圍護護，阻阻止圍圍巖繼繼續(xù)變變形，，防止止圍巖巖塌落落，則則圍巖巖對襯襯砌結結構就就要產(chǎn)產(chǎn)生壓壓力，，即所所謂的的圍巖巖壓力力。。圍巖壓力力可分為為圍巖垂垂直壓力力、圍巖巖水平壓壓力及圍圍巖底部部壓力。。2、影響響圍巖壓壓力的因因素影響圍巖巖壓力的的因素很很多，主要與與巖體的的結構、、巖石的的強度、、地下水水的作用用、洞室室的尺寸寸與形狀狀、支護護的類型型和剛度度、施工工方法、、洞室的的埋置深深度和支支護時間間等因素素相關。。其中，巖巖體穩(wěn)定定性的關鍵在于于巖體結結構面的的類型和和特征。按圍巖壓壓力及作作用分：：支護結構構理論的的發(fā)展可可以劃分分為三個個階段：：第一階段段：古典典巖土壓壓力理論論階段興起于20世紀20年代以前前，代表表性人物物主要有有海姆（（A.Haim）、朗肯肯（W.J.M.Rankine）和金尼尼克（A.H.Диииик）。認為作用用在支護護結構上上的壓力力是其上上覆巖層層的重量量，側壓壓力方面面，海姆姆認為側側壓系數(shù)數(shù)為1，朗肯根根據(jù)松散散體理論論認為是是，而金金尼克根根據(jù)彈性性理論認認為是μ/(1-μ)（μ為巖體的的泊松比比）。當當時地下下工程埋埋藏深度度不大，，一度被被認為是是正確的的。第二階段段：散體體壓力理理論階段段代表性人人物是泰泰沙基（（K.Terzaghi，太沙基基）和普普羅托季季亞科諾諾夫（普普氏，M.M.Лроттдъяяконнов）。認為當?shù)氐叵鹿こ坛搪癫厣钌疃容^大大時，支支護上的的壓力只只是圍巖巖坍落拱拱內(nèi)松動動巖體的的重量，，坍落拱拱的高度度與地下下工程的的跨度及及圍巖的的性質(zhì)有有關。太沙基認認為坍落落拱為矩矩形，而而普羅托托季亞科科諾夫認認為是拋拋物線形形。并通過假定抗力力的形式式考慮圍巖巖與結構構的相互互作用。。采用荷載載—結構法進進行結構構內(nèi)力計計算。第三階段段：共同同作用理理論階段段沒能科學學地確定定坍落拱拱的高度度及其形形成過程程，更沒沒有認識識到穩(wěn)定圍巖巖和充分分發(fā)揮圍圍巖的自自承作用用問題。20世紀50年代以來來，巖石石力學開開始成為為一門獨獨立的學學科，圍圍巖彈性性、彈塑塑性及粘粘彈性解解答逐步步出現(xiàn)，，錨（桿桿）噴（（射混凝凝土）支支護及新新奧法（（新奧地地利隧道道設計施施工）的的興起，，終于形形成了以以巖石力力學原理理（圍巖巖）及彈彈性力學學（結構構）為基基礎的、、考慮支護護結構與與圍巖共共同作用用的地下下現(xiàn)代支支護理論論。我國采用用較多的的仍是以以散體壓壓力理論論為基礎礎的荷載——結構法，一方面面該理論論發(fā)展時時間較長長，有較較多經(jīng)驗驗，另一一方面是是該計算算理論形形式簡單單，比較較容易為為工程設設計人員員所掌握握。只對圓形形斷面才才有封閉閉的解析析解，設設計中一一般作為為校核，，但近年年來地層——結構法得到了越越來越廣廣泛的應應用。地下結構構的計算算理論（（按地下下結構分分）：1、剛性結結構階段段剛性結構構的計算算理論，，如壓力力線理論論等。背景：十十九世紀紀磚石結結構流行行分析方法法：三鉸鉸拱靜定定體系設計準則則：2、彈性結結構階段段背景：十十九世紀紀未混凝凝土、鋼鋼筋混凝凝土結構構出現(xiàn)分析方法法：彈性性連續(xù)拱拱形框架架體系設計準則則：混凝凝土設計計規(guī)范3、假定抗抗力階段段背景：(1910年O.Kommerall；….)1934年Зураабовв，бугааеваа分析方法法：鐮刀刀形抗力力圖形作作為荷載載計算設計準則則：分析方法法：抗力力大小，，及其位位置均由由計算決決定在主動荷荷載作用用下發(fā)生生彈性變變形的同同時，將將受到地地層對其其變形產(chǎn)產(chǎn)生的約約束作用用。將這這類約束束作用假假設為彈彈性抗力力，地下下結構計計算理論論便有了與地地面結構構不同的的特點。。彈性抗力力結構在主主動荷載載作用下下，要產(chǎn)產(chǎn)生變形形。以隧隧道工程程為例，，如圖所所示的曲曲墻拱形形結構，，在主動動荷載（（垂直荷荷載大于于水平荷荷載）作作用下，，產(chǎn)生的的變形如如虛線所所示：4、連續(xù)介介質(zhì)力學學理論計算機數(shù)數(shù)值方法法與設計計CAD1966年S.F.Reyes,D.U.Deere圓形隧道道的彈塑塑性屈服服準則應應用1968年O.C.Zienkiewicz無拉分析析研究隧隧道應力力和變形形1977年W.Wittke圍巖節(jié)理理及施工工順序對對洞室穩(wěn)穩(wěn)定的影影響1979年同濟大大學，四四川二灘灘水電站站地下廠廠房洞室室穩(wěn)定分分析1983年發(fā)表初始始地應力的的反分析原原理(線性、非線線性)1988年完成非線線性抗爆動動力響應1992年江陰長江江大橋錨碇碇的三維時時間