(4.1.1)-4-1地下建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的發(fā)展現(xiàn)狀和設(shè)計(jì)方法1

地下建筑結(jié)構(gòu)

第4章地下建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法

知識(shí)點(diǎn)1地下建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的發(fā)展現(xiàn)狀

和設(shè)計(jì)方法

4.1概述4.1.1地下建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的發(fā)展早年地下建筑結(jié)構(gòu)的建設(shè)完全依據(jù)經(jīng)驗(yàn)；19世紀(jì)初才逐漸形成計(jì)算理論，最先出現(xiàn)的計(jì)算理論是將地下結(jié)構(gòu)視為剛性結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論，如壓力線理論等。19世紀(jì)后期，混凝土和鋼筋混凝土材料陸續(xù)出現(xiàn)，并被用于建造地下工程，使地下建筑結(jié)構(gòu)具有較好的整體性。從這時(shí)起，地下結(jié)構(gòu)開始按彈性連續(xù)拱形框架計(jì)算內(nèi)力，并據(jù)以進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。

地下建筑結(jié)構(gòu)在主動(dòng)荷載作用下發(fā)生彈性變形的同時(shí)，將受到地層對其變形產(chǎn)生的約束作用。將這類約束作用假設(shè)為彈性抗力，彈性抗力的出現(xiàn)，地下建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論便有了與地面結(jié)構(gòu)不同的特點(diǎn)。假定抗力方法彈性地基梁的力法（1956）角變位移法不均衡力矩與側(cè)力傳播法等。4.1.1地下建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的發(fā)展地下結(jié)構(gòu)與地層是一個(gè)受力整體，20世紀(jì)以來，按連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論建立地下建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算方法的研究也逐漸取得成果。已經(jīng)建立的方法既有解析解，又有各類數(shù)值計(jì)算法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的推廣應(yīng)用和巖土介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系研究的進(jìn)展，地下結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算方法有了很大的發(fā)展，并已編制了多種功能齊全的程序軟件。4.1.1地下建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的發(fā)展20世紀(jì)70年代起，隨著隧道施工力學(xué)研究的發(fā)展，人們開始致力于對采用新奧法施作的隧道建立仿真計(jì)算技術(shù)的研究，并據(jù)以對復(fù)合支護(hù)提出計(jì)算方法和設(shè)計(jì)方法，后者同時(shí)包括對地下工程施工的安全性監(jiān)測、建立和完善量測技術(shù)，以及對其建立分析理論和對地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)引入反饋設(shè)計(jì)方法，以優(yōu)化工程設(shè)計(jì)和確保工程施工的安全性。值得指出的是，在地下建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算理論研究的發(fā)展過程中，后期提出的計(jì)算方法一般并不否定前期的研究成果。鑒于巖土介質(zhì)性質(zhì)的復(fù)雜多變性，這些計(jì)算方法一般都有各自的適用場合，但都帶有一定的局限性。4.1.1地下建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的發(fā)展4.1.2地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模型20世紀(jì)70年代以后，各國學(xué)者在發(fā)展地下建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的同時(shí)，還致力于探索地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的研究。與地面結(jié)構(gòu)不同，設(shè)計(jì)地下建筑結(jié)構(gòu)不能完全依賴計(jì)算。巖土介質(zhì)復(fù)雜，影響因素多，至今還沒有被完全認(rèn)識(shí)，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況出入較大，很難作為確切的設(shè)計(jì)依據(jù)。地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐。國際隧協(xié)ITA認(rèn)為可將其歸納為以下四種模型：以參照已往隧道工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工程類比為主的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法；以現(xiàn)場量測和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)為主的實(shí)用設(shè)計(jì)方法，例如以洞周位移量測值為根據(jù)的收斂—限制法；作用—反作用模型，例如對彈性地基圓環(huán)和彈性地基框架建立的計(jì)算法等；連續(xù)介質(zhì)模型，包括解析法和數(shù)值法，解析法中有封閉解，也有近似解，數(shù)值計(jì)算法目前主要是有限單元法。4.1.2地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模型4.1.2地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模型按照多年來地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)踐，我國采用的設(shè)計(jì)方法似可分屬以下四種設(shè)計(jì)模型：(一)荷載-結(jié)構(gòu)模型荷載結(jié)構(gòu)模型采用荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算襯砌內(nèi)力，并據(jù)以進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì)。其中襯砌結(jié)構(gòu)承受的荷載主要是開挖洞室后由松動(dòng)巖土的自重產(chǎn)生的地層壓力。這一方法與設(shè)計(jì)地面結(jié)構(gòu)時(shí)習(xí)慣采用的方法基本一致，區(qū)別是計(jì)算襯砌內(nèi)力時(shí)需考慮周圍地層介質(zhì)對結(jié)構(gòu)變形的約束作用。4.1.2地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模型按照多年來地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)踐，我國采用的設(shè)計(jì)方法似可分屬以下四種設(shè)計(jì)模型：(二)地層-結(jié)構(gòu)模型地層結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算理論即為地層結(jié)構(gòu)法。其原理是將襯砌和地層視為整體，在滿足變形協(xié)調(diào)條件的前提下分別計(jì)算襯砌與地層的內(nèi)力，并據(jù)以驗(yàn)算地層的穩(wěn)定性和進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì)。4.1.2地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模型按照多年來地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)踐，我國采用的設(shè)計(jì)方法似可分屬以下四種設(shè)計(jì)模型：(三)經(jīng)驗(yàn)類比模型

由于地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)受到多種復(fù)雜因素的影響，使內(nèi)力分析即使采用了比較嚴(yán)密的理論，計(jì)算結(jié)果的合理性也常仍需借助經(jīng)驗(yàn)類比予以判斷和完善，因此，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法往往占據(jù)一定的位置。經(jīng)驗(yàn)類比模型則是完全依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模型。4.1.2地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模型(四)收斂限制模型收斂限制模型的計(jì)算理論也是地層結(jié)構(gòu)法，其設(shè)計(jì)方法則常稱為收斂限制法，或稱特征線法。4.1.2地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模型縱坐標(biāo)表示結(jié)構(gòu)承受的地層壓力，橫坐標(biāo)表示洞周的徑向位移，其值一般都以拱頂為準(zhǔn)測讀計(jì)算，曲線①為地層收斂線，曲線②為支護(hù)特征線。兩條曲線的交點(diǎn)的縱坐標(biāo)（Pe）即為作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的最終地層壓力，橫坐標(biāo)（ue）則為襯砌變形的最終位移。因洞室開挖后一般需隔開一段時(shí)間后才施筑