地鐵車站結(jié)構(gòu)計算3

1、第四章 地鐵與輕軌交通的結(jié)構(gòu)設(shè)計 第三節(jié) 地鐵車站結(jié)構(gòu)計算力建學(xué)院道橋系本節(jié)主要內(nèi)容4.1地鐵車站的荷載類型地鐵車站的荷載類型4.2荷載計算方法荷載計算方法 （重點）（重點）4.3結(jié)構(gòu)計算模型結(jié)構(gòu)計算模型 （重點）（重點）4.4結(jié)構(gòu)計算結(jié)構(gòu)計算4.1荷載類型M2/2側(cè) 向 水 土 壓 力水 平 彈 性 抗 力基 底 豎 向 反 力側(cè) 向 水 土 壓 力水 平 彈 性 抗 力向MM2/2自 重垂 直 水 土 壓 力地 面 超 載道縱隧M=M1+M2MM2/2M2/2人群人群車輛4.1荷載類型n 永久荷載：永久荷載：是地下車站結(jié)構(gòu)承受的主要靜力荷載，在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)其量值不隨時間變化。一般主要包括結(jié)

2、構(gòu)自重結(jié)構(gòu)自重、地層地層壓力壓力、地下水壓力地下水壓力、地層反力地層反力和彈性抗力彈性抗力等。n 可變荷載：可變荷載：地面車輛荷載地面車輛荷載及動力作用和側(cè)向土壓力、地鐵車地鐵車輛荷載輛荷載(包括沖擊力、搖擺力、離心力)及人群荷載人群荷載。其它可變荷載還有溫度變化、施工荷載(施工機(jī)具、盾構(gòu)千斤頂推力、注漿壓力)等。 n 偶然荷載：偶然荷載：地震力、爆炸力、沉船、拋錨或河道疏浚產(chǎn)生的撞擊力等災(zāi)害性荷載。4.2荷載計算方法（1 1）地層壓力計算）地層壓力計算 深埋巖石隧道：深埋巖石隧道： 隧道周圍破碎圈內(nèi)的巖體重量，圍巖松動壓力按隧道周圍破碎圈內(nèi)的巖體重量，圍巖松動壓力按鐵路隧道設(shè)計規(guī)范鐵路隧道設(shè)

3、計規(guī)范進(jìn)行計算。進(jìn)行計算。 概率極限狀態(tài)法設(shè)計概率極限狀態(tài)法設(shè)計 破損階段設(shè)計法破損階段設(shè)計法 容許應(yīng)力設(shè)計法容許應(yīng)力設(shè)計法 其中，為圍巖的重度（KN/m3）；S為圍巖的級別；B為洞室的跨度，當(dāng) B5m ，取i=0.2，當(dāng)B5m，取i=0.1。 水平勻布壓力水平勻布壓力hqSh79. 141. 01245. 0Shhq)5(1Bi圍巖級別水平均布壓力00.15q(0.150.3)q(0.30.5)q(0.51.0)q等于上覆地層的重量？等于上覆地層的重量？圍巖松動壓力高度h的確定變形階段松動階段塌落階段成拱階段h土質(zhì)隧道土質(zhì)隧道 豎向壓力豎向壓力 填土隧道和淺埋暗挖隧道，按全部土柱重量計算。

4、深埋暗挖隧道或覆蓋層厚度大于（1D2D）砂性土層中的暗挖隧道，豎向均布土壓力可按太沙基公式或普氏公式計算。 明挖隧道按1.11.12乘以全部土柱重量計算。 側(cè)向壓力側(cè)向壓力ZaXpp004.2荷載計算方法 （2 2）靜水壓力計算）靜水壓力計算計算方法計算方法：砂土地層施工階段和使用階段均采用水土分算；砂土地層施工階段和使用階段均采用水土分算；粘土地層施工階段采用水土合算，使用階段水土分算。粘土地層施工階段采用水土合算，使用階段水土分算。水土分算：地下水位以上采用天然土容重；水位以下采用有效容重，靜水壓力另外計算。水土合算：地下水位以上采用天然土容重水位以下采用飽和容重，不計靜水壓力地下水位的確

5、定地下水位的確定圓形結(jié)構(gòu)按最低水位計算。圓形結(jié)構(gòu)按最低水位計算。 矩形結(jié)構(gòu)按最高水位計算。矩形結(jié)構(gòu)按最高水位計算。天然土容重天然土容重水土分算有效容重有效容重靜水壓力靜水壓力天然土容重天然土容重飽和容重飽和容重水土合算4.2荷載計算方法（3 3）地面車輛荷載計算方法）地面車輛荷載計算方法豎向壓力豎向壓力 地面車輛荷載可按下述方法簡化為地面車輛荷載可按下述方法簡化為勻布荷載勻布荷載： 單個輪壓力傳遞的豎向壓力：單個輪壓力傳遞的豎向壓力： 兩個以上輪壓傳遞的豎向壓力：兩個以上輪壓傳遞的豎向壓力：)4 . 1)(4 . 1(000ZbZappZ)4 . 1)(4 . 1(1000ZdnbZapnpn

6、iiZ（3 3）地面車輛荷載計算方法）地面車輛荷載計算方法 在道路下方的淺埋暗挖地鐵車站，地面車輛荷載可按10kPa的均布荷載取值，不計沖擊力的影響。 當(dāng)無覆蓋層時，地面車輛荷載則應(yīng)按集中力考慮，并用影響線加載法求出最不利荷載位置。 側(cè)向壓力側(cè)向壓力 按下式計算： 式中， -水平側(cè)壓力系數(shù)； -地面車輛輪壓傳遞到計算深度Z處的豎向壓力； -地面車輛輪壓傳遞到計算深度Z處的側(cè)向壓力。 ZaXpp00ozpoxpa4.2荷載計算方法（4 4）地震荷載計算方法）地震荷載計算方法地震對地下車站的影響有兩方面：剪切錯位和振動。地震對深埋隧道影響較小，而對淺埋隧道，尤其是松軟地層中的淺埋隧道影響較為嚴(yán)重。

7、 地鐵車站抗震烈度為7度，設(shè)防分類為乙級，按8度采取相應(yīng)抗震構(gòu)造措施，抗震等級定為二級，以提高結(jié)構(gòu)和接頭處的整體抗震能力。 日本大開車站日本大開車站（4 4）地震荷載計算方法）地震荷載計算方法 地鐵結(jié)構(gòu)采用實用計算方法，即靜力法(地震系數(shù)法)或擬靜力法(地層位移法)。松軟地層中的重要地鐵車站進(jìn)行地震響應(yīng)分析和動力模型試驗。 靜力法或擬靜力法：將隨時間變形的地震力或地層位移用等代的靜地震荷載或靜地層位移代替，然后再用靜力計算模型分析地震荷載或強(qiáng)迫地層位移作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，其量值略大于動力響應(yīng)分析值。l 適用性適用性：適用于設(shè)計加速度較小、動力相互作用不突出的結(jié)構(gòu)，不能用于地震時土體剛度有明顯降低

8、或產(chǎn)生液化的場合。l 優(yōu)點優(yōu)點：計算方法較簡單，工作量小、參數(shù)易確定。l 缺點缺點：不能反映材料動力特性及結(jié)構(gòu)間動力響應(yīng)、動力耦合。4.2荷載計算方法（5 5）結(jié)構(gòu)內(nèi)部車輛荷載）結(jié)構(gòu)內(nèi)部車輛荷載 軌道在隧道底板上：拉應(yīng)力一般小于0.5MPa，可忽略。 軌道在中層樓板上：考慮車輛荷載和沖擊力。 列車產(chǎn)生的離心力，其大小等于列車靜活載乘以離心力率C，C值按下式計算： 離心力作用于軌頂以上車輛重心處。 列車制動力或牽引力應(yīng)按列車豎向靜活載的15計算，當(dāng)與離心力同時計算時，可按豎向靜活載10計算。（6 6）其它荷載）其它荷載 地表施工機(jī)具荷載，一般取20kPa； 車站上部有建筑物時，應(yīng)計入其荷載； 人

9、群荷載：站臺、樓板和樓梯標(biāo)準(zhǔn)值值為4kN/m2。4.3荷載組合p 結(jié)構(gòu)計算荷載應(yīng)根據(jù)上述三類荷載同時存在的可能性進(jìn)行最不利組合。p 對于淺埋地鐵結(jié)構(gòu)，以基本組合永久荷載+可變荷載設(shè)計。p 在特殊情況下，如七度以上地震區(qū)，或有戰(zhàn)備要求等才有必要按偶然組合，即三類荷載都考慮進(jìn)行驗算。4.44.4結(jié)構(gòu)計算模型結(jié)構(gòu)計算模型（1 1）計算模型）計算模型主動荷載模型主動荷載模型：不考慮結(jié)構(gòu)與地層共同作用，除結(jié)構(gòu)底部受地層約束外，其它部分在主動荷載作用下可以自由變形。 適用于結(jié)構(gòu)與地層“剛度比”較大的情況，較弱的地層沒有“能力”去限制襯砌結(jié)構(gòu)的變形。主動荷載主動荷載+地層彈性約束模型地層彈性約束模型：地層不

10、僅對襯砌結(jié)構(gòu)施加主動荷載(地層壓力)，還對襯砌結(jié)構(gòu)施加被動彈性抗力。襯砌結(jié)構(gòu)在主動荷載和地層的被動彈性抗力共同作用下進(jìn)行工作。該模型適用于各類地層，只是各類地層所能產(chǎn)生的彈性抗力大小和范圍不同。地層地層-結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型：圍巖與結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成承載體系，荷載來自地層的初始應(yīng)力和施工所引起的應(yīng)力釋放，結(jié)構(gòu)內(nèi)力與地層重分布應(yīng)力一起按連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法計算。（2 2）基底反力）基底反力p Winkler彈性基礎(chǔ)理論計算公式彈性基礎(chǔ)理論計算公式 式中，i為地層表面某點所產(chǎn)生的壓縮變形； i為地層在同一點所產(chǎn)生的彈性抗力； K為地層的彈性抵抗系數(shù)。 基底反力和彈性抗力的大小和分布形態(tài)取決于襯砌結(jié)構(gòu)的變形，而結(jié)

11、構(gòu)變形又和反力或彈性抗力有關(guān)。 采用迭代法求解超靜定結(jié)構(gòu)問題，可采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法和有限元法，有限元方法建立模型較為容易，適用更為廣泛，求解更為靈活。iiK (a)iiR1kiR為地層的極限承載力iii (b)4.54.5結(jié)構(gòu)靜力計算方法結(jié)構(gòu)靜力計算方法（1 1）明挖箱形襯砌）明挖箱形襯砌 主動壓力 基底反力：方法1：靜力平衡法； 方法2：Winkler彈性基礎(chǔ)理論?；追戳追戳Γ? 2）暗挖馬蹄形襯砌結(jié)構(gòu)）暗挖馬蹄形襯砌結(jié)構(gòu)（采用主動荷載模型）彈性地基梁圖示（等直桿單元+彈性地基等直梁單元）彈性支撐連桿圖示（全部為等直梁單元、鏈桿代替彈性抗力）4.64.6結(jié)構(gòu)靜力結(jié)構(gòu)靜力驗算驗算 （1）基

12、本組合構(gòu)件強(qiáng)度計算； （2）短期效應(yīng)組合構(gòu)件裂縫寬度驗算； （3）短期效應(yīng)組合構(gòu)件變形計算； （4）地震荷載作用下構(gòu)件強(qiáng)度驗算； （5）人防荷載作用下構(gòu)件強(qiáng)度驗算； （6）構(gòu)件抗浮穩(wěn)定驗算。v 抗浮阻力=結(jié)構(gòu)自重+覆土重量+地下墻可用的抗浮摩阻力v 浮力=作用于底板上的全部浮力v 不計活荷載、后期施工的樓、地面面層和裝飾重量。v 地下墻摩阻力為5kPa；抗浮安全系數(shù)大于1.1；地下水位取地面以下0.5m。v 底板施工完成后，其它結(jié)構(gòu)和覆土重量尚未加上，若底板不設(shè)倒濾層，必須在底板上設(shè)置泄水孔，以減少底板浮力，避免結(jié)構(gòu)上浮，待頂板覆土和上部結(jié)構(gòu)完成后，再將泄水孔封閉。4.7小結(jié)荷載計算荷載計算荷載組合荷載組合建立模型建立模型結(jié)構(gòu)計算結(jié)構(gòu)計算結(jié)構(gòu)驗算結(jié)構(gòu)驗算是結(jié)束結(jié)束否結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計課后習(xí)題課后習(xí)題襯砌壁厚襯砌壁厚 =50cm=50cm隧道外徑隧道外徑D=6mD=6m隧道頂部填土高度隧道頂部填土高度H=15mH=15m地下水位位于隧道頂部地下水位位于隧道頂部h=12mh=12m隧道頂部填土為砂土隧道頂部填土為砂土襯砌采用襯砌