第4章地下建筑結(jié)構(gòu)的計算方法

1、NoImage NoImage1234 4.1.1 地下建筑結(jié)構(gòu)計算方法的發(fā)展 早期完全依靠經(jīng)驗，19世紀才逐漸形成計算理論；最早的計算理論為剛性理論（壓力線理論）；柔性材料被用于地下工程后開始按彈性理論計算；逐步認識到地層與結(jié)構(gòu)是一個受力整體，20世紀以來，按連續(xù)介質(zhì)理論建立起新的計算方法。剛性理論剛性理論經(jīng)驗經(jīng)驗彈性理論彈性理論連續(xù)介質(zhì)理論連續(xù)介質(zhì)理論4.1.2地下結(jié)構(gòu)體系的計算模型 國際隧道協(xié)會在1978年成立了隧道結(jié)構(gòu)談倔型研究組、收集和匯總了各會員國目前采用的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計方法如表41所示。經(jīng)過總結(jié)，國際隧道協(xié)會認為，目前采用的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計方法可以歸納為以下4種設(shè)計模型： (1)以參照

2、過去隧道工程實踐經(jīng)驗進行工程類比為主的經(jīng)驗設(shè)計法； (2)以現(xiàn)場量測和實驗室試驗為主的實用設(shè)計方法；例如，以洞周位移量側(cè)值為根據(jù)的收斂限制法； (3)作用一反作用模型，即荷載一結(jié)構(gòu)模型。例如，彈性地基因環(huán)計算和彈性地基框架計算等計算法； (4)連續(xù)介質(zhì)模型，包括解析法和數(shù)值法c數(shù)值計算法目前主要是有限單元法。 從各國的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐看，目前在設(shè)計隧道的結(jié)構(gòu)體系時，主要采用兩類計算模型，一類是以支護結(jié)構(gòu)作為承載主體、圍巖作為荷載同時考慮其對支護結(jié)構(gòu)的變形約束作用的模型。另一類則相反，視圍巖為承載主體，支護結(jié)構(gòu)則為約束圍巖變形的模型。 我國采用的設(shè)計方法似可分屬以下四種設(shè)計模型：1. 荷載結(jié)構(gòu)模

3、型 將支護結(jié)構(gòu)和圍巖分開來考慮，支護結(jié)構(gòu)是承載主體圍巖作為荷載；結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用是通過彈性支承對支護結(jié)構(gòu)施加約束來體現(xiàn)的，而圍巖的承載能力則在確定圍巖壓力和彈性支承的約束能力時間接地考慮。2. 地層結(jié)構(gòu)模型 將支護結(jié)構(gòu)與圍巖視力一體，作為共同承載的隧道結(jié)構(gòu)體系，故又稱為圍巖一結(jié)構(gòu)模型或復合整體模型，在這個模型中圍巖是直接的承載單元，支護結(jié)構(gòu)只是用來約束和限制圍巖的變形，這一點正好和上述模型相反。3. 經(jīng)驗類比模型 在大多數(shù)情況下，隧道支護體系還是依賴“經(jīng)驗設(shè)計”的，在實施過程中，依據(jù)量測信息加以修改和驗證。經(jīng)驗設(shè)計的前提要正確地對坑道圍巖進行分類、然后在分類的基礎(chǔ)上編制支護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本圖

4、示。 它是完全依靠經(jīng)驗設(shè)計地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計模型。4.收斂限制模型其計算理論也是地層結(jié)構(gòu)法，其設(shè)計方法常稱為收斂限制法，或稱特征線法。只是計算時采用收斂約束法圖解考慮。荷載結(jié)構(gòu)模型模型設(shè)計的隧道支護結(jié)構(gòu) 偏于保守 地層結(jié)構(gòu)模型是目前隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計中力求 采用的或正在發(fā)展的模型，因為它符合當前的施工技術(shù)水平。 4種模型中前3種較為常用。 對應(yīng)于荷載結(jié)構(gòu)模型的計算方法稱為荷載結(jié)構(gòu)法。 地層對結(jié)構(gòu)的作用只是產(chǎn)生在地下建筑結(jié)構(gòu)上的荷載，襯砌在荷載的作用下產(chǎn)生內(nèi)力和變形。 這里介紹公路隧道設(shè)計規(guī)范（2004）中的計算方法。 4.2.1 設(shè)計原理 認為隧道開挖后地層的作用主要是對襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)

5、能安全可靠地承受地層壓力等荷載的作用。 計算時先計算出地層壓力，然后按彈性地基上結(jié)構(gòu)物的計算方法計算襯砌的內(nèi)力，并進行結(jié)構(gòu)截面設(shè)計。4.2.2 計算原理3.地層反力的作用模式 對應(yīng)于地層結(jié)構(gòu)模型的計算方法稱為地層結(jié)構(gòu)法。 把地下結(jié)構(gòu)與地層作為一個受力變形的整體，按照連續(xù)介質(zhì)力學原理來計算地下建筑結(jié)構(gòu)以及周圍地層的變形；不僅計算出襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形，而且計算周圍地層的應(yīng)力。 充分體現(xiàn)了相互作用原理。 這里仍重點介紹公路隧道設(shè)計規(guī)范（2004）中的計算方法。 4.3.1 設(shè)計原理 將襯砌和地層視為整體共同受力的統(tǒng)一體系，在滿足變形協(xié)調(diào)條件的前提下分別計算襯砌與地層的內(nèi)力。 計算方法以有限單元法為