5-地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(5)18課件

1、5.1 結(jié)構(gòu)型式、分類與選擇； 5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容； 5.3 荷載確定（難點(diǎn)、重點(diǎn)）；5.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型與計(jì)算方法。5 地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.1 結(jié)構(gòu)型式、分類與選擇結(jié)構(gòu)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(shù)）：在地層條件和使用目的相同條件下，施工方法不同，結(jié)構(gòu)型式也不同！土層地下建筑結(jié)構(gòu)： （1）附建式結(jié)構(gòu)：房屋建筑下面的地下室 分類方案一：按土、巖分別對(duì)待（2）淺埋式結(jié)構(gòu)：覆土厚度僅510m左右(薄)；覆土厚度小于結(jié)構(gòu)尺寸；多采用明挖法施工。 （3）沉井（箱）結(jié)構(gòu)：沉井施工時(shí)需要在沉井底部挖土，頂部出土 。 （4）盾構(gòu)法結(jié)構(gòu)

2、：盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，以圓形為最宜，故常采用裝配式圓形襯砌 （5）連續(xù)墻結(jié)構(gòu)：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(jié)構(gòu)：一般做成箱形結(jié)構(gòu)，二端加以臨時(shí)封門，運(yùn)至預(yù)定水面處，沉放到設(shè)計(jì)位置， （7）其它：比如，頂管結(jié)構(gòu)等。巖石地下建筑結(jié)構(gòu)： （1）拱形結(jié)構(gòu)：最常用！多采用礦山法暗挖施工。 （2）噴錨結(jié)構(gòu)： （3）穹頂結(jié)構(gòu)（按教材定義，稱為一種薄殼結(jié)構(gòu)，中間無柱或墻）： （4）復(fù)合結(jié)構(gòu)： 該分類點(diǎn)評(píng)： 1、總體以施工工藝為主線進(jìn)行分類，特別是土層中的分類。 2、巖石中的分類有點(diǎn)亂，前兩種以施工工藝為主線，后兩種以構(gòu)造形式為依據(jù)。（1）拱形結(jié)構(gòu)： （2）圓形和矩形管狀結(jié)構(gòu)

3、：（3）框架結(jié)構(gòu)：（4）薄殼結(jié)構(gòu)：（5）異形結(jié)構(gòu)：注意：教材中有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算等相關(guān)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(nèi)容。分類方案二：按構(gòu)造形式不同（教材P7275）（1）拱形結(jié)構(gòu)：前面講的“拱形結(jié)構(gòu)”+噴錨結(jié)構(gòu)分類方案二：按構(gòu)造形式不同（2）圓形和矩形管狀結(jié)構(gòu)：（3）框架結(jié)構(gòu)：（4）薄殼結(jié)構(gòu)：（5）異形結(jié)構(gòu)：該分類點(diǎn)評(píng)：分類方案二：按構(gòu)造形式不同分兩個(gè)階段：初步設(shè)計(jì)；技術(shù)設(shè)計(jì)（包括施工圖）。初步設(shè)計(jì)內(nèi)容：（一）工程等級(jí)和要求，以及靜、動(dòng)載標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)型式和布置；（六）估算結(jié)構(gòu)跨度、高

4、度、頂?shù)装寮斑厜穸戎饕叽纾唬ㄆ撸├L制初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖；（八）估算工程材料數(shù)量及財(cái)務(wù)概算。 5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 在初步設(shè)計(jì)批準(zhǔn)后開始技術(shù)設(shè)計(jì)。主要內(nèi)容： （一）計(jì)算荷載：求出作用在結(jié)構(gòu)上的各種荷載值；（二）計(jì)算簡(jiǎn)圖：擬定出恰當(dāng)?shù)挠?jì)算圖式；（三）內(nèi)力分析：選擇結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算方法，得出控制截面的內(nèi)力；（四）內(nèi)力組合：對(duì)最不利的內(nèi)力組合，求出各控制截面的最大設(shè)計(jì)內(nèi)力值；（五）配筋設(shè)計(jì)：計(jì)算得出受力鋼筋，并確定分布鋼筋與架立鋼筋；（六）繪制結(jié)構(gòu)施工詳圖：結(jié)構(gòu)平面圖，結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋圖，節(jié)點(diǎn)詳圖，內(nèi)部設(shè)備的預(yù)埋件圖等。注意：與地面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較！ PART A 橫向框架的設(shè)計(jì)： 將一個(gè)空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成單位

5、米長(zhǎng)的平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。示例 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn) PART B 縱向設(shè)計(jì)： 縱向配筋，沿縱向是否需要分段，每段長(zhǎng)度多少等。變形縫的設(shè)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(jì)算。 PART C 出入口設(shè)計(jì)： 規(guī)模小但較復(fù)雜，有豎井、斜井、樓梯、三防房間、防護(hù)門等結(jié)構(gòu)。出入口結(jié)構(gòu)應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)等強(qiáng)度。 難題：荷載計(jì)算，特別是圍巖壓力計(jì)算復(fù)雜，地下結(jié)構(gòu)與圍巖關(guān)系非常復(fù)雜！ 一方面，圍巖給地下結(jié)構(gòu)施加圍巖壓力，即荷載；另一方面，圍巖又幫助地下結(jié)構(gòu)承受荷載，減少結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。 注意以下幾個(gè)問題： 1、地下結(jié)構(gòu)荷載特征：圍巖與地下結(jié)構(gòu)相互作用。有別于地面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與地層的相對(duì)剛度。 對(duì)于穩(wěn)固地層，地層剛度大于結(jié)構(gòu)剛度，地層約束作用大，而產(chǎn)生的圍巖壓力小。 對(duì)于不穩(wěn)固地層，結(jié)構(gòu)剛度大于地層剛度，地層約束作用小，甚至忽略不計(jì)，則產(chǎn)生的圍巖壓力大。5.3 荷載確定 3、圍巖與地下結(jié)構(gòu)相互作用非常復(fù)雜！加上地下結(jié)構(gòu)受力特征還與施工工藝有關(guān)，導(dǎo)致所謂的“結(jié)構(gòu)計(jì)算”無法成為精確的設(shè)計(jì)依據(jù)。 4、地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通用做法：采用結(jié)構(gòu)計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)判斷和實(shí)測(cè)相結(jié)合的信息化設(shè)計(jì)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(zhǎng)期作用在結(jié)構(gòu)上且大小、方向與作用點(diǎn)不變，如結(jié)構(gòu)自重、圍巖（土）壓力和地下水壓力等，還有彈性抗力（

7、地下結(jié)構(gòu)特有的）。 （二）可變荷載：也稱活荷載：在結(jié)構(gòu)物施工和使用期間可能存在的變動(dòng)荷載，其大小和作用位置都可能變化。又可細(xì)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(jì)算地震波作用下的動(dòng)荷載作用。特別說明：各種荷載不一定同時(shí)存在！采用可能的荷載組合。荷載組合：取最不利組合作為設(shè)計(jì)荷載，以最危險(xiǎn)截面中最大內(nèi)力值作為設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定。 使用規(guī)范：設(shè)計(jì)時(shí)遵守各有關(guān)規(guī)范。有的沿用地面建筑的設(shè)計(jì)規(guī)范。 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)： （一）根據(jù)建筑用途、防護(hù)等級(jí)、地

8、震等級(jí)等確定建筑物荷載。（二）建筑材料選用：滿足規(guī)范和工程實(shí)際要求。（三）一般為超靜定結(jié)構(gòu)，彈性階段按結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算 。（四）截面計(jì)算原則：按總安全系數(shù)法進(jìn)行，對(duì)強(qiáng)度、裂縫和變形進(jìn)行驗(yàn)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(qiáng)度指標(biāo)：按相關(guān)規(guī)范規(guī)定。 5.3 荷載確定 5.3.3 巖土體壓力計(jì)算 對(duì)大多數(shù)地下工程，是至關(guān)重要的荷載。 其一，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的控制性因素； 其二，復(fù)雜性和不確定性，不敢，也不能掉以輕心。一、土壓力的計(jì)算 核心內(nèi)容：“土力學(xué)”中涉及的土各種壓力計(jì)算。且以淺“土”為主，問題要簡(jiǎn)單一些。 問題：淺“土力學(xué)”和深“土力學(xué)”問題

9、？ 巖石的“淺”、“深”問題更嚴(yán)重！5.3 荷載確定 二、 圍巖壓力的計(jì)算（參見教材P6369） 有多種計(jì)算理論與方法，常用有兩種：、按松散體理論計(jì)算（）垂直圍巖壓力的計(jì)算）淺埋結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)上部全部巖體重量作用于結(jié)構(gòu)上。垂直圍巖壓力：?jiǎn)栴}：上式計(jì)算是一種最不利的情況！5.3 荷載確定 通過圖（b)分析計(jì)算：當(dāng)深度大到一定時(shí)，圍巖壓力消失，顯然不合理。）深埋結(jié)構(gòu)：5.3 荷載確定 拱高度計(jì)算：該公式為世紀(jì)初開始應(yīng)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(yàn)或規(guī)范中得到。 特別指出：在地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，圍巖壓力取均布形式，并按 h 計(jì)算，可以得到類似教材64 圖3-1的結(jié)

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(jì)算 對(duì)松軟巖層要考慮水平圍巖壓力！ 一般計(jì)算：垂直圍巖壓力乘以側(cè)壓力系數(shù)（按主動(dòng)土壓力計(jì)算系數(shù)） 這樣可以分別得到淺埋和深埋結(jié)構(gòu)的水平圍巖壓力： 1、P67 公式3-13（有錯(cuò)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(cuò)誤！ 5.3 荷載確定 2 按圍巖分級(jí)和經(jīng)驗(yàn)公式確定圍巖壓力 理論計(jì)算均在簡(jiǎn)化模型基礎(chǔ)上得到的，有局限性。 根據(jù)工程實(shí)踐，提出經(jīng)驗(yàn)公式，更貼近工程實(shí)際！ 1）公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ026-90）（P6

11、566,特別標(biāo)注2004版新規(guī)范已出）： 2）鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（TB10003-2001，J117-2001）（P6667,特別標(biāo)注2005版新規(guī)范已出）： 圍巖壓力確定點(diǎn)評(píng)：我國(guó)多采用工程類比法，并采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論計(jì)算的方法進(jìn)行驗(yàn)算！5.3 荷載確定 5.3.4 彈性抗力計(jì)算（P71）地下建筑結(jié)構(gòu)特有的，區(qū)別于地面結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)之一。圍巖與結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)果。彈性抗力的描述方法有：以彈性理論為基礎(chǔ)的共同變形理論。較合理。 以文克爾假定為基礎(chǔ)的局部變形理論。計(jì)算較簡(jiǎn)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(yàn)或規(guī)范等。5.3 荷載確定 5.4.1 地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要模型與計(jì)

12、算方法（P1415）1、荷載結(jié)構(gòu)模型：2、地層結(jié)構(gòu)模型：3、經(jīng)驗(yàn)類比模型：我國(guó)隧道設(shè)計(jì)主要采用前3種。4、收斂限制模型：5.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型與計(jì)算方法5.4.2 荷載結(jié)構(gòu)法及設(shè)計(jì)模型示例1、淺埋在松散土中圓形隧道（整體式）結(jié)構(gòu)計(jì)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(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計(jì)算 按自由變形框架計(jì)算。具體計(jì)算可參見教材P8687（僅荷載部分）。 5.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型與計(jì)算方法1、淺埋在松散土中圓形隧道（整體式）結(jié)構(gòu)計(jì)算。 可以采用自由變形圓環(huán)法 主要特征：結(jié)構(gòu)可以自由變形。 （1）荷載計(jì)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：