地下建筑結(jié)構(gòu)荷載計算講解PPT

地下下建建筑筑結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)荷荷載載第四四章章本講講內(nèi)內(nèi)容容荷載載種種類類和和組組合合荷載載確確定定方方法法巖土土體體壓壓力力的的計計算算方方法法初始始地地應(yīng)應(yīng)力力、、釋釋放放荷荷載載與與開開挖挖效效應(yīng)應(yīng)彈性性抗抗力力其他他荷荷載載4.1荷載載種種類類和和組組合合4.1.1荷載載種種類類按存在在狀狀態(tài)態(tài)分為為：：靜荷荷載載、、動動荷荷載載和和活活荷荷載載等靜荷荷載載：：又稱稱恒恒載載。。是是指指長長期期作作用用在在結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)上上且且大大小小、、方方向向和和作作用用點點不不變變的的荷荷載載，，如如結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)自自重重、、巖土土體體壓壓力力、、彈彈性性抗抗力力和和地地下下水水壓壓力力等；活荷荷載載：：指在在結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)物物施施工工和和使使用用期期間間可可能能存存在在的的變變動動荷荷載載，，其其大大小小和和作作用用位位置置都都可可能能變變化化。。如地地下下建建筑筑物物內(nèi)內(nèi)部部的的樓樓板板地地面面荷荷載載（（人人群群物物件件和和設(shè)設(shè)備備重重量量））、、吊吊車車荷荷載載、、落石石荷荷載載等。。地地面面附附近近的的堆堆積積物物和和車車輛輛對對地地下下結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)作作用用的的荷荷載載以以及及施施工工安安裝裝過過程程中中的的臨臨時時性性荷荷載載。。動荷荷載載：：要求求具具有有一一定定防防護(hù)護(hù)能能力力的的地地下下建建筑筑物物，，需需考考慮慮原原子子武武器器和和常常規(guī)規(guī)武武器器（（炸炸彈彈、、火火箭箭））爆炸炸沖沖擊擊波波壓壓力力荷荷載載，這這是是瞬瞬時時作作用用的的動動荷荷載載；；在在抗抗震震區(qū)區(qū)進(jìn)進(jìn)行行地地下下結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)設(shè)計計時時，，應(yīng)應(yīng)計計算算地震震波波作用用下下的的動動荷荷載載作作用用。。其他他荷荷載載：：使結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)產(chǎn)產(chǎn)生生內(nèi)內(nèi)力力和和變變形形的的各各種種因因素素中中，，除除有有以以上上主主要要荷荷載載的的作作用用外外，，通通常常還還有有：：混凝凝土土材材料料收收縮縮（包包括括早早期期混混凝凝土土的的凝凝縮縮與與日日后后的的干干縮縮））、、溫度度變變化化等受受到到約約束束而而產(chǎn)產(chǎn)生生的的內(nèi)內(nèi)力力。。地下下結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)所所承承受受的的荷荷載載，，按按其其作用用特特點點及及使使用用中中可可能能出出現(xiàn)現(xiàn)的的情情況況分為為以以下下三三類類，，即即永永久久（（主主要要））荷荷載載、、可可變變（（附附加加））荷荷載載和和偶偶然然（（特特殊殊））荷荷載載:（1）永永久久（（主主要要））荷荷載載即長長期期作作用用的的恒恒載載，，主主要要包包括括：：結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)自自重重；；回回填填土土重重量量；；圍圍巖巖壓壓力力；；彈彈性性抗抗力力；；靜靜水水壓壓力力（（含含浮浮力力））；；混混凝凝土土收收縮縮和和徐徐變變影影響響力力、、預(yù)預(yù)加加應(yīng)應(yīng)力力及及設(shè)設(shè)備備自自重重等等。。地地層層壓壓力力和和結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)自自重重是是襯襯砌砌承承受受的的主主要要靜靜荷荷載載，，彈性性抗抗力力是是地地下下結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)所所特特有有的的被被動動荷荷載載。（2）可可變變（（附附加加））荷荷載載分為為基基本本可可變變荷荷載載和和其其它它可可變變荷荷載載兩兩類類。。基本本可可變變荷荷載載，即即長長期期的的、、經(jīng)經(jīng)常常作作用用的的變變化化荷荷載載，，如如吊吊車車荷荷載載、、設(shè)設(shè)備備重重量量、、地下下儲儲油油庫庫的的油油壓壓力力、車車輛輛、、人人員員等等荷荷重重人人群群荷荷載載等等。。其它它可可變變荷荷載載，即即非非經(jīng)經(jīng)常常作作用用的的變變化化荷荷載載，，如如溫度度變變化化、、施施工工荷荷載載（施施工工機(jī)機(jī)具具，，盾盾構(gòu)構(gòu)千千斤斤頂頂推推力力，，注注漿漿壓壓力力））等等。。（3）偶偶然然（（特特殊殊））荷荷載載偶然然發(fā)發(fā)生生的的荷荷載載，，如如地震震力力或戰(zhàn)戰(zhàn)時時發(fā)發(fā)生生的的武武器器爆爆炸炸沖沖擊擊動動荷荷載載。。4.1.2荷載載組組合合各種種荷荷載載對對結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)可可能能不不是是同同時時作作用用，，需需進(jìn)進(jìn)行行最最不不利利情情況況的的組組合合。。先先計計算算個個別別荷荷載載單單獨獨作作用用下下的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)各各部部件件截截面面的的內(nèi)內(nèi)力力，，再再進(jìn)進(jìn)行行最最不不利利的的內(nèi)內(nèi)力力組組合合，，得得出出各各設(shè)設(shè)計計控控制制截截面面的的最最大大內(nèi)內(nèi)力力。。最最不不利利的的荷荷載載組組合合一一般般有有以以下下幾幾種種情情況況：：（一一））靜靜載載；；（二二））靜靜載載+活載載；；（三三））靜靜載載+動載載（（原原子子爆爆炸炸動動載載、、炮炮（（炸炸））彈彈動動載載））4.1.2荷載載組組合合指將可能同時時出現(xiàn)在地下下結(jié)構(gòu)上的荷荷載進(jìn)行編組組，取其最不不利組合作為為設(shè)計荷載，，以最危險截截面中最大內(nèi)內(nèi)力值作為設(shè)設(shè)計依據(jù)。我國公路和鐵鐵路隧道設(shè)計計規(guī)范中給出出的永久、可可變及偶然荷荷載（在鐵路隧道設(shè)設(shè)計規(guī)范中采采用概率極限限狀態(tài)設(shè)計法法時稱為作用用）參見表4-1和表4-2。表4-1公路隧道設(shè)計計規(guī)范（JTJ026-90）的隧道荷載載編號荷載分類荷載名稱1永久荷載（恒載）圍巖壓力2結(jié)構(gòu)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(shè)計隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)時，按其可可能出現(xiàn)的最最不利情況組組合。表4-2鐵隧道設(shè)計規(guī)規(guī)范（TB10003-2001,J117-2001）的隧道作用用（荷載）分分類編號荷載分類荷載名稱荷載分類1永久作用結(jié)構(gòu)自重恒載主要荷載2結(jié)構(gòu)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(shè)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荷載的確定方方法4.2.1確定依據(jù)據(jù)(1)依據(jù)規(guī)范范：當(dāng)前在地地下建筑筑結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計中試試行的規(guī)規(guī)范、技技術(shù)措施施、條例例等有多多種。有有的仍沿沿用地面面建筑的的設(shè)計規(guī)規(guī)范，設(shè)計時應(yīng)應(yīng)遵守各各有關(guān)規(guī)規(guī)范。。(2)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)1）根據(jù)建筑用途途、防護(hù)護(hù)等級、、地震等等級等確定。。2）地下建建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)材料的選選用3）地下襯襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)一般為為超靜定定結(jié)構(gòu)，，其內(nèi)力在彈性階階段可按按結(jié)構(gòu)力力學(xué)計算?？紤]抗抗爆動載載時，允允許考慮慮由塑性性變形引引起的內(nèi)內(nèi)力重分分布。4.2荷載的確確定方法法3）截面計計算原則則結(jié)構(gòu)截面面計算時時，按總安全系系數(shù)法進(jìn)行，，一般進(jìn)進(jìn)行強(qiáng)度、裂裂縫（抗裂度度或裂縫縫寬度））和變形的的驗算等?；炷梁痛u磚石結(jié)構(gòu)構(gòu)僅需進(jìn)進(jìn)行強(qiáng)度度計算，，并在必必要時驗驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)的穩(wěn)定定性。鋼筋混凝凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)在施工和和正常使使用階段段的靜荷荷載作用用下，除按強(qiáng)度度計算外外，一般般應(yīng)驗算算裂縫寬寬度，根據(jù)工工程的重重要性，，限制裂裂縫寬度度小于0.10~0.20mm，但不允允許出現(xiàn)現(xiàn)通透裂裂縫。對對較重要要的結(jié)構(gòu)構(gòu)則不能能開裂，，即驗算算抗裂度度。鋼筋混凝凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)在爆炸動動載作用用下只需進(jìn)行行強(qiáng)度計計算，不不作裂縫縫驗算。4）安全系系數(shù)結(jié)構(gòu)在靜靜載作用用下的安全系數(shù)數(shù)可參照有有關(guān)規(guī)范范確定。對于地下下建筑結(jié)結(jié)構(gòu)，如如施工條條件差，，不易保保證質(zhì)量量和荷載載變異大大時，對對混凝土土和鋼筋筋砼結(jié)構(gòu)構(gòu)需考慮慮用附加加安全系系數(shù)1.1。靜載下的的抗裂安安全系數(shù)數(shù)不小于于1.25，視工程程重要性性，可予予提高。。結(jié)構(gòu)在爆爆炸荷載載作用下下，由于于爆炸時時間較短短，而荷荷載很大大，為使使結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計經(jīng)濟(jì)濟(jì)和配筋筋合理，，其安全全系數(shù)可可以適當(dāng)當(dāng)降低。。5）材料強(qiáng)強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)一般采用用工業(yè)與民民用建筑筑規(guī)范中中的規(guī)定定值，亦亦可根據(jù)據(jù)實際情情況，參參照水利利、交通通、人防防和國防防等專門門規(guī)范。結(jié)構(gòu)在動動載作用用下，材材料強(qiáng)度度可以提提高；提提高系數(shù)數(shù)見有關(guān)關(guān)規(guī)定。。4.3巖土體壓壓力的計計算方法法土壓力是是土與擋擋土結(jié)構(gòu)構(gòu)之間相相互作用用的結(jié)果果，它與結(jié)構(gòu)的的變位有有著密切切關(guān)系。以擋土墻墻為例，，作用在在擋土墻墻墻背上上的土壓壓力可以以分為靜止土壓壓力、主主動土壓壓力（往往往簡稱稱土壓力力）和被被動土壓壓力（往往簡簡稱土抗抗力）三三種，其其中主動動土壓力力值最小小，被動動土壓力力值最大大，而靜靜止土壓壓力值介介于兩者者之間。。2.3.1經(jīng)典土壓壓力理論論軟土地區(qū)區(qū)淺埋的的地下工工程，采采用““土柱理理論”計計算。豎向土壓壓力即為為結(jié)構(gòu)頂頂蓋上整整個土柱柱的全部部重量。側(cè)向土壓壓力經(jīng)典典理論主主要是庫庫倫（Coulomb）理論和和朗肯（（Rankine）理論。。靜止土壓壓力計算算一般采采用彈性性理論，它也可可以稱為為經(jīng)典理理論。盡管上述述經(jīng)典土土壓力理理論存在在許多不不足之處處，但是是在工程界界仍然得得到廣泛泛應(yīng)用。4.3.2圍巖壓力力的計算算（一）圍圍巖壓力力及其影影響因素素1、圍巖巖壓力的的概念圍巖壓力力是指位位于地下下結(jié)構(gòu)周周圍變形形及破壞壞的巖層層，作用用在襯砌砌或支撐撐上的壓壓力。洞室開挖挖之前，，地層中中的巖體體處于復(fù)復(fù)雜的原原始應(yīng)力力平衡狀狀態(tài)。洞洞室開挖挖之后，，圍巖中中的原始始應(yīng)力平平衡狀態(tài)態(tài)遭到破破壞，應(yīng)應(yīng)力重新新分布，，從而使使圍巖產(chǎn)產(chǎn)生變形形。當(dāng)變變形發(fā)展展到巖體體極限變變形時，，巖體就產(chǎn)生破破壞。如在圍巖發(fā)發(fā)生變形時及及時進(jìn)行襯砌砌或圍護(hù)，阻阻止圍巖繼續(xù)續(xù)變形，防止止圍巖塌落，，則圍巖對襯襯砌結(jié)構(gòu)就要要產(chǎn)生壓力，，即所謂的圍圍巖壓力。。圍巖壓力可分分為圍巖垂直直壓力、圍巖巖水平壓力及及圍巖底部壓壓力。2、影響圍巖巖壓力的因素素影響圍巖壓力力的因素很多多，主要與巖體體的結(jié)構(gòu)、巖巖石的強(qiáng)度、、地下水的作作用、洞室的的尺寸與形狀狀、支護(hù)的類類型和剛度、、施工方法、、洞室的埋置置深度和支護(hù)護(hù)時間等因素素相關(guān)。其中，巖體穩(wěn)穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于巖體體結(jié)構(gòu)面的類類型和特征。按圍巖壓力及及作用分：支護(hù)結(jié)構(gòu)理論論的發(fā)展可以以劃分為三個個階段：第一階段：古古典巖土壓力力理論階段興起于20世紀(jì)20年代以前，代代表性人物主主要有海姆（（A.Haim）、朗肯（W.J.M.Rankine）和金尼克（（A.H.Диииик）。認(rèn)為作用在支支護(hù)結(jié)構(gòu)上的的壓力是其上上覆巖層的重重量，側(cè)壓力力方面，海姆姆認(rèn)為側(cè)壓系系數(shù)為1，朗肯根據(jù)松松散體理論認(rèn)認(rèn)為是，而金金尼克根據(jù)彈彈性理論認(rèn)為為是μ/(1-μ)（μ為巖體的泊松松比）。當(dāng)時時地下工程埋埋藏深度不大大，一度被認(rèn)認(rèn)為是正確的的。第二階段：散散體壓力理論論階段代表性人物是是泰沙基（K.Terzaghi，太沙基）和和普羅托季亞亞科諾夫（普普氏，M.M.Лротдъъяконоов）。認(rèn)為當(dāng)?shù)叵鹿すこ搪癫厣疃榷容^大時，支支護(hù)上的壓力力只是圍巖坍坍落拱內(nèi)松動動巖體的重量量，坍落拱的的高度與地下下工程的跨度度及圍巖的性性質(zhì)有關(guān)。太沙基認(rèn)為坍坍落拱為矩形形，而普羅托托季亞科諾夫夫認(rèn)為是拋物物線形。并通過假定抗力的形形式考慮圍巖與結(jié)結(jié)構(gòu)的相互作作用。采用荷載—結(jié)構(gòu)法進(jìn)行結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算算。第三階段：共共同作用理論論階段沒能科學(xué)地確確定坍落拱的的高度及其形形成過程，更更沒有認(rèn)識到到穩(wěn)定圍巖和充充分發(fā)揮圍巖巖的自承作用用問題。20世紀(jì)50年代以來，巖巖石力學(xué)開始始成為一門獨獨立的學(xué)科，，圍巖彈性、、彈塑性及粘粘彈性解答逐逐步出現(xiàn)，錨錨（桿）噴（（射混凝土））支護(hù)及新奧奧法（新奧地地利隧道設(shè)計計施工）的興興起，終于形形成了以巖石石力學(xué)原理（（圍巖）及彈彈性力學(xué)（結(jié)結(jié)構(gòu)）為基礎(chǔ)礎(chǔ)的、考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)與圍巖共同同作用的地下下現(xiàn)代支護(hù)理理論。我國采用較多多的仍是以散散體壓力理論論為基礎(chǔ)的荷載——結(jié)構(gòu)法，一方面該理理論發(fā)展時間間較長，有較較多經(jīng)驗，另另一方面是該該計算理論形形式簡單，比比較容易為工工程設(shè)計人員員所掌握。只對圓形斷面面才有封閉的的解析解，設(shè)設(shè)計中一般作作為校核，但但近年來地層——結(jié)構(gòu)法得到了越來越越廣泛的應(yīng)用用。地下結(jié)構(gòu)的計計算理論（按按地下結(jié)構(gòu)分分）：1、剛性結(jié)構(gòu)階階段剛性結(jié)構(gòu)的計計算理論，如如壓力線理論論等。背景：十九世世紀(jì)磚石結(jié)構(gòu)構(gòu)流行分析方法：三三鉸拱靜定體體系設(shè)計準(zhǔn)則：2、彈性結(jié)構(gòu)階階段背景：十九世世紀(jì)未混凝土土、鋼筋混凝凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)現(xiàn)分析方法：彈彈性連續(xù)拱形形框架體系設(shè)計準(zhǔn)則：混混凝土設(shè)計規(guī)規(guī)范3、假定抗力階階段背景：(1910年O.Kommerall；….)1934年Зурабоов，бугаевва分析方法：鐮鐮刀形抗力圖圖形作為荷載載計算設(shè)計準(zhǔn)則：分析方法：抗抗力大小，及及其位置均由由計算決定在主動荷載作作用下發(fā)生彈彈性變形的同同時，將受到到地層對其變變形產(chǎn)生的約約束作用。將將這類約束作作用假設(shè)為彈彈性抗力，地地下結(jié)構(gòu)計算算理論便有了與地面結(jié)結(jié)構(gòu)不同的特特點。彈性抗力結(jié)構(gòu)在主動荷荷載作用下，，要產(chǎn)生變形形。以隧道工工程為例，如如圖所示的曲曲墻拱形結(jié)構(gòu)構(gòu)，在主動荷荷載（垂直荷荷載大于水平平荷載）作用用下，產(chǎn)生的的變形如虛線線所示：4、連續(xù)介質(zhì)力力學(xué)理論計算機(jī)數(shù)值方方法與設(shè)計CAD1966年S.F.Reyes,D.U.Deere圓形隧道的彈彈塑性屈服準(zhǔn)準(zhǔn)則應(yīng)用1968年O.C.Zienkiewicz無拉分