第4章 地下建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法

第4章地下建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算方法地下建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的發(fā)展地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法荷載-結(jié)構(gòu)法地層-結(jié)構(gòu)法4.1

地下建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的發(fā)展19世紀(jì)以前采用經(jīng)驗(yàn)方法19世紀(jì)初，將地下結(jié)構(gòu)作為剛性結(jié)構(gòu)19世紀(jì)后期，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，按照框架結(jié)構(gòu)計(jì)算20世紀(jì)中期，開始考慮地層的彈性抗力20世紀(jì)70年代，數(shù)值計(jì)算方法被引入4.2

地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法荷載-結(jié)構(gòu)方法根據(jù)地層壓力計(jì)算荷載結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算內(nèi)力構(gòu)件截面設(shè)計(jì)常用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計(jì)算隔離體梁、剛架、拱的內(nèi)力計(jì)算梁、剛架、拱的位移計(jì)算梁、剛架、拱的內(nèi)力圖q(x)Q(x)+dQ(x)M(x)+dM(x)Q(x)M(x)dx剪力圖上某點(diǎn)處的切線斜率等于該點(diǎn)處荷載集度的大小。彎矩圖上某點(diǎn)處的切線斜率等于該點(diǎn)處剪力的大小。dxxq(x)靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算方法當(dāng)結(jié)構(gòu)只受載荷作用的影響時(shí)，支座不移動(dòng)c＝0，位移計(jì)算公式為：du、dv、d

為微段的變形靜定結(jié)構(gòu)位移計(jì)算的一般公式超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計(jì)算力法位移法力矩分配法矩陣位移法彈性地基梁力法：以多余力為基本未知量位移條件求多余力其它反力內(nèi)力位移法：結(jié)點(diǎn)位移為基本未知量平衡條件求位移桿端彎矩內(nèi)力力法與位移法轉(zhuǎn)動(dòng)剛度：使A端旋轉(zhuǎn)單位角度時(shí)，在A端需加的力矩稱為AB桿在A端的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。表示：SABABMAB=1=1lABSAB=1l力矩分配法14532M分配系數(shù)：力矩平衡方程：

1力矩分配法的解題步驟（1）在剛結(jié)點(diǎn)處加上附加剛臂，使原結(jié)構(gòu)成為單跨靜定梁的組合體，計(jì)算分配系數(shù)。（結(jié)構(gòu)處于鎖住狀態(tài)）（2）計(jì)算桿端的固端彎矩，求結(jié)點(diǎn)不平衡力矩。（3）將不平衡力矩反號(hào)后，按分配系數(shù)、傳遞系數(shù)進(jìn)行分配、傳遞。（將鎖住的結(jié)點(diǎn)放松）（4）將各桿的固端彎矩、分配彎矩和傳遞彎矩相加求得各桿的最后彎矩。（5）繪內(nèi)力圖。工程類比法地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)受到多種復(fù)雜因素的影響，理論計(jì)算存在很多不確定性，計(jì)算結(jié)果的合理性需借助經(jīng)驗(yàn)類比方法進(jìn)行判斷地層-結(jié)構(gòu)方法將襯砌與地層作為整體，在滿足變形協(xié)調(diào)條件下分別計(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，進(jìn)行構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)常用數(shù)值模擬方法有限元法基本思路：將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)看成由有限個(gè)僅在結(jié)點(diǎn)處聯(lián)結(jié)的整體，首先對(duì)每一個(gè)單元分析其特性，建立相關(guān)物理量之間的相互聯(lián)系。然后，依據(jù)單元之間的聯(lián)系再將各單元組裝成整體，從而獲得整體特性方程，應(yīng)用方程相應(yīng)的解法，即可完成整個(gè)問(wèn)題的分析分析過(guò)程：結(jié)構(gòu)離散化確定單元位移模式單元特性分析集成總體特性接方程求未知量有限差分法有限差分方法是將所有研究區(qū)域內(nèi)的基本控制微分物理方程與邊界條件近似差分方程表示，而將求解微分方程的問(wèn)題變成在研究區(qū)域內(nèi)特殊點(diǎn)上求解代數(shù)方程的問(wèn)題工程實(shí)例牛欄江—滇池補(bǔ)水工程庫(kù)內(nèi)泵站地下洞室群圍巖穩(wěn)定性分析近年來(lái)，云南省滇池流域由于水環(huán)境不斷惡化，水資源極度匱乏，嚴(yán)重制約了該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展；牛欄江——滇池補(bǔ)水工程除為滇池補(bǔ)水、治理滇池污染外，還立足長(zhǎng)遠(yuǎn)緩解了昆明、曲靖的水資源短缺問(wèn)題；作為牛欄江——滇池補(bǔ)水工程的核心項(xiàng)目之一庫(kù)內(nèi)泵站的地下洞室群，總共投資44.04億元。庫(kù)內(nèi)地下洞室群平面布置圖地下廠房位于干河右岸，廠區(qū)巖溶發(fā)育，廠房地下埋深約110m，洞室均位于地下水位以下，外水壓力達(dá)0.42～0.58MPa，地下水涌水量大。邊墻局部穩(wěn)定性差，以Ⅲ類圍巖為主，因地下廠房跨度大，不排除遇溶洞的可能性頂拱易產(chǎn)生掉塊、塌方，頂拱巖體也以III類圍巖為主。所以圍巖穩(wěn)定問(wèn)題是庫(kù)內(nèi)泵站地下廠房的主要問(wèn)題工程問(wèn)題計(jì)算網(wǎng)格整個(gè)三維模型尺寸為348m×370m×282m，整個(gè)模型由581202個(gè)單元和99785個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，計(jì)算網(wǎng)格如圖所示庫(kù)內(nèi)泵站江地下洞室群幾何模型調(diào)壓井模型網(wǎng)格

主廠房模型網(wǎng)格

交通洞模型網(wǎng)格

通風(fēng)洞模型網(wǎng)格

引水隧洞模型網(wǎng)格

工作豎井模型網(wǎng)格

壓力管道模型網(wǎng)格

計(jì)算條件邊界條件和初始應(yīng)力條件：計(jì)算模型除邊坡設(shè)為自由邊界外，模型底部(z=1620m)設(shè)為固定約束邊界，模型四周設(shè)為法向約束邊界。在初始條件中考慮水平構(gòu)造應(yīng)力為自重應(yīng)力的1.5倍。支護(hù)：根據(jù)設(shè)計(jì)支護(hù)方案，各地下廠房及洞室均考慮襯砌支護(hù)，施加襯砌支護(hù)時(shí)考慮圍巖應(yīng)力釋放70%。主廠房襯砌為掛網(wǎng)噴混凝土結(jié)構(gòu)，拱頂厚度1m，邊墻厚度為1.5m?？尚行匝芯繄?bào)告中建議拱頂施加15~20m預(yù)應(yīng)力錨索，邊墻隨機(jī)4~6m錨桿支護(hù)，在廠房開挖過(guò)程中未考慮錨桿和錨索支護(hù)計(jì)算過(guò)程所考慮的地下洞室群中，壓力管道、施工井、通風(fēng)管和交通洞一次性挖除，主廠房和調(diào)壓井分九層開挖。主廠房分層開挖所對(duì)應(yīng)的高程如圖所示模型所再用巖體力學(xué)參數(shù)如表所示材料容重(kg/m3)內(nèi)聚力C(MPa)內(nèi)摩擦角φ(°)彈性模量E(GPa)泊松比μ抗拉強(qiáng)度（MPa）III類圍巖27000.73770.270.5弱風(fēng)化灰?guī)r27000.4340.750.270.5襯砌2700348300.1672計(jì)算步驟：考慮到設(shè)計(jì)院提出的施工方案，并結(jié)合計(jì)算分析的需要，這里將本次計(jì)算分析采用的計(jì)算步驟簡(jiǎn)述如下：

1、計(jì)算初始地應(yīng)力（在天然地下水位下），按水平構(gòu)造應(yīng)力豎向應(yīng)力的1.5倍考慮；

2、開挖交通洞，并考慮其襯砌支護(hù)；

3、開挖工作井，并考慮其襯砌支護(hù)；

4、開挖通風(fēng)管，并考慮其襯砌支護(hù)；

5、開挖第一層主廠房，考慮圍巖應(yīng)力釋放70%；

6、施加第一層襯砌結(jié)構(gòu)