5 地下建筑结构设计(5)

*,建筑工程学院,CACE,5.1,结构型式、分类与选择；,5.2,结构设计的主要内容；,5.3,荷载确定（难点、重点）；,5.4,结构设计模型与计算方法。,5,地下建筑结构设计,5.1,结构型式、分类与选择,结构型式影响因素：,（1）受力条件（地层条件）：,（2）使用要求（使用目的）：,（3）施工方案（施工技术）：在地层条件和使用目的相同条件下，施工方法不同，结构型式也不同！,土层地下建筑结构：,（1）附建式结构：,房屋建筑下面的地下室,分类方案一：按土、岩分别对待,（2）浅埋式结构：,覆土厚度仅510,m,左右,(,薄,),；覆土厚度小于结构尺寸；,多采用明挖法施工。,（,3,）沉井（箱）结构：,沉井施工时需要在沉井底部挖土，顶部出土 。,（,4,）盾构法结构：,盾构推进时，以圆形为最宜，故常采用装配式圆形衬砌,（,5,）连续墙结构：,先建造两条连续墙，然后在中间挖土，修建底板、顶板和中间楼层,（,6,）沉管法结构：,一般做成箱形结构，二端加以临时封门，运至预定水面处，沉放到设计位置，,（,7,）其它：,比如，顶管结构等。,岩石地下建筑结构：,（,1,）拱形结构：最常用！多采用矿山法暗挖施工。,（,2,）喷锚结构：,（,3,）穹顶结构（按教材定义，称为一种薄壳结构，中间无柱或墙）：,（,4,）复合结构：,该分类点评：,1,、总体以施工工艺为主线进行分类，特别是土层中的分类。,2,、岩石中的分类有点乱，前两种以施工工艺为主线，后两种以构造形式为依据。,（1）拱形结构：,（,2,）圆形和矩形管状结构：,（,3,）框架结构：,（,4,）薄壳结构：,（,5,）异形结构：,注意：教材中有关结构设计、计算等相关问题是按照该分类方案展开论述的！本次讲课只涉及其中一小部分内容。,分类方案二：按构造形式不同（教材,P72,75,）,（1）拱形结构：前面讲的“拱形结构”,+,喷锚结构,分类方案二：按构造形式不同,（,2,）圆形和矩形管状结构：,（,3,）框架结构：,（,4,）薄壳结构：,（,5,）异形结构：,该分类点评：,分类方案二：按构造形式不同,分两个阶段：初步设计；技术设计（包括施工图）。,初步设计内容：,（一）工程等级和要求，以及静、动载标准的确定；,（二）确定埋置深度与施工方法；,（三）草算荷载值；,（四）选择建筑材料；,（五）选定结构型式和布置；,（六）估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度主要尺寸；,（七）绘制初步设计结构图；,（八）估算工程材料数量及财务概算。,5.2,结构设计的主要内容,在初步设计批准后开始技术设计。主要内容：,（一）计算荷载：求出作用在结构上的各种荷载值；,（二）计算简图：拟定出恰当的计算图式；,（三）内力分析：选择结构内力计算方法，得出控制截面的内力；,（四）内力组合：对最不利的内力组合，求出各控制截面的最大设计内力值；,（五）配筋设计：计算得出受力钢筋，并确定分布钢筋与架立钢筋；,（六）绘制结构施工详图：结构平面图，结构构件配筋图，节点详图，内部设备的预埋件图等。,注意：与地面结构设计比较！,PART A,横向框架的设计：,将一个空间结构简化成单位米长的平面结构进行分析。,示例 隧道结构设计要点,PART B,纵向设计：,纵向配筋，沿纵向是否需要分段，每段长度多少等。,变形缝的设置：伸缩缝、沉降缝。,变形缝间的隧道区段，视作截面为箱形的弹性地基梁计算。,PART C,出入口设计：,规模小但较复杂，有竖井、斜井、楼梯、三防房间、防护门等结构。,出入口结构应与主体结构等强度。,难题：荷载计算，特别是围岩压力计算复杂，地下结构与围岩关系非常复杂！,一方面，围岩给地下结构施加围岩压力，即荷载；另一方面，围岩又帮助地下结构承受荷载，减少结构的内力。,注意以下几个问题：,1,、地下结构荷载特征：围岩与地下结构相互作用。,有别于地面结构的显著特征,。,2,、相互作用的效果主要取决于地层条件以及结构与地层的相对刚度。,对于稳固地层，地层刚度大于结构刚度，地层约束作用大，而产生的围岩压力小。,对于不稳固地层，结构刚度大于地层刚度，地层约束作用小，甚至忽略不计，则产生的围岩压力大。,5.3,荷载确定,3,、围岩与地下结构相互作用非常复杂！加上地下结构受力特征还与施工工艺有关，导致所谓的“结构计算”无法成为精确的设计依据。,4,、地下结构设计通用做法：采用结构计算、经验判断和实测相结合的信息化设计施工方法。,5.3,荷载确定,5.3.1,荷载种类：,（一）永久荷载：也称恒载：,长期作用在结构上且大小、方向与作用点不变，如结构自重、围岩（土）压力和地下水压力等，还有弹性抗力（地下结构特有的）。,（二）可变荷载：也称活荷载：,在结构物施工和使用期间可能存在的变动荷载，其大小和作用位置都可能变化。又可细分为基本可变（经常作用的）和其它可变（非经常作用的）荷载。,（三）偶然荷载：,原子武器和常规武器（炸弹、火箭）爆炸冲击波压力荷载；在抗震区计算地震波作用下的动荷载作用。,特别说明：各种荷载不一定同时存在！采用可能的荷载组合。,荷载组合：取最不利组合作为设计荷载，以最危险截面中最大内力值作为设计依据。,5.3,荷载确定,5.3.2,荷载确定方法：一般按使用的规范和设计标准确定。,使用规范：,设计时遵守各有关规范。有的沿用地面建筑的设计规范。,设计标准：,（一）根据建筑用途、防护等级、地震等级等确定建筑物荷载。,（二）建筑材料选用：满足规范和工程实际要求。,（三）一般为超静定结构，弹性阶段按结构力学计算 。,（四）截面计算原则：按总安全系数法进行，对强度、裂缝和变形进行验算。,（五）安全系数：可参见规范。一般施工条件差，比如现浇混凝土要考虑附加安全系数。,（六）材料强度指标：按相关规范规定。,5.3,荷载确定,5.3.3,岩土体压力计算,对大多数地下工程，是,至关重要的荷载,。,其一，结构设计计算的控制性因素；,其二，复杂性和不确定性，不敢，也不能掉以轻心。,一、土压力的计算,核心内容：“土力学”中涉及的土各种压力计算。且以浅“土”为主，问题要简单一些。,问题：浅“土力学”和深“土力学”问题？,岩石的“浅”、“深”问题更严重！,5.3,荷载确定,二、 围岩压力的计算（参见教材,P63,69,）,有多种计算理论与方法，常用有两种：,、按松散体理论计算,（）垂直围岩压力的计算,）浅埋结构：结构上部全部岩体重量作用于结构上。垂直围岩压力：,问题：上式计算是一种最不利的情况！,5.3,荷载确定,通过图（,b),分析计算：,当深度大到一定时，围岩压力消失，显然不合理。,）深埋结构：,5.3,荷载确定,拱高度计算：,该公式为世纪初开始应用的，由普洛托季雅科诺夫提出，称普氏理论。其中，为普氏系数，可通过工程经验或规范中得到。,特别指出：在地下结构设计中，围岩压力取均布形式，并按,h,计算，可以得到类似教材,64,图,3-1,的结果。,5.3,荷载确定,问题：深埋和浅埋的界定（,P63,）：,重要概念：围岩分类（完整性）,5.3,荷载确定,（,2,）水平围岩压力的计算,对,松软岩层要考虑水平围岩压力,！,一般计算：垂直围岩压力乘以侧压力系数（按主动土压力计算系数）,这样可以分别得到浅埋和深埋结构的水平围岩压力：,1,、,P67,公式,3-13,（有错误）；,2,、,P64,公式,3-14,。,注意：,P67,公式,3-13,参数注释中的“,S”,是多余的！错误！,5.3,荷载确定,2,按围岩分级和经验公式确定围岩压力,理论计算均在简化模型基础上得到的，有局限性。,根据工程实践，提出经验公式，更贴近工程实际！,1,）公路隧道设计规范（,JTJ026-90,）（,P65,66,特别标注,2004,版新规范已出,）：,2,）铁路隧道设计规范（,TB10003-2001,，,J117-2001,）（,P66,67,特别标注,2005,版新规范已出,）：,围岩压力确定点评：我国多采用工程类比法，并采用现场实测和理论计算的方法进行验算！,5.3,荷载确定,5.3.4,弹性抗力计算（,P71,）,地下建筑结构特有的，区别于地面结构的显著特点之一。围岩与结构相互作用的结果。弹性抗力的描述方法有：,以弹性理论为基础的共同变形理论。较合理。,以文克尔假定为基础的局部变形理论。计算较简单，一般能满足工程精度要求，多采用。,弹性抗力系数确定：工程经验或规范等。,5.3,荷载确定,5.4.1,地下结构设计主要模型与计算方法（,P14,15,）,1、荷载结构模型：,2,、地层结构模型：,3,、经验类比模型：,我国隧道设计主要采用前,3,种。,4,、收敛限制模型：,5.4,结构设计模型与计算方法,5.4.2,荷载结构法及设计模型示例,1、浅埋在松散土中圆形隧道（整体式）结构计算,采用自由变形圆环法（教材,P79,81,）。,2,、浅埋在松散土中矩形结构的结构计算,按自由变形框架计算。具体计算可参见教材,P86,87,（仅荷载部分）。,5.4,结构设计模型与计算方法,1,、浅埋在松散土中圆形隧道（整体式）结构计算。,可以采用自由变形圆环法,主要特征：结构可以自由变形。,（,1,）荷载计算：,1,、环自重： 公式,3-41,2,、竖向地层压力： 公式,3-45,3,、水平地层压力： 公式,3-46,4,、静水压力： 公式,3-47,5,、地基反力：竖向作用力的反力。 公式,3-48,（,2,）内力计算：教材仅给出原则性求解过程（略）。,实际工作时，采用内力的查表计算。,2,、浅埋在松散土中矩形结构的结构计算。,地铁车站、通道等一般采用框架结构，部分浅埋区间隧道也有采用矩形结构。,对于浅埋（松散）矩形结构，同理，可按,自由变形,框架计算。关键部分：荷载计算。,5.4.3,地层结构法及设计模型简介（,91,94,）,5.4,结构设计模型与计算方法,