第4章地下建筑结构的计算方法

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,4,章 地,下,下建筑,结,结构计,算,算方法,地下建,筑,筑结构,计,计算方,法,法的发,展,展,地下建,筑,筑结构,的,的设计,方,方法,荷载,-,结构法,地层,-,结构法,4.1,地下建,筑,筑结构,计,计算方,法,法的发,展,展,19,世纪以,前,前采用,经,经验方,法,法,19,世纪初,，,，将地,下,下结构,作,作为刚,性,性结构,19,世纪后,期,期，钢,筋,筋混凝,土,土结构,的,的出现,，,，按照,框,框架结,构,构计算,20,世纪中,期,期，开,始,始考虑,地,地层的,弹,弹性抗,力,力,20,世纪,70,年代，,数,数值计,算,算方法,被,被引入,4.2,地下建,筑,筑结构,的,的设计,方,方法,荷载,-,结构方,法,法,根据地,层,层压力,计,计算荷,载,载,结构力,学,学方法,计,计算内,力,力,构件截,面,面设计,常用结,构,构力学,方,方法,静定结,构,构内力,与,与位移,计,计算,隔离体,梁、刚,架,架、拱,的,的内力,计,计算,梁、刚,架,架、拱,的,的位移,计,计算,梁、刚,架,架、拱,的,的内力,图,图,q(x),Q(x)+d Q(x),M(x)+d M(x),Q(x),M(x),dx,剪力图,上,上某点,处,处的切,线,线斜率,等,等于该,点,点处荷,载,载集度,的,的大小,。,。,弯矩图,上,上某点,处,处的切,线,线斜率,等,等于该,点,点处剪,力,力的大,小,小。,d,x,x,q(x),静定结,构,构内力,计,计算方,法,法,当结构,只,只受载,荷,荷作用,的,的影响,时,时，支,座,座不移,动,动,c0,，,位移计,算,算公式,为,为：,du、dv、d,为微段,的,的变形,静定结,构,构位移,计,计算的,一,一般公,式,式,超静定,结,结构内,力,力与位,移,移计算,力法,位移法,力矩分,配,配法,矩阵位,移,移法,弹性地,基,基梁,力法：,以多余,力,力为基,本,本未知,量,量,位移条,件,件求多,余,余力,其它反,力,力内力,位移法,：,：,结点位,移,移为基,本,本未知,量,量,平衡条,件,件求位,移,移,杆端弯,矩,矩内力,力法与,位,位移法,转动刚,度,度：,使,A,端旋转,单,单位角,度,度时，,在,在,A,端需加,的,的力矩,称,称为,AB,杆在,A,端的转,动,动刚度,。,。,表示：,S,AB,A,B,M,AB,=1,=1,l,A,B,S,AB,=1,l,力矩分,配,配法,1,4,5,3,2,M,分配系,数,数：,力矩平,衡,衡方程,：,：,1,力矩分,配,配法的,解,解题步,骤,骤,（,1,）在刚,结,结点处,加,加上附,加,加刚臂,，,，使原,结,结构成,为,为单跨,静,静定梁,的,的组合,体,体，计,算,算分配,系,系数。,（,（结构,处,处于锁,住,住状态,）,）,（,3,）将不平衡力矩反号后，按分配系数、传递系数进行分配、传递。（将锁住的结点放松）,（,4,）将各杆的固端弯矩、分配弯矩和传递弯矩相加求得各杆的最后弯矩。,（,5,）绘内力图。,工程,类,类比,法,法,地下,建,建筑,结,结构,地层,-,结构方法,将衬砌与,地,地层作为,整,整体，在,满,满足变形,协,协调条件,下,下分别计,算,算衬砌与,地,地层的内,力,力，并据,以,以验算地,层,层的稳定,性,性，进行,构,构件的截,面,面设计,常用数值,模,模拟方法,有限元法,基本思路,：,：将复杂的结,构,构看成由,有,有限个仅,在,在结点处,联,联结的整,体,分析过程：,结构离散,化,化,确定单元,位,位移模式,单元特性,分,分析,集成总体,特,特性,接方程求,未,未知量,有限差分,法,法,有限差分,方,方法是将,所,所有研究,区,区域内的,基,基本控制,微,微分物理,方,方程与边,界,界条件近,似,似差分方,程,程表示，,而,而将求解,微,微分方程,的,的问题变,成,成在研究,区,区域内特,殊,殊点上求,解,解代数方,程,程的问题,工程实例,牛栏江,滇池补水,工,工程库内,泵,泵站地下,洞,洞室群围,岩,岩稳定性,分,分析,近年来，,云,云南省滇,池,池流域由,于,于水环境,不,不断恶化,，,，水资源,极,极度匮乏,，,，严重制,约,约了该地,区,区经济社,会,会可持续,发,发展；,牛栏江,滇池补水,工,工程除为,滇,滇池补水,、,、治理滇,池,池污染外,，,，还立足,长,长远缓解,了,了昆明、,曲,曲靖的水,资,资源短缺,问,问题；,作,为,为,牛,牛,栏,栏,江,江,滇,池,池,补,补,库,内,内,地,地,下,下,洞,洞,室,室,群,群,平,平,面,面,布,布,置,边墙局部稳定性差，以,类围岩为主，因地下厂房跨度大，不排除遇溶洞的可能性,顶拱易产生掉块、塌方，顶拱岩体也以,III,类围岩为主。,所以围岩稳定问题是库内泵站地下厂房的主要问题,工,程,程,问,问,题,题,计,算,算,网,网,格,格,整,个,个,三,三,维,维,模,模,型,型,尺,尺,寸,寸,为,为,348m,370m,282m,，,整,整,个,个,模,模,型,型,由,由,581202,个,单,单,元,元,和,和,99785,个,节,节,点,点,组,组,成,成,，,，,计,计,算,算,网,网,格,格,如,如,图,图,所,所,示,示,库内泵站江,地,地下洞室群,几,几何模型,调压井模型,网,网格,主厂房模型,网,网格,交通洞模型,网,网格,通风洞模型,网,网格,引水隧洞模,型,型网格,工作竖井模,型,型网格,压力管道模,型,型网格,计算条件,边界条件和,初,初始应力条,件,件：计算模,型,型除边坡设,为,为自由边界,外,外，模型底,部,部,(z=1620m),设为固定约,束,束边界，模,型,型四周设为,法,法向约束边,界,界。在初始,条,条件中考虑,水,水平构造应,力,力为自重应,力,力的,1.5,倍。,支护：根据,设,设计支护方,案,案，各地下,厂,厂房及洞室,均,均考虑衬砌,支,支护，施加,衬,衬砌支护时,考,考虑围岩应,力,力释放,70%,。主厂房衬,砌,砌为挂网喷,混,混凝土结构,，,，拱顶厚度,1m,，边墙厚度,为,为,1.5m,。可行性研,究,究报告中建,议,议拱顶施加,1520m,预应力锚索,，,，边墙随机,46m,锚杆支护，,在,在厂房开挖,过,过程中未考,虑,虑锚杆和锚,索,索支护,计算过程,所考虑的地,下,下洞室群中,，,，压力管道,、,、施工井、,通,通风管和交,通,通洞一次性,挖,挖除，主厂,房,房和调压井,分,分九层开挖,。,。主厂房分,层,层开挖所对,应,应的高程如,图,图所示,模型所再用,岩,岩体力学参,数,数如表所示,材料,容重,(kg/m,3,),内聚力,C,(MPa),内摩擦角,(),弹性模量,E,(GPa),泊松比,抗拉强度,（,MPa,）,III,类围岩,2700,0.7,37,7,0.27,0.5,弱风化灰岩,2700,0.4,34,0.75,0.27,0.5,衬砌,2700,3,48,30,0.167,2,计算步骤：,考虑到设计,院,院提出的施,工,工方案，并,结,结合计算分,析,析的需要，,这,这里将本次,计,计算分析采,用,用的计算步,骤,骤简述如下,：,：,1,、计算初始,地,地应力（在,天,天然地下水,位,位下），按,水,水平构造应,力,力竖向应力,的,的,1.5,倍考虑；,2,、开挖交通,洞,洞，并考虑,其,其衬砌支护,；,；,3,、开挖工作,井,井，并考虑,其,其衬砌支护,；,；,4,、开挖通风,管,管，并考虑,其,其衬砌支护,；,；,5,、开挖第一,层,层主厂房，,考,考虑围岩应,力,力释放,70%,；,6,、施加第一,层,层衬砌结构,，,，计算开挖,过,过程中将天,然,然地下水作,用,用于第一层,衬,衬砌上的水,荷,荷载，并施,加,加衬砌上；,7,、重复第五,、,、第六步直,至,至主厂房完,全,全开挖,地下厂房开,挖,挖前初始应,力,力状态分析,天然状态下,边,边坡初始应,力,力分布特征,初始地应力,条,条件下，岩,体,体第一主应,力,力分布,初始地应力,条,条件下，岩,体,体第三主应,力,力分布,交通洞、工,作,作井和通风,洞,洞开挖后应,力,力分布特征,(a),第一主应力,分,分布,(b),第三主应力,分,分布,交通洞开挖,后,后，交通洞,中,中轴线剖面,岩,岩体第一、,三,三主应力分,布,布,地下厂房开,挖,挖前初始应,力,力状态分析,地下厂房开,挖,挖前初始应,力,力状态分析,(a),第一主应力,分,分布,(b),第三主应力,分,分布,工作井挖后,，,，交通洞中,轴,轴线剖面岩,体,体第一、三,主,主应力分布,地下厂房开,挖,挖前初始应,力,力状态分析,(a),第一主应力,分,分布,(b),第三主应力,分,分布,通风洞开挖,后,后，交通洞,中,中轴线剖面,岩,岩体第一、,三,三主应力分,布,布,交通洞开挖,后,后，交通洞,中,中轴线剖面,位,位移分布图,工作井开挖,后,后，工作井,中,中轴线剖面,位,位移分布图,通风洞开挖,后,后，通风洞,中,中轴线剖面,位,位移分布图,交通洞、工,作,作井和通风,洞,洞开挖后应,力,力分布特征,主厂房开挖,后,后应力分布,特,特征,(a),第一层开挖,(b),第四层开挖,(c),第六层开挖,(d),第九层开挖,主厂房各层,开,开挖后,I,剖面最大主,应,应力应力分,布,布图,(a),第一层开挖,(b),第四层开挖,(c),第六层开挖,(d),第九层开挖,主厂房各层,开,开挖后,II,剖面最大主,应,应力应力分,布,布图,主厂房开挖,后,后位移分布,特,特征,(a),第一层开挖,(b),第四层开挖,(c),第六层开挖,(d),第九层开挖,主厂房各层,开,开挖后,I,剖面位移分,布,布图,(a),第一层开挖,(b),第四层开挖,(c),第六层开挖,(d),第九层开挖,主厂房各层,开,开挖后,II,剖面位移分,布,布图,主厂房开挖,后,后塑性区分,布,布特征,(a),第一层开挖,(b),第四层开挖,(c),第六层开挖,(d),第九层开挖,主厂房各层,开,开挖后,I,剖面位移分,布,布图,(a),第一层开挖,(b),第四层开挖,(c),第六层开挖,(d),第九层开挖,主厂房各层,开,开挖后,II,剖面位移分,布,布图,