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同济大学地下建筑结构复习提纲第 1 章绪论（一）地下建筑结构的概念1、 掌握地下建筑结构的基本形式和基本概念。（1）基本概念 地下建筑是修建在地层中的建筑物。它可以分为两大类：一类是修建在土层中的；一类是修建在岩层中的 ；广义上讲，任何结构物都是修建在相应的介质中的，例如，上部结构是修建在空气介质中，地下建筑结构一般修建在土层中、岩层中或水中。 本学科所要研究的所有问题其实都可以归为“结构与介质的相互作用问题”（二）地下建筑结构的作用* 地下建筑结构，即埋置于地层内部的结构。修建地下建筑物时，首先按照使用要求在地层中挖掘洞室，然后沿洞室周边修建永久性支护结构即衬砌结构。而内部结构与地面建筑的设计基本相同 * 作用：衬砌结构主要是起承重和围护两方面的作用。承重，即承受岩土体压力、结构自重以及其它荷载的作用；围护，即防止岩土体风化、坍塌、防水、防潮等。* 地下建筑与地面建筑结构的区别 （1）计算理论、设计和施工方法 （2）地下建筑结构所承受的荷载比地面结构复杂。 （3）地下建筑结构埋置于地下，其周围的岩土体不仅作为荷载作用于地下建筑结构上，而且约束着结构的移动和变形。所以，在地下建筑结构设计中除了要计算因素多变的岩土体压力之外，还要考虑地下结构与周围岩土体的共同作用。这一点乃是地下建筑结构在计算理论上与地面建筑结构最主要的差别。（三）地下建筑结构的型式 结构型式首先由受力条件来控制，即在一定地质的围岩压力、水土压力和一定的爆炸与地震等动载下求出最合理和经济的结构型式 ；其次由地下建筑的功能要求和施工技术要求等确定。主要有：* 土层地下建筑结构型式* 岩石地下建筑结构形式三、地下建筑结构的设计程序和内容初步设计的内容主要包括：（一） 工程等级和要求，以及静、动荷载标准的确定；（二）确定埋置深度与施工方法；（三）初等荷载值；（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、顶底板及边墙厚度等主要尺寸；（七） 绘制初步设计结构图；（八）估算工程材料数量及财务概算。 技术细节的主要内容是：（一）计算荷载：按地层介质类别、建筑用途、防护等级、地震级别、埋置深度等求出作用在结构上的各种荷载值；（二）计算简图：根据实际结构和计算工具情况，拟出恰当的计算图式；（三）内力分析：选择结构内力计算方法，得出结构各控制设计截面的内力；（四）内力组合：在各种荷载内力分别计算的基础上，对最不利的可能情况进行内力组合，求出各控制界面的最大设计内力值；（五）配筋设计：通过截面强度和裂缝计算得出受力钢筋，并确定必要的分布钢筋与架立钢筋；（六）绘制结构施工详图：如结构平面图、结构构件配筋图、节点详图，还有风、水、电和其他内部设备的预埋件图；（七）材料、工程数量和工程财务预算。第 2 章地下建筑结构的荷载1、掌握地下建筑结构所承受的荷载类型及其组合原则。按存在状态可分为：静荷载、动荷载和活荷载等 静荷载：又称恒载。是指长期作用在结构上且大小、方向和作用点不变的荷载，如结构自重、岩土体压力和地下水压力等 ；动荷载：要求具有一定防护能力的地下建筑物，需考虑原子武器和常规武器（炸弹、火箭）爆炸冲击波压力荷载，这是瞬时作用的动荷载；在抗震区进行地下结构设计时，应计算地震波作用下的动荷载作用 活荷载：是指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，如地下建筑物内部的楼地面荷载（人群物件和设备重量）、吊车荷载、落石荷载等。地面附近的堆积物和车辆对地下结构作用的荷载以及施工安装过程中的临时性荷载 其它荷载：使结构产生内力和变形的各种因素中，除有以上主要荷载的作用外，通常还有：混凝土材料收缩（包括早期混凝土的凝缩与日后的干缩）受到约束而产生的内力； 各种荷载对结构可能不是同时作用，需进行最不利情况的组合。先计算个别荷载单独作用下的结构各部件截面的内力，再进行最不利的内力组合，得出各设计控制截面的最大内力。最不利的荷载组合一般有以下几种情况： （一）静载； （二）静载+活载； （三）静载+动载（原子爆炸动载、炮（炸）弹动载） 2、掌握围岩压力和土压力的计算理论和方法。 库伦土压力理论 库伦理论的基本假定库伦理论是由法国科学家库伦（Coulomb, C.A.）于1773年发表的，主要是针对挡土墙的计算，其计算的基本假定为（图2.4）挡土墙墙后土体为均质各向同性的无粘性土；挡土墙是刚性的且长度很长，属于平面应变问题；挡土墙后土体产生主动土压力或被动土压力时，土体形成滑动楔体，滑裂面为通过墙踵的平面；墙顶处土体表面可以是水平面，也可以为倾斜面，倾斜面与水平面的夹角为角；在滑裂面和墙背面上的切向力分别满足极限平衡条件 （一）围岩压力及其影响因素1、围岩压力的概念洞室开挖之前，地层中的岩体处于复杂的原始应力平衡状态。洞室开挖之后，围岩中的原始应力平衡状态遭到破坏，应力重新分布，从而使围岩产生变形。当变形发展到岩体极限变形时，岩体就产生破坏。如在围岩发生变形时及时进行衬砌或围护，阻止围岩继续变形，防止围岩塌落，则围岩对衬砌结构就要产生压力，即所谓的围岩压力 。 围岩压力可分为围岩垂直压力、围岩水平压力及围岩底部压力 。2、影响围岩压力的因素影响围岩压力的因素很多，主要与岩体的结构、岩石的强度、地下水的作用、洞室的尺寸与形状、支护的类型和刚度、施工方法、洞室的埋置深度和支护时间等因素相关。其中，岩体稳定性的关键一般在于岩体结构面的类型和特征。 （二）围岩压力的计算方法1、按松散体理论计算围岩压力1）垂直围岩压力 浅埋结构上的垂直围岩压力 深埋结构上的垂直围岩压力 2）水平围岩压力 3）底部围岩压力 2、按弹塑性体理论计算围岩压力 3、按围岩分级和经验公式确定围岩压力 3、掌握弹性抗力的基本概念。弹性抗力结构在主动荷载作用下，要产生变形。以隧道工程为例，如图2.25所示的曲墙拱形结构，在主动荷载（垂直荷载大于水平荷载）作用下，产生的变形如虚线所示 弹性抗力大小和分布规律不仅决定于结构的变形，还与地层的物理力学性质有着密切的关系.4、熟悉局部变形理论，共同变形理论及弹性抗力的分布规律。计算理论：一种是局部变形理论，认为弹性地基某点上施加的外力只会引起该点的沉陷；另一种是共同变形理论，即认为弹性地基上的一点的外力，不仅引起该点发生沉陷，而且还会引起附近一定范围的地基沉陷。后一种理论较为合理，但由于局部变形理论计算较为简单，且一般尚能满足工程精度要求，所以目前多采用局部变形理论计算弹性抗力。 5、理解初始地应力，荷载释放及开挖效应的基本理念。初始地应力一般包括自重应力场和构造应力场，但土层中仅有自重应力场存在，岩层中对于级以下围岩，喷射混凝土层将在同围岩共同变形的过程中对围岩提供支护抗力，使围岩变形得到控制，从而使围岩保持稳定。与此同时，喷层将受到来自围岩的挤压力。这种挤压力由围岩变形引起，常称作“形变压力”。 时间效应：级以下围岩一般呈现塑性和流变特性 释放荷载：可由已知初始地应力或与前一步开挖相应的应力场确定。先求得预计开挖边界上各结点的应力，并假定各结点间应力呈线性分布，然后反转开挖边界上各结点应力的方向(改变其符号)，据以求得释放荷载 第 4 章地下建筑结构的计算方法（荷载结构法、地层结构法、经验内力法）1、掌握荷载结构法与地层结构法的基本含义和主要区别。v 荷载结构法认为地层对结构的作用只是产生作用在地下建筑结构上的荷载（包括主动地层压力和被动地层抗力），衬砌在荷载的作用下产生内力和变形，由此建立的计算方法称为荷载结构法。早年常用的弹性连续框架（含拱形构件）法、假定抗力法和弹性地基梁（含曲梁）法等都可归属于荷载结构法。其中假定抗力法和弹性地基梁法都形成了一些经典计算法，而类属弹性地基梁法的计算法又可按采用的地层变形理论的不同分为局部变形理论计算法和共同变形理论计算法。其中局部变形理论因计算过程较为简单而常用 。v 设计原理荷载结构法的设计原理，是认为隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，然后按弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌的内力，并进行结构截面设计。2、地层结构法定义： 地层结构法把地下结构与地层作为一个受力变形的整体，按照连续介质力学原理来计算地下建筑结构以及周围地层的变形；不仅计算出衬砌结构的内力及变形，而且计算周围地层的应力，充分体现周围地层与地下建筑结构的相互作用由于地层结构法相对荷载结构法，充分考虑了地下结构与周围地层的相互作用。 结合具体的施工过程可以充分模拟地下结构以及周围地层在每一个施工工况的结构内力以及周围地层的变形更能符合工程实际。因此，在今后的研究和发展中地层结构法将得到广泛应用和发展。 地层结构法主要包括如下几部分内容：地层的合理化模拟、结构模拟、施工过程模拟以及施工过程中结构与周围地层的相互作用、地层与结构相互作用的模拟。2、了解地下建筑结构的设计模型类型。(一)荷载结构模型(二)地层结构模型(三)经验类比模型 (四)收敛限制模型3、掌握荷载结构法的计算原理与过程。4、掌握地层结构法的计算方法，过程与本构模型。设计原理本构模型：（一） 岩石单元：（1）弹性模型（2）非线性弹性模型（3）弹塑性模型（4）粘弹性模型（二） 梁单元 与上节荷载结构法中“单元刚度矩阵的计算”相同。（三） 杆单元（四） 接触面单元第 6 章浅埋式结构1、熟悉浅埋式结构的形式，适用场合和设计要求。（手写补充）浅埋式结构是指其覆盖土层较薄，不满足压力拱成拱条件(H土(22.5)h1，h1为压力拱高)或软土地层中覆盖层厚度小于结构尺寸的地下结构。采用深或浅埋式的因素包括：建筑物的使用要求，环境条件，地质条件，防护等级，以及施工能力等。 常采用明挖法施工，比较经济。但在地面环境条件要求苛刻的地段，也可采用管幕法、箱涵顶进法等暗挖法施工。 结构形式：直墙拱、矩形框架和梁板式结构，或者是上述型式的组合。直墙拱：矩形闭合框架：梁板式结构：2、 熟悉矩形闭合框架结构的计算原理和方法。荷载计算，内力计算，截面验算序号荷载类 型类别1 水土压力、结构自 重恒载2 地面超载 活载3 特殊荷载 偶然荷载4 车辆爆炸荷载 偶然荷载5 地震荷载 偶然荷载(一)顶板上的荷载(二)底板上的荷载(三)侧墙上的荷载配筋：由于温度变化、沉陷不匀由于温度变化、沉陷不匀、材料收缩、地震荷载等因素也会使结构产生内力，在构造上采取适当措施，加配一些构造钢筋，设置伸缩缝和沉降缝等抗浮验算.施工期抗浮措施第 8 章沉井与沉箱结构1、熟悉沉井与沉箱结构的特点，类型及其应用范围。沉井（沉箱）结构通常具有以下几个特点沉井的类型施工过程：p 沉井通常为一个上无盖下无底的井筒状结构物，现常用钢筋混凝土制成。p 施工时先在建筑地点整平地面，制作第一节沉井，接着在井壁的围护下，从井底挖土，随着土体的不断挖深，沉井因自重作用克服井壁土的摩阻力而逐渐下沉。p 当第一节井筒露出地面不多时停止开挖下沉，接高井筒，待到达规定强度后再挖土下沉。这样交替操作一直下沉到设计标高，然后封底，浇筑钢筋混凝土底、顶板等工作，做成地下建筑物。p 这种利用结构自重作用而下沉如土的井筒状结构物就称“沉井”。实质上是将一个在地面筑成的“半成品”沉入土中，然后在地下完成整个结构物的施工。p 它与基坑法区别就是，沉井在施工过程中，井壁成了阻挡水、土压力，防止土体坍塌的围护结构，从而省去大量的支撑和板桩工作，减少了土方开挖量。p 沉井结构的单体造价较低，主体的混凝土都在地面上浇筑，质量较易保证，不存在接头的强度和漏水问题，可采用横向主筋构成较经济的结构体系。在一定的场合下，是一种不可取代的较佳方案。补充：沉井的构造井壁(侧壁)；刃脚；内隔墙；封底和顶盖板，底梁和框架。2、掌握沉井结构设计计算的特点及步骤。p 沉井结构在施工阶段必须具有足够的强度和刚度，以保证沉井能稳定、可靠地下沉到拟定的设计标高。p 待沉到设计标高，全部结构浇筑完毕并正式交付使用后，结构的传力体系、荷载和受力状态均与沉井在施工下沉阶段很不相同。因此，应保证沉井结构在这两阶段中均有足够的安全度。沉井结构设计的主要环节可大致归纳如下：(一) 沉井建筑平面布置的确定；(二) 沉井主要尺寸的确定和下沉系数的验算。1参考已建类似的沉井结构，初定沉井的几个主要尺寸，如沉井平面尺寸、沉井高度、井孔尺寸及井壁厚度等，并估算下沉系数，以控制沉速；2估算沉井的抗浮系数，以控制底板的厚度等。(三) 施工阶段强度计算1井壁板的内力计算；2刃脚的挠曲计算；3底横梁、顶横梁的内力计算，4其它。(四) 使用阶段的强度计算(包括承受动裁)1按封闭框架(水平方向的或垂直方向的)或圆池结构来计算井壁并配筋；2顶板及底板的内力计算及配筋。3、 掌握沉箱主体结构的构成，设计条件和方法以及在设计上的注意事项。沉箱结构指压气沉箱结构p 压气沉箱工施工方法是在沉箱结构的最下部设置一个高刚度、高强度的气密性工作室。p 为了防止地下水渗入工作室，保证施工能够在无水环境下进行，通过气压自动调节装置向工作室内注入压缩空气，保持刃脚处工作室气压与地下水压相平衡。p 工作人员可以在无水环境的工作室内挖土排土，破坏力的平衡促使沉箱下沉。p 按照施工计划，重复地上或施工栈台上箱体分段浇筑、工作室内挖排土、箱体在自身重量及上部附加荷载等作用下下沉。p 下沉到指定深度后，进行持力层载荷试验，最后在沉箱结构底部的工作室内填筑混凝土构成底板。p 压气沉箱结构主要采用圆形、长方形等截面形式。p 一般由侧壁、隔墙、顶板、刃脚、吊桁、工作室顶板、内部充填混凝土、胸墙和止水壁等构成。补充：现代压气沉箱技术标准施工顺序Step 1: 处理沉箱就位场地，构筑