地下建筑结构荷载计算讲解T

地下建筑结构荷载第四章本讲内容荷载种类和组合荷载确定方法岩土体压力的计算方法初始地应力、释放荷载与开挖效应弹性抗力其他荷载4.1

荷载种类和组合4.1.1荷载种类按存在状态分为：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、弹性抗力和地下水压力等；活荷载：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板地面荷载（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。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。其他荷载：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）、温度变化等受到约束而产生的内力。地下结构所承受的荷载，按其作用特点及使用中可能出现的情况分为以下三类，即永久（主要）荷载、可变（附加）荷载和偶然（特殊）荷载:（1）永久（主要）荷载即长期作用的恒载，主要包括：结构自重；回填土重量；围岩压力；弹性抗力；静水压力（含浮力）；混凝土收缩和徐变影响力、预加应力及设备自重等。地层压力和结构自重是衬砌承受的主要静荷载，弹性抗力是地下结构所特有的被动荷载。（2）可变（附加）荷载分为基本可变荷载和其它可变荷载两类。

基本可变荷载，即长期的、经常作用的变化荷载，如吊车荷载、设备重量、地下储油库的油压力、车辆、人员等荷重人群荷载等。其它可变荷载，即非经常作用的变化荷载，如温度变化、施工荷载（施工机具，盾构千斤顶推力，注浆压力）等。（3）偶然（特殊）荷载偶然发生的荷载，如地震力或战时发生的武器爆炸冲击动荷载。4.1.2荷载组合

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）4.1.2荷载组组合指将可可能同同时出出现在在地下下结构构上的的荷载载进行行编组组，取取其最最不利利组合合作为为设计计荷载载，以以最危危险截截面中中最大大内力力值作作为设设计依依据。。我国公公路和和铁路路隧道道设计计规范范中给给出的的永久久、可可变及及偶然然荷载载（在铁路路隧道道设计计规范范中采采用概概率极极限状状态设设计法法时称称为作作用）参见见表4-1和表4-2。表4-1公路隧隧道设设计规规范（（JTJ026-90）的隧隧道荷荷载编号荷载分类荷载名称1永久荷载（恒载）围岩压力2结构自重力3填土压力4混凝土收缩和徐变影响力5可变荷载基本可变荷载公路车辆荷载、人群荷载6立交公路车辆荷载及其所产生的土压力7立交铁路列车活载及其所产生的土压力8其它可变荷载立交渡槽流水压力9温度变化的影响力10冻胀力11偶然荷载落石冲击力12地震力13施工荷载注：[1]设计隧隧道结结构时时，按按其可可能出出现的的最不不利情情况组组合。。表4-2铁隧道道设计计规范范（TB10003-2001,J117-2001）的隧隧道作作用（（荷载载）分分类编号荷载分类荷载名称荷载分类1永久作用结构自重恒载主要荷载2结构附加恒载3围岩压力4土压力5混凝土收缩和徐变的影响6可变作用列车活载活载7活载所产生的土压力8公路车辆荷载9冲击力10渡槽水流压力（设计渡槽明洞时）11制动力附加荷载12温度变化的影响13灌浆压力14冻胀力15施工荷载（施工阶段的某些外力）16偶然作用落石冲击力附加荷载17地震力特殊荷载4.2荷载的的确定定方法法4.2.1确定依依据(1)依据规规范：：当前在在地下下建筑筑结构构设计计中试试行的的规范范、技技术措措施、、条例例等有有多种种。有有的仍仍沿用用地面面建筑筑的设设计规规范，，设计时时应遵遵守各各有关关规范范。。(2)设计标标准1）根据据建筑用用途、、防护护等级级、地地震等等级等确定定。2）地下下建筑筑结构构材料的的选用用3）地下下衬砌砌结构构一般般为超超静定定结构构，其其内力在弹性性阶段段可按按结构构力学学计算。考虑虑抗爆爆动载载时，，允许许考虑虑由塑塑性变变形引引起的的内力力重分分布。。4.2荷载的的确定定方法法3）截面面计算算原则则结构截截面计计算时时，按按总安全全系数数法进行行，一一般进进行强度、、裂缝缝（抗裂裂度或或裂缝缝宽度度）和变形形的验验算等。混混凝土土和砖砖石结结构仅仅需进进行强强度计计算，，并在在必要要时验验算结结构的的稳定定性。。钢筋混混凝土土结构构在施工工和正正常使使用阶阶段的的静荷荷载作作用下，除按强强度计计算外外，一一般应应验算算裂缝缝宽度度，根据据工程程的重重要性性，限限制裂裂缝宽宽度小小于0.10~0.20mm，但不不允许许出现现通透透裂缝缝。对对较重重要的的结构构则不不能开开裂，，即验验算抗抗裂度度。钢筋混混凝土土结构构在爆炸炸动载载作用用下只需进进行强强度计计算，，不作作裂缝缝验算算。4）安全全系数数结构在在静载载作用用下的的安全系系数可参照照有关关规范范确定。对于地地下建建筑结结构，，如施施工条条件差差，不不易保保证质质量和和荷载载变异异大时时，对对混凝凝土和和钢筋筋砼结结构需需考虑虑用附附加安安全系系数1.1。静载下下的抗抗裂安安全系系数不不小于于1.25，视工工程重重要性性，可可予提提高。。结构在在爆炸炸荷载载作用用下，，由于于爆炸炸时间间较短短，而而荷载载很大大，为为使结结构设设计经经济和和配筋筋合理理，其其安全全系数数可以以适当当降低低。5）材料料强度度指标标一般采采用工业与与民用用建筑筑规范范中的的规定定值，，亦可可根据据实际际情况况，参参照水水利、、交通通、人人防和和国防防等专专门规规范。结构在在动载载作用用下，，材料料强度度可以以提高高；提提高系系数见见有关关规定定。4.3岩土体体压力力的计计算方方法土压力力是土土与挡挡土结结构之之间相相互作作用的的结果果，它它与结构构的变变位有有着密密切关关系。以挡土土墙为为例，，作用用在挡挡土墙墙墙背背上的的土压压力可可以分分为静止土土压力力、主主动土土压力力（往往往简简称土土压力力）和和被动动土压压力（往往往简称称土抗抗力））三种种，其其中主主动土土压力力值最最小，，被动动土压压力值值最大大，而而静止止土压压力值值介于于两者者之间间。2.3.1经典土土压力力理论论软土地地区浅浅埋的的地下下工程程，采采用““土土柱理理论””计算算。竖向土土压力力即为为结构构顶盖盖上整整个土土柱的的全部部重量量。侧向土土压力力经典典理论论主要要是库库伦（（Coulomb）理论论和朗朗肯（（Rankine）理论论。静止土土压力力计算算一般般采用用弹性性理论论，它也也可以以称为为经典典理论论。尽管上上述经经典土土压力力理论论存在在许多多不足足之处处，但但是在工程程界仍仍然得得到广广泛应应用。4.3.2围岩压压力的的计算算（一））围岩岩压力力及其其影响响因素素1、围围岩压压力的的概念念围岩压压力是是指位位于地地下结结构周周围变变形及及破坏坏的岩岩层，，作用用在衬衬砌或或支撑撑上的的压力力。洞室开开挖之之前，，地层层中的的岩体体处于于复杂杂的原原始应应力平平衡状状态。。洞室室开挖挖之后后，围围岩中中的原原始应应力平平衡状状态遭遭到破破坏，，应力力重新新分布布，从从而使使围岩岩产生生变形形。当当变形形发展展到岩岩体极极限变变形时时，岩体就就产生生破坏坏。如在在围岩岩发生生变形形时及及时进进行衬衬砌或或围护护，阻阻止围围岩继继续变变形，，防止止围岩岩塌落落，则则围岩岩对衬衬砌结结构就就要产产生压压力，，即所所谓的的围岩岩压力力。。围岩压力力可分为为围岩垂垂直压力力、围岩岩水平压压力及围围岩底部部压力。。2、影响响围岩压压力的因因素影响围岩岩压力的的因素很很多，主要与与岩体的的结构、、岩石的的强度、、地下水水的作用用、洞室室的尺寸寸与形状状、支护护的类型型和刚度度、施工工方法、、洞室的的埋置深深度和支支护时间间等因素素相关。。其中，岩岩体稳定定性的关键在于于岩体结结构面的的类型和和特征。按围岩压压力及作作用分：：支护结构构理论的的发展可可以划分分为三个个阶段：：第一阶段段：古典典岩土压压力理论论阶段兴起于20世纪20年代以前前，代表表性人物物主要有有海姆（（A.Haim）、朗肯肯（W.J.M.Rankine）和金尼尼克（A.H.Диииик）。认为作用用在支护护结构上上的压力力是其上上覆岩层层的重量量，侧压压力方面面，海姆姆认为侧侧压系数数为1，朗肯根根据松散散体理论论认为是是，而金金尼克根根据弹性性理论认认为是μ/(1-μ)（μ为岩体的的泊松比比）。当当时地下下工程埋埋藏深度度不大，，一度被被认为是是正确的的。第二阶段段：散体体压力理理论阶段段代表性人人物是泰泰沙基（（K.Terzaghi，太沙基基）和普普罗托季季亚科诺诺夫（普普氏，M.M.Лроттдъяяконнов）。认为当地地下工程程埋藏深深度较大大时，支支护上的的压力只只是围岩岩坍落拱拱内松动动岩体的的重量，，坍落拱拱的高度度与地下下工程的的跨度及及围岩的的性质有有关。太沙基认认为坍落落拱为矩矩形，而而普罗托托季亚科科诺夫认认为是抛抛物线形形。并通过假定抗力力的形式式考虑围岩岩与结构构的相互互作用。。采用荷载载—结构法进进行结构构内力计计算。第三阶段段：共同同作用理理论阶段段没能科学学地确定定坍落拱拱的高度度及其形形成过程程，更没没有认识识到稳定围岩岩和充分分发挥围围岩的自自承作用用问题。20世纪50年代以来来，岩石石力学开开始成为为一门独独立的学学科，围围岩弹性性、弹塑塑性及粘粘弹性解解答逐步步出现，，锚（杆杆）喷（（射混凝凝土）支支护及新新奥法（（新奥地地利隧道道设计施施工）的的兴起，，终于形形成了以以岩石力力学原理理（围岩岩）及弹弹性力学学（结构构）为基基础的、、考虑支护护结构与与围岩共共同作用用的地下下现代支支护理论论。我国采用用较多的的仍是以以散体压压力理论论为基础础的荷载——结构法，一方面面该理论论发展时时间较长长，有较较多经验验，另一一方面是是该计算算理论形形式简单单，比较较容易为为工程设设计人员员所掌握握。只对圆形形断面才才有封闭闭的解析析解，设设计中一一般作为为校核，，但近年年来地层——结构法得到了越越来越广广泛的应应用。地下结构构的计算算理论（（按地下下结构分分）：1、刚性结结构阶段段刚性结构构的计算算理论，，如压力力线理论论等。背景：十十九世纪纪砖石结结构流行行分析方法法：三铰铰拱静定定体系设计准则则：2、弹性结结构阶段段背景：十十九世纪纪未混凝凝土、钢钢筋混凝凝土结构构出现分析方法法：弹性性连续拱拱形框架架体系设计准则则：混凝凝土设计计规范3、假定抗抗力阶段段背景：(1910年O.Kommerall；….)1934年Зураабовв，бугааеваа分析方法法：镰刀刀形抗力力图形作作为荷载载计算设计准则则：分析方法法：抗力力大小，，及其位位置均由由计算决决定在主动荷荷载作用用下发生生弹性变变形的同同时，将将受到地地层对其其变形产产生的约约束作用用。将这这类约束束作用假假设为弹弹性抗力力，地下下结构计计算理论论便有了与地地面结构构不同的的特点。。弹性抗力力结构在主主动荷载载作用下下，要产产生变形形。以隧隧道工程程为例，，如图所所示的曲曲墙拱形形结构，，在主动动荷载（（垂直荷荷载大于于水平荷荷载）作作用下，，产生的的变形如如虚线所所示：4、连续介介质力学学理论计算机数数值方法法与设计计CAD1966年S.F.Reyes,D.U.Deere圆形隧道道的弹塑塑性屈服服准则应应用1968年O.C.Zienkiewicz无拉分析析研究隧隧道应力力和变形形1977年W.Wittke围岩节理理及施工工顺序对对洞室稳稳定的影影响1979年同济大大学，四四川二滩滩水电站站地下厂厂房洞室室稳定分分析1983年发表初始始地应力的的反分析原原理(线性、非线线性)1988年完成非线线性抗爆动动力响应1992年江阴长江江大桥锚碇碇的三维时时间