地下结构荷载计算

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荷载组合指将可能同时出现在地下结构上的荷载进行编组，取其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。我国公路和铁路隧道设计规范中给出的永久、可变及偶然荷载（在铁路隧道设计规范中采用概率极限状态设计法时称为作用）参见表4-1和表4-2。表4-1公路隧道设计规范（JTJ026-90）的隧道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]设计隧道结构时，按其可能出现的最不利情况组合。

表4-2铁隧道设计规范（TB10003-2001,J117-2001）的隧道作用（荷载）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荷载的确定方法4.2.1确定依据(1)

依据规范：当前在地下建筑结构设计中试行的规范、技术措施、条例等有多种。有的仍沿用地面建筑的设计规范，设计时应遵守各有关规范。(2)设计标准

1）根据建筑用途、防护等级、地震等级等确定。

2）地下建筑结构材料的选用

3）地下衬砌结构一般为超静定结构，其内力在弹性阶段可按结构力学计算。考虑抗爆动载时，允许考虑由塑性变形引起的内力重分布。4.2荷载的确定方法3）截面计算原则结构截面计算时，按总安全系数法进行，一般进行强度、裂缝（抗裂度或裂缝宽度）和变形的验算等。混凝土和砖石结构仅需进行强度计算，并在必要时验算结构的稳定性。钢筋混凝土结构在施工和正常使用阶段的静荷载作用下，除按强度计算外，一般应验算裂缝宽度，根据工程的重要性，限制裂缝宽度小于0.10~0.20mm，但不允许出现通透裂缝。对较重要的结构则不能开裂，即验算抗裂度。钢筋混凝土结构在爆炸动载作用下只需进行强度计算，不作裂缝验算。4）安全系数结构在静载作用下的安全系数可参照有关规范确定。对于地下建筑结构，如施工条件差，不易保证质量和荷载变异大时，对混凝土和钢筋砼结构需考虑用附加安全系数1.1。静载下的抗裂安全系数不小于1.25，视工程重要性，可予提高。结构在爆炸荷载作用下，由于爆炸时间较短，而荷载很大，为使结构设计经济和配筋合理，其安全系数可以适当降低。5）材料强度指标一般采用工业与民用建筑规范中的规定值，亦可根据实际情况，参照水利、交通、人防和国防等专门规范。结构在动载作用下，材料强度可以提高；提高系数见有关规定。4.3岩土体压力的计算方法土压力是土与挡土结构之间相互作用的结果，它与结构的变位有着密切关系。以挡土墙为例，作用在挡土墙墙背上的土压力可以分为静止土压力、主动土压力（往往简称土压力）和被动土压力（往往简称土抗力）三种，其中主动土压力值最小，被动土压力值最大，而静止土压力值介于两者之间。2.3搜.1经典精土压渔力理掉论软土地吃区浅埋必的地下伞工程，接采用眉“土柱粒理论”塌计算。竖向大土压住力即梅为结网构顶速盖上袍整个哈土柱惠的全检部重彩量。侧向土栗压力经给典理论茶主要是暴库伦（Co违ul灿om悔b）理论聪和朗肯轧（Ran宾kin教e）理悔论。静止羞土压江力计炒算一赖般采赌用弹小性理胆论，它也仁可以称济为经典糟理论。尽管驶上述趴经典闷土压蓬力理矮论存疤在许验多不亦足之共处，饮但是在工程伤界仍然裙得到广胞泛应用。4.3田.2围岩压敏力的计泡算（一）罢围岩压政力及其销影响因石素1、平围岩充压力部的概占念围岩扁压力罗是指帐位于蜜地下钟结构澡周围强变形坏及破沸坏的房诚岩层眯，作僚用在叶衬砌故或支勉撑上倚的压闭力。洞室开灶挖之前慨，地层街中的岩号体处于因复杂的止原始应抱力平衡喉状态。桂洞室开距挖之后谦，围岩流中的原桥始应力我平衡状歇态遭到径破坏，订应力重纷新分布资，从而虎使围岩皂产生变撑形。当富变形发认展到岩秆体极限炭变形时描，岩体就案产生破肾坏。如在线围岩发或生变形脊时及时晨进行衬棕砌或围战护，阻筛止围岩酿继续变双形，防掠止围岩巨塌落，环则围岩鸟对衬砌礼结构就脆要产生苍压力，泼即所谓负的围岩找压力倚。围岩福压力排可分寨为围蜓岩垂悦直压扒力、锻围岩益水平模压力楼及围筑岩底亦部压咱力。2、担影响红围岩蔑压力臂的因续素影响围热岩压力宜的因素装很多，主落要与隐岩体蹲的结样构、循岩石廉的强贱度、成地下怖水的惯作用仙、洞糟室的候尺寸阔与形良状、雁支护独的类货型和脑刚度突、施疾工方颈法、畏洞室事的埋哲置深遮度和神支护遵时间寄等因窝素相袖关。其中，秧岩体稳院定性的关键在领于岩体渔结构面安的类型饼和特征。按围浪岩压个力及姥作用淘分：支护结恩构理论披的发展雷可以划禾分为三愉个阶段笋：第一阶仙段：古充典岩土稻压力理鹿论阶段兴起于20世纪20年代虎以前要，代美表性食人物翻主要孝有海东姆（A.H辆aim）、塑朗肯冶（）和金翅尼克（A.纹H.沫Ди王ии控к）。认为架作用帜在支碌护结日构上视的压薯力是挎其上呜覆岩镰层的橡重量君，侧碧压力沾方面领，海瓶姆认疤为侧芒压系仗数为1，朗苍肯根哨据松走散体葡理论尺认为材是，共而金秘尼克辱根据截弹性酸理论公认为特是μ/(亦1-μ)（μ为岩冠体的蜻泊松亚比）版。当突时地离下工六程埋龄藏深象度不盒大，粱一度欢被认积为是仿正确察的。第二党阶段终：散估体压沉力理卡论阶葵段代表性雪人物是尤泰沙基筋（K.土Te柳rz去ag不hi，太沙销基）和爹普罗托谋季亚科谱诺夫（时普氏，M.魂M.枝Л值ро坏тд舞ъя棵ко零но奸в）。认为射当地哀下工差程埋款藏深迟度较部大时首，支袜护上准的压眠力只歉是围驾岩坍珠落拱张内松币动岩躬体的烈重量辉，坍妹落拱辆的高龙度与熔地下个工程芹的跨熊度及桑围岩座的性择质有剂关。太沙基袄认为坍闲落拱为固矩形，兼而普罗悠托季亚芝科诺夫芝认为是歉抛物线摔形。并通启过假定巧抗力皮的形躲式考虑围你岩与结盛构的相架互作用琴。采用例荷载—结构撤法进吗行结粘构内婚力计屡算。第三阶多段：共枯同作用吵理论阶荣段没能科错学地确宇定坍落析拱的高院度及其武形成过毙程，更附没有认舞识到稳定围档岩和充择分发挥百围岩的雪自承作旁用问题。20世纪50年代以宾来，岩怖石力学泥开始成欺为一门期独立的坏学科，狼围岩弹梁性、弹嚼塑性及擦粘弹性永解答逐功步出现卧，锚（锅杆）喷随（射混企凝土）般支护及袋新奥法失（新奥铜地利隧度道设计漫施工）扮的兴起古，终于记形成了默以岩石衰力学原轧理（围影岩）及皂弹性力母学（结创构）为众基础的许、考虑财支护易结构至与围赛岩共前同作猫用的蓄地下园现代俯支护剩理论。我国想采用棒较多亡的仍落是以冤散体牺压力销理论盈为基瞒础的荷载——结构法，一扇方面似该理啦论发趴展时阻间较文长，仇有较扣多经鼻验，蚀另一咱方面是是该肠计算光理论爸形式译简单炎，比零较容把易为树工程汁设计艘人员疗所掌社握。只对圆泼形断面获才有封泰闭的解号析解，另设计中画一般作寄为校核傍，但近蓬年来地层——结构法得到姐了越抛来越天广泛魔的应伞用。地下揪结构淋的计板算理躬论（腾按地挖下结皂构分赖）：1、刚性卫结构阶跌段刚性结四构的计门算理论鸟，如压偶力线理厕论等。背景逐：十劲九世辅纪砖秤石结艰构流猛行分析方笋法：三趟铰拱静作定体系设计肺准则券：2、弹认性结蓄构阶冈段背景：丛十九世秆纪未混敬凝土、密钢筋混豪凝土结略构出现分析醉方法占：弹咬性连贿续拱犬形框稿架体很系设计妙准则己：混名凝土毫设计丙规范3、假骗定抗膀力阶唉段背景沈：(19牛10年O.锣Kom此mer帮all；….物)19遥34年Зур简або续в，буг胡аев纽奉а分析方结法：镰配刀形抗负力图形矩作为荷修载计算设计准核则：分析方宣法：抗欢力大小痒，及其算位置均影由计算遣决定在主动大荷载作刘用下发饮生弹性述变形的弓同时，项将受到盘地层对拾其变形锐产生的乞约束作请用。将石这类约男束作用县假设为到弹性抗艳力，地过下结构夜计算理饥论便有了肥与地枕面结材构不羡同的沃特点躁。弹性最抗力结构学在主座动荷析载作训用下移，要晌产生目变形骂。以船隧道培工程鄙为例逃，如趁图所塑示的店曲墙息拱形蕉结构尺，在供主动破荷载匹（垂化直荷脊载大荷于水弱平荷库载）挠作用理下，坝产生身的变办形如弊虚线男所示：4、连锈续介险质力顽学理杆论计算机释数值方途法与设黑计CA付D19冻66年,圆形穴隧道宣的弹冒塑性楚屈服双准则咱应用19核68年无拉悬分析守研究肺隧道线应力土和变尝形197浊7年W.坏Wi美tt驶ke围岩永节理寺及施料工顺宗序对消洞室进稳定便的影名响19炕79年同乞济大踪蝶学，帖四川宴二滩病水电留站地类下厂木房洞移室稳些定分尝析198爷3年发剪表初笛始地督应力每的反摧分析霸原理(线性搂、非冻线性)19晒88年完盒成非残线性浸抗爆轿动力肯响应19它92年江阴州长江大畜桥锚碇狠的三维扑时间效勤应分析由于耕人们胃认识织到地舍下结音构与调地层座是一畜个受薪力整长体，20世纪虹以来毁，按誉连续撕介质漆力学息理论寄建立近地下臂结构废内力壳计算拼方法腰的研鸽究也饿逐渐匙取得葡成果检。已打经建攻立的秤方法扩既有蛮解析奋解，烂又有尼各类抛数值晴计算嚷法。60年代宪以来封，随嫌着计院算机途的推滥广和响岩土尝介质垦本构培关系悲研究押的进说步，蛇数值搁计算其方法围有了戒很大望发展袍，已青编制招多种壳功能到齐全悲的程则序软