地下建筑结构：第四章 地下建筑结构荷载

1、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，

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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0.100.20mm，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

8、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。2.3.1 经典土压力理论 软土地区浅埋的地下工程，采用 “土柱理论”计算。竖向土

9、压力即为结构顶盖上整个土柱的全部重量。 侧向土压力经典理论主要是库伦（Coulomb）理论和朗肯（Rankine）理论。 静止土压力计算一般采用弹性理论，它也可以称为经典理论。 尽管上述经典土压力理论存在许多不足之处，但是在工程界仍然得到广泛应用。 4.3.2 围岩压力的计算 （一）围岩压力及其影响因素 1、围岩压力的概念 围岩压力是指位于地下结构周围变形及破坏的岩层，作用在衬砌或支撑上的压力。 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

10、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，岩体稳定性的关键在于岩体结构面的类型和特征。 按围岩压力及作用分：支护结构理论的发展可以划分为三个阶段： 第一阶段：古典岩土压力理论阶段兴起于20世纪20年代以前，代表性人物主要有海姆（A.Haim）、朗肯（W.J.M.Rankine）和金尼克（A.H.）。认

11、为作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量，侧压力方面，海姆认为侧压系数为1，朗肯根据松散体理论认为是，而金尼克根据弹性理论认为是/(1-)（为岩体的泊松比）。当时地下工程埋藏深度不大，一度被认为是正确的。 第二阶段：散体压力理论阶段代表性人物是泰沙基（K.Terzaghi，太沙基）和普罗托季亚科诺夫（普氏，M.M. ）。认为当地下工程埋藏深度较大时，支护上的压力只是围岩坍落拱内松动岩体的重量，坍落拱的高度与地下工程的跨度及围岩的性质有关。太沙基认为坍落拱为矩形，而普罗托季亚科诺夫认为是抛物线形。并通过假定抗力的形式考虑围岩与结构的相互作用。采用荷载结构法进行结构内力计算。第三阶段：共同作用理

12、论阶段没能科学地确定坍落拱的高度及其形成过程，更没有认识到稳定围岩和充分发挥围岩的自承作用问题。20世纪50年代以来，岩石力学开始成为一门独立的学科，围岩弹性、弹塑性及粘弹性解答逐步出现，锚（杆）喷（射混凝土）支护及新奥法（新奥地利隧道设计施工）的兴起，终于形成了以岩石力学原理（围岩）及弹性力学（结构）为基础的、考虑支护结构与围岩共同作用的地下现代支护理论。我国采用较多的仍是以散体压力理论为基础的荷载结构法，一方面该理论发展时间较长，有较多经验，另一方面是该计算理论形式简单，比较容易为工程设计人员所掌握。只对圆形断面才有封闭的解析解，设计中一般作为校核，但近年来地层结构法得到了越来越广泛的应用

13、。 地下结构的计算理论（按地下结构分）：1、刚性结构阶段 刚性结构的计算理论，如压力线理论等。 背景：十九世纪砖石结构流行分析方法：三铰拱静定体系设计准则： 2、弹性结构阶段背景：十九世纪未混凝土、钢筋混凝土结构出现分析方法：弹性连续拱形框架体系设计准则：混凝土设计规范3、假定抗力阶段背景：(1910年 O. Kommerall； . )1934年 ，分析方法：镰刀形抗力图形作为荷载计算设计准则：分析方法：抗力大小，及其位置均由计算决定在主动荷载作用下发生弹性变形的同时，将受到地层对其变形产生的约束作用。将这类约束作用假设为弹性抗力，地下结构计算理论便有了与地面结构不同的特点。 弹性抗力 结构

14、在主动荷载作用下，要产生变形。以隧道工程为例，如图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：4、连续介质力学理论 计算机数值方法与设计CAD1966 年 S.F.Reyes, D.U.Deere 圆形隧道的弹塑性屈服准则应用 1968 年 O.C.Zienkiewicz 无拉分析研究隧道应力和变形1977 年 W.Wittke 围岩节理及施工顺序对洞室稳定的影响1979年同济大学，四川二滩水电站地下厂房洞室稳定分析1983年发表初始地应力的反分析原理(线性、非线性)1988 年完成非线性抗爆动力响应1992年江阴长江大桥锚碇的三维时间效应分析由于人们认识到地下结构与地层是一个受力整体，20世纪以来，按连续介质力学理论建立地下结构内力计算方法的研究也逐渐取得成果。已经建立的方法既有解析解，又有各类数值计算法。 60年代以来，随着计算机的推广和岩土介质本构关系研究的进步，数值计算方法有了很大发展，已编制多种功能齐全的程序软件。 70年代起，随着隧道施工力学研究的发展，采用新奥法施作的隧道建立仿真计算技术的研究，提出复合支护计算方法和设计方法，后者同时包括对地下工程施工的安全性监测建立和完善量测技术，引入反馈设计方法，以优化工程设计和