地下建筑结构荷载计算讲解PPT

地下下建建筑筑结结构构荷荷载载第四四章章本讲讲内内容容荷载载种种类类和和组组合合荷载载确确定定方方法法岩土土体体压压力力的的计计算算方方法法初始始地地应应力力、、释释放放荷荷载载与与开开挖挖效效应应弹性性抗抗力力其他他荷荷载载4.1荷载载种种类类和和组组合合4.1.1荷载载种种类类按存在在状状态态分为为：：静荷荷载载、、动动荷荷载载和和活活荷荷载载等静荷荷载载：：又称称恒恒载载。。是是指指长长期期作作用用在在结结构构上上且且大大小小、、方方向向和和作作用用点点不不变变的的荷荷载载，，如如结结构构自自重重、、岩土土体体压压力力、、弹弹性性抗抗力力和和地地下下水水压压力力等；活荷荷载载：：指在在结结构构物物施施工工和和使使用用期期间间可可能能存存在在的的变变动动荷荷载载，，其其大大小小和和作作用用位位置置都都可可能能变变化化。。如地地下下建建筑筑物物内内部部的的楼楼板板地地面面荷荷载载（（人人群群物物件件和和设设备备重重量量））、、吊吊车车荷荷载载、、落石石荷荷载载等。。地地面面附附近近的的堆堆积积物物和和车车辆辆对对地地下下结结构构作作用用的的荷荷载载以以及及施施工工安安装装过过程程中中的的临临时时性性荷荷载载。。动荷荷载载：：要求求具具有有一一定定防防护护能能力力的的地地下下建建筑筑物物，，需需考考虑虑原原子子武武器器和和常常规规武武器器（（炸炸弹弹、、火火箭箭））爆炸炸冲冲击击波波压压力力荷荷载载，这这是是瞬瞬时时作作用用的的动动荷荷载载；；在在抗抗震震区区进进行行地地下下结结构构设设计计时时，，应应计计算算地震震波波作用用下下的的动动荷荷载载作作用用。。其他他荷荷载载：：使结结构构产产生生内内力力和和变变形形的的各各种种因因素素中中，，除除有有以以上上主主要要荷荷载载的的作作用用外外，，通通常常还还有有：：混凝凝土土材材料料收收缩缩（包包括括早早期期混混凝凝土土的的凝凝缩缩与与日日后后的的干干缩缩））、、温度度变变化化等受受到到约约束束而而产产生生的的内内力力。。地下下结结构构所所承承受受的的荷荷载载，，按按其其作用用特特点点及及使使用用中中可可能能出出现现的的情情况况分为为以以下下三三类类，，即即永永久久（（主主要要））荷荷载载、、可可变变（（附附加加））荷荷载载和和偶偶然然（（特特殊殊））荷荷载载:（1）永永久久（（主主要要））荷荷载载即长长期期作作用用的的恒恒载载，，主主要要包包括括：：结结构构自自重重；；回回填填土土重重量量；；围围岩岩压压力力；；弹弹性性抗抗力力；；静静水水压压力力（（含含浮浮力力））；；混混凝凝土土收收缩缩和和徐徐变变影影响响力力、、预预加加应应力力及及设设备备自自重重等等。。地地层层压压力力和和结结构构自自重重是是衬衬砌砌承承受受的的主主要要静静荷荷载载，，弹性性抗抗力力是是地地下下结结构构所所特特有有的的被被动动荷荷载载。（2）可可变变（（附附加加））荷荷载载分为为基基本本可可变变荷荷载载和和其其它它可可变变荷荷载载两两类类。。基本本可可变变荷荷载载，即即长长期期的的、、经经常常作作用用的的变变化化荷荷载载，，如如吊吊车车荷荷载载、、设设备备重重量量、、地下下储储油油库库的的油油压压力力、车车辆辆、、人人员员等等荷荷重重人人群群荷荷载载等等。。其它它可可变变荷荷载载，即即非非经经常常作作用用的的变变化化荷荷载载，，如如温度度变变化化、、施施工工荷荷载载（施施工工机机具具，，盾盾构构千千斤斤顶顶推推力力，，注注浆浆压压力力））等等。。（3）偶偶然然（（特特殊殊））荷荷载载偶然然发发生生的的荷荷载载，，如如地震震力力或战战时时发发生生的的武武器器爆爆炸炸冲冲击击动动荷荷载载。。4.1.2荷载载组组合合各种种荷荷载载对对结结构构可可能能不不是是同同时时作作用用，，需需进进行行最最不不利利情情况况的的组组合合。。先先计计算算个个别别荷荷载载单单独独作作用用下下的的结结构构各各部部件件截截面面的的内内力力，，再再进进行行最最不不利利的的内内力力组组合合，，得得出出各各设设计计控控制制截截面面的的最最大大内内力力。。最最不不利利的的荷荷载载组组合合一一般般有有以以下下几几种种情情况况：：（一一））静静载载；；（二二））静静载载+活载载；；（三三））静静载载+动载载（（原原子子爆爆炸炸动动载载、、炮炮（（炸炸））弹弹动动载载））4.1.2荷载载组组合合指将可能同时时出现在地下下结构上的荷荷载进行编组组，取其最不不利组合作为为设计荷载，，以最危险截截面中最大内内力值作为设设计依据。我国公路和铁铁路隧道设计计规范中给出出的永久、可可变及偶然荷荷载（在铁路隧道设设计规范中采采用概率极限限状态设计法法时称为作用用）参见表4-1和表4-2。表4-1公路隧道设计计规范（JTJ026-90）的隧道荷载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]设计隧道结构构时，按其可可能出现的最最不利情况组组合。表4-2铁隧道设计规规范（TB10003-2001,J117-2001）的隧道作用用（荷载）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荷载的确定方方法4.2.1确定依据据(1)依据规范范：当前在地地下建筑筑结构设设计中试试行的规规范、技技术措施施、条例例等有多多种。有有的仍沿沿用地面面建筑的的设计规规范，设计时应应遵守各各有关规规范。。(2)设计标准准1）根据建筑用途途、防护护等级、、地震等等级等确定。。2）地下建建筑结构构材料的选选用3）地下衬衬砌结构构一般为为超静定定结构，，其内力在弹性阶阶段可按按结构力力学计算。考虑抗抗爆动载载时，允允许考虑虑由塑性性变形引引起的内内力重分分布。4.2荷载的确确定方法法3）截面计计算原则则结构截面面计算时时，按总安全系系数法进行，，一般进进行强度、裂裂缝（抗裂度度或裂缝缝宽度））和变形的的验算等。混凝凝土和砖砖石结构构仅需进进行强度度计算，，并在必必要时验验算结构构的稳定定性。钢筋混凝凝土结构构在施工和和正常使使用阶段段的静荷荷载作用用下，除按强度度计算外外，一般般应验算算裂缝宽宽度，根据工工程的重重要性，，限制裂裂缝宽度度小于0.10~0.20mm，但不允允许出现现通透裂裂缝。对对较重要要的结构构则不能能开裂，，即验算算抗裂度度。钢筋混凝凝土结构构在爆炸动动载作用用下只需进行行强度计计算，不不作裂缝缝验算。4）安全系系数结构在静静载作用用下的安全系数数可参照有有关规范范确定。对于地下下建筑结结构，如如施工条条件差，，不易保保证质量量和荷载载变异大大时，对对混凝土土和钢筋筋砼结构构需考虑虑用附加加安全系系数1.1。静载下的的抗裂安安全系数数不小于于1.25，视工程程重要性性，可予予提高。。结构在爆爆炸荷载载作用下下，由于于爆炸时时间较短短，而荷荷载很大大，为使使结构设设计经济济和配筋筋合理，，其安全全系数可可以适当当降低。。5）材料强强度指标标一般采用用工业与民民用建筑筑规范中中的规定定值，亦亦可根据据实际情情况，参参照水利利、交通通、人防防和国防防等专门门规范。结构在动动载作用用下，材材料强度度可以提提高；提提高系数数见有关关规定。。4.3岩土体压压力的计计算方法法土压力是是土与挡挡土结构构之间相相互作用用的结果果，它与结构的的变位有有着密切切关系。以挡土墙墙为例，，作用在在挡土墙墙墙背上上的土压压力可以以分为静止土压压力、主主动土压压力（往往往简称称土压力力）和被被动土压压力（往往简简称土抗抗力）三三种，其其中主动动土压力力值最小小，被动动土压力力值最大大，而静静止土压压力值介介于两者者之间。。2.3.1经典土压压力理论论软土地区区浅埋的的地下工工程，采采用““土柱理理论”计计算。竖向土压压力即为为结构顶顶盖上整整个土柱柱的全部部重量。侧向土压压力经典典理论主主要是库库伦（Coulomb）理论和和朗肯（（Rankine）理论。。静止土压压力计算算一般采采用弹性性理论，它也可可以称为为经典理理论。尽管上述述经典土土压力理理论存在在许多不不足之处处，但是是在工程界界仍然得得到广泛泛应用。4.3.2围岩压力力的计算算（一）围围岩压力力及其影影响因素素1、围岩岩压力的的概念围岩压力力是指位位于地下下结构周周围变形形及破坏坏的岩层层，作用用在衬砌砌或支撑撑上的压压力。洞室开挖挖之前，，地层中中的岩体体处于复复杂的原原始应力力平衡状状态。洞洞室开挖挖之后，，围岩中中的原始始应力平平衡状态态遭到破破坏，应应力重新新分布，，从而使使围岩产产生变形形。当变变形发展展到岩体体极限变变形时，，岩体就产生破破坏。如在围岩发发生变形时及及时进行衬砌砌或围护，阻阻止围岩继续续变形，防止止围岩塌落，，则围岩对衬衬砌结构就要要产生压力，，即所谓的围围岩压力。。围岩压力可分分为围岩垂直直压力、围岩岩水平压力及及围岩底部压压力。2、影响围岩岩压力的因素素影响围岩压力力的因素很多多，主要与岩体体的结构、岩岩石的强度、、地下水的作作用、洞室的的尺寸与形状状、支护的类类型和刚度、、施工方法、、洞室的埋置置深度和支护护时间等因素素相关。其中，岩体稳稳定性的关键在于岩体体结构面的类类型和特征。按围岩压力及及作用分：支护结构理论论的发展可以以划分为三个个阶段：第一阶段：古古典岩土压力力理论阶段兴起于20世纪20年代以前，代代表性人物主主要有海姆（（A.Haim）、朗肯（W.J.M.Rankine）和金尼克（（A.H.Диииик）。认为作用在支支护结构上的的压力是其上上覆岩层的重重量，侧压力力方面，海姆姆认为侧压系系数为1，朗肯根据松松散体理论认认为是，而金金尼克根据弹弹性理论认为为是μ/(1-μ)（μ为岩体的泊松松比）。当时时地下工程埋埋藏深度不大大，一度被认认为是正确的的。第二阶段：散散体压力理论论阶段代表性人物是是泰沙基（K.Terzaghi，太沙基）和和普罗托季亚亚科诺夫（普普氏，M.M.Лротдъъяконоов）。认为当地下工工程埋藏深度度较大时，支支护上的压力力只是围岩坍坍落拱内松动动岩体的重量量，坍落拱的的高度与地下下工程的跨度度及围岩的性性质有关。太沙基认为坍坍落拱为矩形形，而普罗托托季亚科诺夫夫认为是抛物物线形。并通过假定抗力的形形式考虑围岩与结结构的相互作作用。采用荷载—结构法进行结结构内力计算算。第三阶段：共共同作用理论论阶段没能科学地确确定坍落拱的的高度及其形形成过程，更更没有认识到到稳定围岩和充充分发挥围岩岩的自承作用用问题。20世纪50年代以来，岩岩石力学开始始成为一门独独立的学科，，围岩弹性、、弹塑性及粘粘弹性解答逐逐步出现，锚锚（杆）喷（（射混凝土））支护及新奥奥法（新奥地地利隧道设计计施工）的兴兴起，终于形形成了以岩石石力学原理（（围岩）及弹弹性力学（结结构）为基础础的、考虑支护结构构与围岩共同同作用的地下下现代支护理理论。我国采用较多多的仍是以散散体压力理论论为基础的荷载——结构法，一方面该理理论发展时间间较长，有较较多经验，另另一方面是该该计算理论形形式简单，比比较容易为工工程设计人员员所掌握。只对圆形断面面才有封闭的的解析解，设设计中一般作作为校核，但但近年来地层——结构法得到了越来越越广泛的应用用。地下结构的计计算理论（按按地下结构分分）：1、刚性结构阶阶段刚性结构的计计算理论，如如压力线理论论等。背景：十九世世纪砖石结构构流行分析方法：三三铰拱静定体体系设计准则：2、弹性结构阶阶段背景：十九世世纪未混凝土土、钢筋混凝凝土结构出现现分析方法：弹弹性连续拱形形框架体系设计准则：混混凝土设计规规范3、假定抗力阶阶段背景：(1910年O.Kommerall；….)1934年Зурабоов，бугаевва分析方法：镰镰刀形抗力图图形作为荷载载计算设计准则：分析方法：抗抗力大小，及及其位置均由由计算决定在主动荷载作作用下发生弹弹性变形的同同时，将受到到地层对其变变形产生的约约束作用。将将这类约束作作用假设为弹弹性抗力，地地下结构计算算理论便有了与地面结结构不同的特特点。弹性抗力结构在主动荷荷载作用下，，要产生变形形。以隧道工工程为例，如如图所示的曲曲墙拱形结构构，在主动荷荷载（垂直荷荷载大于水平平荷载）作用用下，产生的的变形如虚线线所示：4、连续介质力力学理论计算机数值方方法与设计CAD1966年S.F.Reyes,D.U.Deere圆形隧道的弹弹塑性屈服准准则应用1968年O.C.Zienkiewicz无拉分