5-浅埋式地下结构

5浅埋式地下结构

本章提要：(1)浅埋式结构型式、特点及应用；(2)矩形闭合结构的设计要点，包括计算简图、内力计算、设计内力、截面设计、抗浮验算等。(3)矩形闭合结构的构造要求，包括配筋形式、混凝土保护层、受力与构造钢筋、箍筋、刚性节点及变形缝等。5.1概述浅埋式结构：指覆盖土层较薄，不满足压力拱的成拱条件(H土＜(2~2.5)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。浅埋式结构形式：直墙拱形结构、矩形闭合结构和梁板式结构，或者是上述形式的组合。浅埋式结构施工方法：一般采用明挖法施工，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。实例5.1.1直墙拱形结构

这种结构在小型地下通道以及早期的人防工程中比较普遍，多用在跨度1.5~4m左右的结构中。墙体通常用砖或块石砌筑，拱体视其跨度大小，可以采用砖砌拱、预制钢筋混凝土拱或现浇钢筋凝土拱。前两种多用于跨度较小的人防工程的通道部分，后一种则在跨度较大的工程中采用。从结构受力分析可知，拱形结构主要承受轴向压力，弯矩、剪力都较小，可以充分发挥砖、石、砼等抗压性能良好而抗拉性能较差的优点。拱顶部分按照其轴线形状又可分为半圆拱、割圆拱、抛物线拱等多种形式。

5.1.2矩形闭合结构

矩形闭合结构的顶、底板为水平构件，一般做成钢砼结构。其结构整体性和防水性能好，对建筑功能的适应性强，空间利用率高，挖掘断面经济，易于施工，因而应用变得更为广泛，如车行立交地道、地铁通道车站等。该结构有单层的单跨、双跨、多跨等形式；也有多层多跨的形式。特殊情况下还可以采用壳体或折板结构。图5.2

矩形闭合地下结构

当结构跨度较小时(一般<6m)，可采用单跨，如地铁车站或大型人防工程的出入口通道，过街地道等(图5.2a)；当跨度较大或为满足使用和工艺要求时，可以采用双跨和多跨(图5.2b)。有时为了改善通风条件和节约材料，中间隔墙可开设孔洞(图5.2c)，或中间隔墙用梁、柱代替(图5.2d)。多层多跨的结构，如图5.2(e)所示。

5.1.3梁板式结构该种结构主要特征是其顶、底板做成现浇钢砼梁板式结构，在建筑物的地下室结构中应用很普遍，例如：地下医院、教室、指挥所等。在地下水位较低的地区或要求防护等级较低的工程中，梁板式结构围墙和隔墙可为砖墙；在地下水位较高或防护等级要求较高的工程中，一般除内部隔墙外，其余墙体均采用钢砼墙。图5.3某地下指挥所平面5.2矩形闭合结构矩形闭合结构是由钢筋混凝土墙、柱、顶板和底板整体浇筑的方形空间盒子结构，此种结构的顶板和底板均为水平构件，侧墙为竖向构件。根据水平构件尺寸将此类结构划分为两种结构体系，一种是框架结构体系，另一种是箱形结构体系，两种结构体系常采用不同的分析方法进行设计。地下结构的设计计算通常包括三方面的内容，即：荷载计算、内力计算、截面设计。这里仅介绍一些矩形闭合结构的内力计算和截面设计要点。5.2.1设计计算要点5.2.1.1计算简图(1)框架结构计算简图某些地下工程(如地下街、地铁通道等)的横断面比纵向短得多，且结构所受的荷载沿纵向的大小近乎不变，如纵向长度为L，横向宽度为B，当L/B＞2时，因端部边墙相距较远，对结构内力的影响很小，可不考虑结构纵向不均匀变形，把结构受力问题视为平面变形问题。计算时可沿纵向截取单位长度(例如1m长)的截条为计算单元，如图5.4所示。以截面形心连线作为框架的轴线，当做闭合框架来计算，计算简图见图5.5(a)所示。图5.5框架结构简图

有些地下结构，框架的顶、底板的厚度要比中隔墙大的多，所以，中隔墙的刚度相对较小，此时，当侧力不大时，将中隔墙看作只承受轴力的二力杆，误差也并不大，如图5.5(b)所示。也有些地下结构，由于功能要求，中间需设柱和梁，梁支承框架，柱支承梁，这种情况的计算简图应如图5.5(c)所示。图5.5框架结构简图

(2)箱形结构计算简图如果矩形闭合结构的横向宽度和纵向长度接近，就不能忽略两端部墙体影响，因而应视为空间的箱形结构。当采用近似方法对箱形结构进行计算时，顶板、底板、侧墙均可视为弹性支承条件板。5.2.1.2内力计算(1)框架结构内力近似计算当地下结构刚度较大，而地基较软，可假定地基反力为线性分布，按荷载作用下的钢砼结构计算内力，图5.6。内力解法用位移法，不考虑线位移影响时，可用力矩分配法等。当地下结构跨度较大(刚度较小)，而地基较硬时，宜将静荷载作用下地层中的闭合框架按弹性地基上的框架进行计算，弹性地基可按温克尔地基考虑，也可将地基视作弹性半无限平面，如图5.7所示。

图5.6地基反力线性分布时框架计算简图

图5.7弹性地基上框架计算简图

弹性地基上闭合框架的内力计算方法

——以单层单跨对称框架为例

如图5.8(a)所示的弹性地基上的单层单跨对称框架，计算时采用如图5.8(b)所示的基本结构，即将上部框架与底板相连接的刚节点替换为铰接，同时加一个未知力x1，使原封闭框架成为两铰框架。由变形连续条件可列出如下的力法方程：图5.8弹性地基上单层单跨框架计算图

由于基本结构对称，方程(5.1)中δ11、Δ1P可按下述方法计算：利用图5.8(c)，首先求出两铰框架A处的角变位，然后在求出基础梁(底板)A端的角变位，这两者的角变位之和即为Δ1P；同样地，利用图5.8(d)，求出的这两者的角变位之和即为δ11。将以上求得的δ11、Δ1P代入方程(5.1)中，可得到未知力x1，进而可以分别求解两铰框架和基础梁(底板)的内力。图5.8弹性地基上单层单跨框架计算图

(2)箱形结构内力近似计算将顶板、底板、侧墙均可视为弹性支承条件板，各块板的荷载性质相同，因此可按下述公式及表格求出各块板的跨中和支座弯矩。式中M中，M支—板的跨中弯矩，支座弯矩(kN·m)；

M0—板在简支条件下的跨中弯矩(kN·m)；

m

—系数，按表5.1确定(P56)；

K

—板的嵌固刚度系数，按式(5.4)~(5.6)确定(P56)。

(1)设计弯矩根据计算简图求得的结构内力，是节点处的内力(即构件轴线相交处的内力)，然后利用平衡条件可以求得各杆任意截面处的内力。由图5.9可见，节点弯矩(计算弯矩)虽然比附近截面的弯矩为大，但其对应的截面高度是侧墙的高度，所以，实际不利的截面(弯矩大而截面高度又小)则是侧墙边缘处的截面，对应这个截面的弯矩称为设计弯矩。

5.2.1.3设计内力图5.9设计弯矩计算示意图

根据隔离体平衡条件，可得设计弯矩为：图5.9设计弯矩计算示意图

设计中为了简便起见，可近似采用：式中Mi，Mp—设计弯矩，计算弯矩(kN·m)；

Qp

—计算剪力(kN)；b

—支座宽度(m)；

q

—作用在杆件上的均布荷载(kN/m2).

设计剪力的不利截面仍处于支座边缘，如图5.10所示。根据隔离体平衡条件，可得设计剪力为：图5.10设计剪力计算示意图

(3)设计轴力由静载引起的设计轴力按下式计算：式中Np—由静载引起的计算轴力(kN)。由等效静载引起的设计轴力为式中Npt—由等效静载引起的计算轴力(kN)；

ζ—折减系数，顶板可取0.3，底板、侧墙可取0.6。将上面两种情形求得的结果相加，即得杆件的最后设计轴力。(2)设计剪力

5.2.1.4截面设计

地下结构的截面选择和强度计算，除特殊要求外，一般以《GB50010-2010混凝土结构设计规范》为准。在特殊荷载与其他荷载共同作用下，按弯矩及轴力对构件进行强度验算时，要考虑材料在动载作用下强度提高，而按剪力和扭力对构件进行强度验算时，则不考虑强度提高问题。在设有支托的框架进行构件截面验算时，杆件两端的截面计算高度采用h+s/3。h为构件截面高度，s为平行于构件轴线方向的支托长度。同时，h+s/3的值

不得超过杆端截面高度h1，即h+s/3

≤h1

，如图5.11所示。地下矩形闭合框架结构的构件(顶板、侧墙、底板)常按偏心受压构件进行截面验算。图5.11设支托框架杆端截面计算高度取值

5.2.1.5抗浮验算

当地下工程位于水位较高的土层中，为了保证结构不致因为地下水的浮力而浮起，在设计完成后，尚需按下式进行抗浮验算，计算式为：当箱体已经施工完毕，但未安装设备和回填土时，计算时只应考虑结构自重。5.2.2构造要求

配筋形式：构件断面上宜配置双层钢筋；在闭合框架角部常设置支托，并配置箍筋和弯起钢筋。

图5.12配筋形式砼保护层：受力钢筋的保护层最小厚度通常比地面结构增加5~10mm。横向受力钢筋：受弯构件及大偏心受压构件受拉主筋的配筋率，一般应不大于1.2%，最大不得超过1.5%。配置受力钢筋要求细而密。为便于施工，同一结构中选用的钢筋直径和型号不宜过多。通常，受力钢筋直径d≤32mm，对于以受弯为主的构件d≥10~14mm；对于以受压为主的构件d≥12~16mm。受力钢筋的间距应不大于200mm，不小于70mm。纵向分布钢筋：纵向分布钢筋的截面面积，一般应不小于受力钢筋截面面积的10%，同时，纵向分布钢筋的配筋率：顶、底板不宜小于0.15%；侧墙不宜小于0.20%。纵向分布钢筋应沿框架周边各构件的内、外两侧布置，间距100~300mm，直径不小于12~14mm。在框架角部，分布钢筋应适当加强(如加粗或加密)。箍筋：地下结构断面厚度较大，一般可不配置箍筋，如计算需要时，按下述规定配置：①框架结构的箍筋间距在绑扎骨架中不应大于15d，在焊接骨架中不应大于20d(d为受压钢筋中的最小直径)，同时不应大于400mm。②在受力钢筋非焊接接头长度内，当搭接钢筋为受拉筋时，其箍筋间距不应大于5d；当搭接钢筋为受压筋时，其箍筋间距不应大于10d(d为受力钢筋中的最小直径)。刚性节点构造：为缓和应力集中现象，在节点可加斜托，斜托的控制在1:3左右为宜。沿框架转角部分外侧的钢筋，其弯曲半径R必须为所用钢筋直径的10倍以上，即R≥10d。图5.13转角钢筋锚固图5.14转角附加箍筋变形缝的设置及构造：

为防止因不均匀沉