5-地下建筑结构设计(5)18课件.ppt

1、建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院5.15.1 结构型式、分类与选择；结构型式、分类与选择；5.25.2 结构设计的主要内容；结构设计的主要内容；5.35.3 荷载确定（难点、重点）；荷载确定（难点、重点）；5.45.4 结构设计模型与计算方法。结构设计模型与计算方法。5 5 地下建筑结构设计地下建筑结构设计建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院5.15.1 结构型式、分类与选择结构型式、分类与选择结构型式影响因素：结构型式影响因素：（1 1）受力条件（地层条件）：）受力条件（地层条件）：（2 2）使用要求（使用目的）：）

2、使用要求（使用目的）：（3 3）施工方案（施工技术）：在地层条件和使用目的相同条件下，施工方）施工方案（施工技术）：在地层条件和使用目的相同条件下，施工方法不同，结构型式也不同！法不同，结构型式也不同！建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院土层地下建筑结构：土层地下建筑结构：（1 1）附建式结构：）附建式结构：房屋建筑下面的地下室房屋建筑下面的地下室 分类方案一：按土、岩分别对待分类方案一：按土、岩分别对待建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院（2 2）浅埋式结构：）浅埋式结构：覆土厚度仅覆土厚度仅5 51010m m左右左右

3、(薄薄)；覆土厚度小于结构尺寸；覆土厚度小于结构尺寸；多采用明挖法施工。多采用明挖法施工。建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院（3 3）沉井（箱）结构：）沉井（箱）结构：沉井施工时需要在沉井底部挖土，顶部出土沉井施工时需要在沉井底部挖土，顶部出土 。建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院（4 4）盾构法结构：）盾构法结构：盾构推进时，以圆形为最宜，故常采用装配式圆形衬砌盾构推进时，以圆形为最宜，故常采用装配式圆形衬砌 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院（5 5）连续墙结构：）连续墙结构：

4、先建造两条连续墙，然后在中间挖土，修建底板、顶板先建造两条连续墙，然后在中间挖土，修建底板、顶板和中间楼层和中间楼层 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院（6 6）沉管法结构：）沉管法结构：一般做成箱形结构，二端加以临时封门，运至预定水面一般做成箱形结构，二端加以临时封门，运至预定水面处，沉放到设计位置，处，沉放到设计位置，建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院（7 7）其它：）其它：比如，顶管结构等。比如，顶管结构等。建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院岩石地下建筑结构：岩石地下建筑结构

5、：（1 1）拱形结构：最常用！多采用矿山法暗挖施工。）拱形结构：最常用！多采用矿山法暗挖施工。建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院（2 2）喷锚结构：）喷锚结构：建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院 （3 3）穹顶结构（按教材定义，称为一种薄壳结构，中）穹顶结构（按教材定义，称为一种薄壳结构，中间无柱或墙）：间无柱或墙）：（4 4）复合结构：）复合结构：该分类点评：该分类点评：1 1、总体以施工工艺为主线进行分类，特别是土层中、总体以施工工艺为主线进行分类，特别是土层中的分类。的分类。2 2、岩石中的分类有点乱，前两种以施

6、工工艺为主线、岩石中的分类有点乱，前两种以施工工艺为主线，后两种以构造形式为依据。，后两种以构造形式为依据。建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院（1 1）拱形结构：）拱形结构：（2 2）圆形和矩形管状结构：）圆形和矩形管状结构：（3 3）框架结构：）框架结构：（4 4）薄壳结构：）薄壳结构：（5 5）异形结构：）异形结构：注意：教材中有关结构设计、计算等相关问题是按照该分类方案展开论注意：教材中有关结构设计、计算等相关问题是按照该分类方案展开论述的！本次讲课只涉及其中一小部分内容。述的！本次讲课只涉及其中一小部分内容。分类方案二：按构造形式不同（教材分类方案

7、二：按构造形式不同（教材P72P727575）建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院（1 1）拱形结构：前面讲的）拱形结构：前面讲的“拱形结构拱形结构”+喷锚结构喷锚结构分类方案二：按构造形式不同分类方案二：按构造形式不同建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院（2 2）圆形和矩形管状结构：）圆形和矩形管状结构：（3 3）框架结构：）框架结构：（4 4）薄壳结构：）薄壳结构：（5 5）异形结构：）异形结构：该分类点评：该分类点评：分类方案二：按构造形式不同分类方案二：按构造形式不同建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院

8、建筑工程学院建筑工程学院分两个阶段：初步设计；技术设计（包括施工图）。分两个阶段：初步设计；技术设计（包括施工图）。初步设计内容：初步设计内容：（一）工程等级和要求，以及静、动载标准的确定；（一）工程等级和要求，以及静、动载标准的确定；（二）确定埋置深度与施工方法；（二）确定埋置深度与施工方法；（三）草算荷载值；（三）草算荷载值；（四）选择建筑材料；（四）选择建筑材料；（五）选定结构型式和布置；（五）选定结构型式和布置；（六）估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度主要尺寸；（六）估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度主要尺寸；（七）绘制初步设计结构图；（七）绘制初步设计结构图；（八）估算工程材料数

9、量及财务概算。（八）估算工程材料数量及财务概算。5.2 5.2 结构设计的主要内容结构设计的主要内容建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院 在初步设计批准后开始技术设计。主要内容：在初步设计批准后开始技术设计。主要内容：（一）计算荷载：求出作用在结构上的各种荷载值；（一）计算荷载：求出作用在结构上的各种荷载值；（二）计算简图：拟定出恰当的计算图式；（二）计算简图：拟定出恰当的计算图式；（三）内力分析：选择结构内力计算方法，得出控制截面的内力；（三）内力分析：选择结构内力计算方法，得出控制截面的内力；（四）内力组合：对最不利的内力组合，求出各控制截面的最大设计内

10、力（四）内力组合：对最不利的内力组合，求出各控制截面的最大设计内力值；值；（五）配筋设计：计算得出受力钢筋，并确定分布钢筋与架立钢筋；（五）配筋设计：计算得出受力钢筋，并确定分布钢筋与架立钢筋；（六）绘制结构施工详图：结构平面图，结构构件配筋图，节点详图，内（六）绘制结构施工详图：结构平面图，结构构件配筋图，节点详图，内部设备的预埋件图等。部设备的预埋件图等。注意：与地面结构设计比较！注意：与地面结构设计比较！建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院 PART A PART A 横向框架的设计：横向框架的设计：将一个空间结构简化成单位米长的平面结构进行分析。将一

11、个空间结构简化成单位米长的平面结构进行分析。示例示例 隧道结构设计要点隧道结构设计要点 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院PART B PART B 纵向设计：纵向设计：纵向配筋，沿纵向是否需要分段，每段长度多少等。纵向配筋，沿纵向是否需要分段，每段长度多少等。变形缝的设置：伸缩缝、沉降缝。变形缝的设置：伸缩缝、沉降缝。变形缝间的隧道区段，视作截面为箱形的弹性地基梁计算。变形缝间的隧道区段，视作截面为箱形的弹性地基梁计算。建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院PART C PART C 出入口设计：出入口设计：规模小但较复

12、杂，有竖井、斜井、楼梯、三防房间、防护门规模小但较复杂，有竖井、斜井、楼梯、三防房间、防护门等结构。等结构。出入口结构应与主体结构等强度。出入口结构应与主体结构等强度。建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院难题：荷载计算，特别是围岩压力计算复杂，地下结构与围难题：荷载计算，特别是围岩压力计算复杂，地下结构与围岩关系非常复杂！岩关系非常复杂！一方面，围岩给地下结构施加围岩压力，一方面，围岩给地下结构施加围岩压力，即荷载；另一方面，围岩又帮助地下结构承受荷载，减少结即荷载；另一方面，围岩又帮助地下结构承受荷载，减少结构的内力。构的内力。注意以下几个问题：注意以下几

13、个问题：1、地下结构荷载特征：围岩与地下结构相互作用。、地下结构荷载特征：围岩与地下结构相互作用。有别有别于地面结构的显著特征于地面结构的显著特征。2、相互作用的效果主要取决于地层条件以及结构与地层、相互作用的效果主要取决于地层条件以及结构与地层的相对刚度。的相对刚度。对于稳固地层，地层刚度大于结构刚度，地层约束作用大对于稳固地层，地层刚度大于结构刚度，地层约束作用大，而产生的围岩压力小。，而产生的围岩压力小。对于不稳固地层，结构刚度大于地层刚度，地层约束作用对于不稳固地层，结构刚度大于地层刚度，地层约束作用小，甚至忽略不计，则产生的围岩压力大。小，甚至忽略不计，则产生的围岩压力大。5.35.

14、3 荷载确定荷载确定 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院3、围岩与地下结构相互作用非常复杂！加上地下结构受力特、围岩与地下结构相互作用非常复杂！加上地下结构受力特征还与施工工艺有关，导致所谓的征还与施工工艺有关，导致所谓的“结构计算结构计算”无法成为精无法成为精确的设计依据。确的设计依据。4、地下结构设计通用做法：采用结构计算、经验判断和实、地下结构设计通用做法：采用结构计算、经验判断和实测相结合的信息化设计施工方法。测相结合的信息化设计施工方法。5.35.3 荷载确定荷载确定 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院5.3

15、.15.3.1荷载种类：荷载种类：（一）永久荷载：也称恒载：（一）永久荷载：也称恒载：长期作用在结构上且大小、方向与作用点不变，如结构自重、围岩（土）长期作用在结构上且大小、方向与作用点不变，如结构自重、围岩（土）压力和地下水压力等，还有弹性抗力（地下结构特有的）。压力和地下水压力等，还有弹性抗力（地下结构特有的）。（二）可变荷载：也称活荷载：（二）可变荷载：也称活荷载：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。又可细分为基本可变（经常作用的）和其它可变（非经常作用的变化。又可细分为基本可变（经常作用的

16、）和其它可变（非经常作用的）荷载。）荷载。（三）偶然荷载：（三）偶然荷载：原子武器和常规武器（炸弹、火箭）爆炸冲击波压力荷载；在抗震区计算原子武器和常规武器（炸弹、火箭）爆炸冲击波压力荷载；在抗震区计算地震波作用下的动荷载作用。地震波作用下的动荷载作用。特别说明：各种荷载不一定同时存在！采用可能的荷载组合。特别说明：各种荷载不一定同时存在！采用可能的荷载组合。荷载组合：取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荷载组合：取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。设计依据。5.35.3 荷载确定荷载确定 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学

17、院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院5.3.2 5.3.2 荷载确定方法：一般按使用的规范和设计标准确定。荷载确定方法：一般按使用的规范和设计标准确定。使用规范：使用规范：设计时遵守各有关规范。有的沿用地面建筑的设计规范。设计时遵守各有关规范。有的沿用地面建筑的设计规范。设计标准：设计标准：（一）根据建筑用途、防护等级、地震等级等确定建筑物荷载。（一）根据建筑用途、防护等级、地震等级等确定建筑物荷载。（二）建筑材料选用：满足规范和工程实际要求。（二）建筑材料选用：满足规范和工程实际要求。（三）一般为超静定结构，弹性阶段按结构力学计算（三）一般为

18、超静定结构，弹性阶段按结构力学计算 。（四）截面计算原则：按总安全系数法进行，对强度、裂缝和变形进行（四）截面计算原则：按总安全系数法进行，对强度、裂缝和变形进行验算。验算。（五）安全系数：可参见规范。一般施工条件差，比如现浇混凝土要考（五）安全系数：可参见规范。一般施工条件差，比如现浇混凝土要考虑附加安全系数。虑附加安全系数。（六）材料强度指标：按相关规范规定。（六）材料强度指标：按相关规范规定。5.35.3 荷载确定荷载确定 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院5.3.3 5.3.3 岩土体压力计算岩土体压力计算 对大多数地下工程，是对大多数地下工程，是

19、至关重要的荷载至关重要的荷载。其一，结构设计计算的控制性因素；其一，结构设计计算的控制性因素；其二，复杂性和不确定性，不敢，也不能掉以轻心。其二，复杂性和不确定性，不敢，也不能掉以轻心。一、土压力的计算一、土压力的计算 核心内容：核心内容：“土力学土力学”中涉及的土各种压力计算。且以浅中涉及的土各种压力计算。且以浅“土土”为主，问题要简单一些。为主，问题要简单一些。问题：浅问题：浅“土力学土力学”和深和深“土力学土力学”问题？问题？岩石的岩石的“浅浅”、“深深”问题更严重！问题更严重！5.35.3 荷载确定荷载确定 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院二、二

20、、围岩压力的计算（参见教材围岩压力的计算（参见教材P63P636969）有多种计算理论与方法，常用有两种：有多种计算理论与方法，常用有两种：、按松散体理论计算、按松散体理论计算（）垂直围岩压力的计算（）垂直围岩压力的计算）浅埋结构：结构上部全部岩体重量作用于结构上。垂直围岩压力：）浅埋结构：结构上部全部岩体重量作用于结构上。垂直围岩压力：问题：上式计算是一种最不利的情况！问题：上式计算是一种最不利的情况！5.35.3 荷载确定荷载确定 Hq建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院通过图（通过图（b)b)分析计算：分析计算：当深度大到一定时，围岩压力消失，显然不合

21、理。当深度大到一定时，围岩压力消失，显然不合理。）深埋结构：）深埋结构：5.35.3 荷载确定荷载确定 tan245tan21021aHHq建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院拱高度计算：拱高度计算：该公式为世纪初开始应用的，由普洛托季雅科诺夫提该公式为世纪初开始应用的，由普洛托季雅科诺夫提出，称普氏理论。其中，为普氏系数，可通过工出，称普氏理论。其中，为普氏系数，可通过工程经验或规范中得到。程经验或规范中得到。特别指出：在地下结构设计中，围岩压力取均布形式特别指出：在地下结构设计中，围岩压力取均布形式，并按，并按 h h 计算，可以得到类似教材计算，可以得

22、到类似教材64 64 图图3-13-1的结果。的结果。5.35.3 荷载确定荷载确定 upfah1upf建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院问题：深埋和浅埋的界定（问题：深埋和浅埋的界定（P63P63）：）：重要概念：围岩分类（完整性）重要概念：围岩分类（完整性）5.35.3 荷载确定荷载确定 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院（2 2）水平围岩压力的计算）水平围岩压力的计算 对对松软岩层要考虑水平围岩压力松软岩层要考虑水平围岩压力！一般计算：垂直围岩压力乘以侧压力系数（按主动土一般计算：垂直围岩压力乘以侧压力系数（按主

23、动土压力计算系数）压力计算系数）这样可以分别得到浅埋和深埋结构的水平围岩压力：这样可以分别得到浅埋和深埋结构的水平围岩压力：1 1、P67 P67 公式公式3-133-13（有错误）；（有错误）；2 2、P64 P64 公式公式3-143-14。注意：注意：P67 P67 公式公式3-133-13参数注释中的参数注释中的“S”S”是多余的！是多余的！错误！错误！5.35.3 荷载确定荷载确定 245tan02建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院2 2 按围岩分级和经验公式确定围岩压力按围岩分级和经验公式确定围岩压力 理论计算均在简化模型基础上得到的，有局限性

24、。理论计算均在简化模型基础上得到的，有局限性。根据工程实践，提出经验公式，更贴近工程实际！根据工程实践，提出经验公式，更贴近工程实际！1 1）公路隧道设计规范（）公路隧道设计规范（JTJ026-90JTJ026-90）（）（P65P6566,66,特别标注特别标注20042004版新版新规范已出规范已出）：）：2 2）铁路隧道设计规范（）铁路隧道设计规范（TB10003-2001TB10003-2001，J117-2001J117-2001）（）（P66P6667,67,特特别标注别标注20052005版新规范已出版新规范已出）：）：围岩压力确定点评：我国多采用工程类比法，并采用现场实测和围岩

25、压力确定点评：我国多采用工程类比法，并采用现场实测和理论计算的方法进行验算！理论计算的方法进行验算！5.35.3 荷载确定荷载确定 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院5.3.4 5.3.4 弹性抗力计算（弹性抗力计算（P71P71）地下建筑结构特有的，区别于地面结构的显著特点之一。围地下建筑结构特有的，区别于地面结构的显著特点之一。围岩与结构相互作用的结果。弹性抗力的描述方法有：岩与结构相互作用的结果。弹性抗力的描述方法有：q 以弹性理论为基础的共同变形理论。较合理。以弹性理论为基础的共同变形理论。较合理。q 以文克尔假定为基础的局部变形理论。计算较简单，

26、一以文克尔假定为基础的局部变形理论。计算较简单，一般能满足工程精度要求，多采用。般能满足工程精度要求，多采用。弹性抗力系数确定：工程经验或规范等。弹性抗力系数确定：工程经验或规范等。5.35.3 荷载确定荷载确定 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院5.4.1 5.4.1 地下结构设计主要模型与计算方法（地下结构设计主要模型与计算方法（P14P141515）1 1、荷载结构模型：、荷载结构模型：2 2、地层结构模型：、地层结构模型：3 3、经验类比模型：、经验类比模型：我国隧道设计主要采用前我国隧道设计主要采用前3 3种。种。4 4、收敛限制模型：、收敛限制

27、模型：5.4 5.4 结构设计模型与计算方法结构设计模型与计算方法建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院5.4.2 5.4.2 荷载结构法及设计模型示例荷载结构法及设计模型示例1 1、浅埋在松散土中圆形隧道（整体式）结构计算、浅埋在松散土中圆形隧道（整体式）结构计算采用自由变形圆环法（教材采用自由变形圆环法（教材P79P798181）。）。2 2、浅埋在松散土中矩形结构的结构计算、浅埋在松散土中矩形结构的结构计算 按自由变形框架计算。具体计算可参见教材按自由变形框架计算。具体计算可参见教材P86P868787（仅荷（仅荷载部分）。载部分）。5.4 5.4 结构

28、设计模型与计算方法结构设计模型与计算方法建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院1、浅埋在松散土中圆形隧道（整体式）结构计算。、浅埋在松散土中圆形隧道（整体式）结构计算。可以采用自由变形圆环法可以采用自由变形圆环法 主要特征：结构可以自由变形。主要特征：结构可以自由变形。建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院（1）荷载计算：）荷载计算：1、环自重：、环自重：公式公式3-412、竖向地层压力：、竖向地层压力：公式公式3-453、水平地层压力：、水平地层压力：公式公式3-464、静水压力：、静水压力：公式公式3-475、地基反力：竖

29、向作用力的反力。、地基反力：竖向作用力的反力。公式公式3-48（2）内力计算：教材仅给出原则性求解过程（略）。）内力计算：教材仅给出原则性求解过程（略）。实际工作时，采用内力的查表计算。实际工作时，采用内力的查表计算。建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院 建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院 2、浅埋在松散土中矩形结构的结构计算。、浅埋在松散土中矩形结构的结构计算。地铁车站、通道等一般采用框架结构，部分浅埋区地铁车站、通道等一般采用框架结构，部分浅埋区间隧道也有采用矩形结构。间隧道也有采用矩形结构。对于浅埋（松散）矩形结构，同理，可按对于浅埋（松散）矩形结构，同理，可按自由变形自由变形框架计算。关键部分：荷载计算。框架计算。关键部分：荷载计算。建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院建筑工程学院5.4.3 5.4.3 地层结构法及设计模型简介（地层结构法及设计模型简介（91919494）5.4 5.4 结构设计模型与计算方法结构设计模型与计算方法