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1、地下建筑结构复习3地下建筑结构习题一.绪论1.地下建筑结构:埋置于地层内部的结构。2、地下建筑结构的作用：1）承重：承受岩土压力、结构自重以及其他荷载的作用。2）围护：防止岩土体风化、坍塌、防水、防潮等。3、地下建筑结构的设计原则：安全适用、技术先进、经济合理。4、地下建筑结构的设计两阶段：初步设计、技术设计（包括施工图）。5、地下建筑结构初步设计：在满足使用要求下，解决设计方案技术上的可行性与经济上的合理性，并提出投资、材料、施工等指标。6、地下建筑结构技术设计：解决结构的承载力、刚度和稳定、抗裂性等问题，并提供施工时结构各部件的具体细节尺寸及连接大样。7、地下建筑结构初步设计主要内容：1）
2、工程等级和要求，以及静、动荷载标准的确定。2 ）确定埋置深度与施工方法。3 ）初步设计荷载值。4 ）选择建筑材料。5 ）选定结构形式和布置。6 ）估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等主要尺寸。7 ）绘制初步设计结构图。8 ）估算工程材料数量及财务概算。9 、地下建筑结构技术设计主要内容：10 计算荷载：按围岩类别、建筑用途、防护等级、地震级别、埋置深度等求出作用在结构上的各种荷载值。2）计算简图：根据实际结构和计算的具体情况，绘出恰当的计算简图。3）内力分析：选择内力计算方法，得出结构各控制设计截面的内力。4）内力组合：在分别计算各种荷载内力的基础上，对最不利的可能情况进行内力组合，求出各控
3、制界面的最大设计内力值。5）配筋设计：通过截面承载力和裂筵计算得出受力钢筋，并确定必要的分布钢筋和架立钢筋。6）绘制结构施工详图：结构平面图、结构构件配筋图及节点详图；风、水、电和其他内部设备的预埋件图。7）材料、工程数量和工程预算。9、地下建筑结构的形式主要由使用功能、地质条件和施工技术等因素确定。10、确定地下建筑结构形式的因素：1）控制因素受力条件：在一定地质条件下的围岩压力、水土压力和一定的爆炸与地震等动载下求出最合理和经济的结构形式。2 ）制约因素使用要求：地下建筑物必须考虑使用要求。3 ）重要因素施工方案：在地质条件和使用条件相同情况下，施工方法不同其采取的结构形式也不同。11.土
4、层地下建筑结构的形式1）浅埋式结构：平面成方形或长方形，当顶板做成平顶时，常用梁板式结构。2）附建式结构：房屋下面的地下室，一般有承重的外墙、内墙（或内柱）和板式或梁板式顶底板结构。3）沉井（沉箱）结构：在沉井底部挖土，顶部出土，为一开口的井筒结构。4）地下连续墙结构：先建造四周的连续墙，然后在中间挖土，修建底板、顶板和中间楼层。5）盾构结构：盾构推进，圆形截面，常采用装配式圆形衬砌。6）沉管结构：一般做成箱形结构，两端加以临时封闭，托运至预定水面处，沉放至设计位置。7)其他结构：顶管结构、箱涵结构和水平定向钻进拖管等。12、岩石地下建筑结构的形式1)拱形结构：(1)贴壁式：半衬砌结构：只做拱
5、圈，不做边墙。厚拱薄墙衬砌结构：拱脚较厚，边墙较薄。直墙拱形衬砌：由拱圈、竖直边墙和底板组成，衬砌结构与围岩的超挖部分都进行密实回填。曲墙拱形衬砌：由拱圈、曲墙和底板组成，衬砌结构与围岩的超挖部分都进行密实回填。(2)离壁式：拱形衬砌与岩壁相离，其间空隙不做回填，仅拱脚处扩大延伸与岩壁顶紧的衬砌结构。2)喷锚结构：采用喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土、锚杆喷射混凝土或锚杆钢筋网喷射混凝土。3)穹顶结构：一种圆形空间薄壁结构，可做成顶、墙整体连接的整体式结构，也可做成顶、墙互不联系的分离式结构。4)连拱隧道结构：适用于洞口地形窄，或对两洞间距有特殊要求的中短隧道。5)复合衬砌结构：由初期支护、防水层
6、、二次支护组成。2、衬砌结构的荷载1.衬砌结构的荷载种类(1)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、岩土体压力和地下水压力等。(2)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，即瞬时作用的动荷载；在抗震区进行地下结构设计时，应按不同类型计算地震波作用下的动荷载作用。(3)活荷载：是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地面荷载、吊车荷载、落物荷载、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等。(4)其他荷载：混凝
7、土材料收缩受到约束而产生的内力；温度变化使地下结构产生内力；不均匀沉降变形使地下结构产生的内力。2、衬砌结构最不利的荷载组合一般有以下几种情况：(1)静载；(2)静载+活载；(3)静载+动载(原子爆炸动载、炮(炸)弹动载)。3、一般岩石地下建筑的荷载以作用在衬砌结构上的静荷载为主。4、地下室(附建式结构)，考虑动载作用时，地面部分房屋有被冲击波吹倒的可能，结构计算时是否考虑房屋的倒塌荷载需按有关规定确定。5、衬砌结构荷载确定方法的设计标准：根据建筑用途、防护等级、地震等级等确定设计地下建筑物的荷载。各种地下建筑结构均应承受正常使用时的静力荷载；地下建筑结构材料的选用,应满足规颊口工程实际要求；
8、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；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、裂缝和变形验算等。安全系数：结构在静载作用下的安全系数可按相关规范确定；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。6、围岩压力：是指位于地下结构周围岩土体发生变形或破坏，作用在衬砌结构或支撑结构上的压力。是作用在地下结构的主要荷载。7、围岩压力的影响因素围岩的结构；围岩的强度；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；
9、支护时间；其他因素8、地下结构与地面结构区别：(1)地下结构存在地层弹性抗力，其变形受到地层的约束；而地面结构的变形不受介质约束；(2)地下结构存在地层弹性抗力，结构的受力条件得以改善，其承载力有所增加。9、初始地应力由自重应力和构造应力两部分组成。10、局部变形理论：弹性地基某点上施加的外力只会引起该点的沉陷，EAAZinkIer假设:=k式中：。一岩土体的弹性抗力强度，kPa;k-岩土体的弹性抗力系数，kNm3;一岩土体计算点的位移值，moI1.共同变形理论：弹性地基上的一点外力，不仅引起该点发生沉陷，而且还会引起附近一定范围的地基沉陷。12、当地下结构产生压向地层的变形，由于结构与岩土体
10、紧密接触，则岩土体将制止结构的变形，从而产生了对结构的反作用力，即弹性抗力。13、按松散体理论计算围岩压力时，确定浅埋结构上的最大围岩垂直压力的深度和最大围岩垂直压力。14、确定普氏压力拱的高度。3、弹性地基中结构物的计算1.弹性地基梁：是指搁置在具有一定弹性地基上，各点与地基紧密相贴的梁。2、弹性地基梁与普通梁的两大区别：(1)超静定次数是无限还是有限普通梁只在有限个支座处与基础相连，梁所受的支座反力是有限个未知力，因此，普通梁是静定的或有限次超静定的结构。弹性地基梁与地基连续接触，梁所受的反力是连续分布的，具有无穷多个支点和无穷多个未知反力，因此，弹性地基梁是无穷多次超静定结构。(2)地基
11、的变形是考虑还是略去普通梁的支座通常看作刚性支座，即略去地基的变形，只考虑梁的变形。弹性地基梁则必须同时考虑地基的变形；梁与地基是共同变形的；一方面梁给地基以压力，使地基沉陷，反过来，地基给梁以相反的压力，限制梁的位移。3、温克尔(E.Winkler)对地基提出了如下假设：地基表面任一点的沉降与该点单位面积上所受的压力成正比。4、半无限体弹性地基模型假设：地基为一均质、连续、弹性的半无限体。5、半无限体弹性地基模型优点：反映了地基的连续整体性；从几何上、物理上对地基进行了简化，因而可以把弹性力学中有关半无限弹性体的经典问答已知结论作为计算的基础。缺点：弹性假设没有反映土体的非弹性性质；均质假设
12、没有反映土体的不均匀性；半无限体假设有反映地基的分层特点；本模型在数学处理上比较复杂，因而在应用上也受到一定的限制。6、在弹性地基梁的计算理论中，除局部弹性地基模型假设外，还需作如下三个假设：地基梁在外荷载作用下产生变形的过程中，梁底面与地基表面始终紧密相贴，即地基的沉陷或隆起与梁的挠度处处相等；由于梁与地基间的摩擦力对计算结果影响不大，可以略去不计，因而，地基反力处处与接触面相垂直；地基梁的高跨比较小，符合平截面假设，因而可直接应用材料力学中有关梁的变形及内力计算结论。7、短梁(有限长梁)：当弹性地基梁的换算长度1入2.75时,属短梁。长梁：可分为无限长梁、半无限长梁。当换算长度入2.乃时，
13、属于长梁；若荷载作用点距梁端的换算长度均不小于2.75时，可忽略该荷载对梁端的影响，为无限长梁；若荷载作用点仅距梁一端的换算长度不小于2.75时，可忽略该荷载对这一端的影响，而对另一端的影响不能忽略，为半无限长梁，无限长梁可化为两个半无限长梁。刚性梁：当换算长度人1时，属于刚性梁。8、在弹性地基梁的计算理论中，除局部弹性地基模型假设外，还需作如下三个假设：地基梁在外荷载作用下产生变形的过程中，梁底面与地基表面始终紧密相贴，即地基的沉陷或隆起与梁的挠度处处相等；由于梁与地基间的摩擦力对计算结果影响不大，可以略去不计，因而，地基反力处处与接触面相垂直；地基梁的高跨比较小，符合平截面假设，因而可直接
14、应用材料力学中有关梁的变形及内力计算结论。4、地层与地下结构的共同作用1、一个理想的地下建筑结构的数学力学模型应能反映下列的因素：(1)必须能描述有裂隙和破坏带的，以及开挖面形状变化所形成的三维几何形状。(2)对围岩的地质状况和初始应力场不仅要能说明当时的，而且还要包括将来可能出现的状态。(3)应包括对围岩应力重分布有影响的岩石和支护材料非线性特性，而且还要能准确地测定出反映这些特性的参数。(4)如果要知道所设计的支护结构和开挖方法能否获得成功，即想评估其安全度，则必须将围岩、锚杆和混凝土等材料的局部破坏和整体失稳的判断条件纳入模型中。当然，条件必须满足现行设计规范的有关规定。(5)要经得起实
15、际的检验，这种检验不能只是偶然巧合，而是需要保证系统的一致性。2、国际隧道协会认可的四种地下建筑结构模型：(1)以参照已往隧道工程的实践经验进行工程类比为主的经验设计法；(2)以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法，例如以洞周位移量测值为根据的收敛限制法；(3)作用反作用模型，例如对弹性地基圆环和弹性地基框架建立的计算法等；(4)连续介质模型，包括解析法和数值法，解析法中有封闭解，也有近似解，数值计算法目前主要是有限单元法；3、我国采用的地下建筑结构设计方法可分为以下四种设计模型：(1)荷载结构模型(又称结构力学模型)(2)地层结构模型(又称岩体力学模型)(3)经验类比模型(4)收敛限制模型4、地层结构模型原理是将衬砌和地层视为整体，在满足变形协调条件的前提下分别计算衬砌与地层的内力，并以此验算地层的稳定性和进行构件截面设计。5、在地层结构模型中可以考虑各种几何形状、围岩和支护材料的非线性特性、开挖面空间效应所形成的三维状态以及地质中不连续面等等。6、新奥法的基本原则可归纳为：管超前、少扰动、早喷锚、勤量
