地下建筑结构及设计_2
31页1、第3章 地下建筑结构及设计(2),胡华,3、地下建筑结构设计 1)设计原则:在静载、动载等各种荷载作用下,满足服务年限内的耐久性、使用安全性、发挥功能的适用、修建和使用维护的经济性、建造技术先进性等; 2)地下建筑结构设计实质:协调优化结构可靠安全性与技术先进性、经济合理性,使用耐久性之间的矛盾,实现最优的建筑构思;确定结构形式(形态)、规模与尺寸、使用材料、施工技术方法(包括开挖与支护)等。,3)地下结构安全稳定性判据: (1)容许应力法:也称极限强度理论法,结构的尺寸必须保证在最不利荷载组合下,结构的控制内力不超过材料的允许应力。 (2)破损阶段法:结构的尺寸必须保证在最不利荷载组合下,结构的控制内力不超过材料的极限承载力。 (3)极限状态法按结构可靠度设计:容许应力法和破损阶段法用安全系数给予结构一定的安全储备,安全系数的大小无充分的理论依据,靠经验取值。而结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性,综合考虑了各种影响因素后,用失效概率或可靠度来定量描述。 4)循环反复设计过程:初步设计利用各种理论、模型或其他技术方法计算各种指标验证是否满足要求则改变结构形式、规模与尺寸、使用材料、
2、施工技术方法等直到满足安全条件为止。,5)地下建筑结构设计基本思想框图,图3-9 地下建筑结构设计思想框图,6)地下建筑结构设计内容 地下工程基本建设按勘察、设计、施工等程序进行; 设计包括:规划设计、建筑设计、防护设计、结构设计、施工工艺设计、设备设计、经济概预算设计等; 而结构设计主要是解决结构的选型、强度、刚度和稳定性、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。内容包括: (1)确定工程防护等级、三防要求(核武器、化学武器、生物武器)动、静荷载标准;确定埋置深度与施工方法;选定结构形式和结构平面布置;然后开始结构设计, (2)初步拟定结构截面尺寸,根据荷载和使用要求估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等主要尺寸; (3)分析并初算结构上作用的荷载值:按建筑用途、防护等级、地震级别、埋置深度和土层情况求出作用在结构上的各种荷载值;绘制初步结构图与计算简图; (4)结构内力计算分析:选择合适的结构内力计算模型和计算方法,得出结构各控制设计截面的内力; (5)结构稳定性验算:抗浮、抗倾覆、抗滑动等验算;,(6)内力组合:在各种荷载作用下分别计算结构内力,对最不利的情
3、况进行内力组合,求出各控制截面的最大设计内力值,并验算截面强度; (7)配筋计算:核算截面强度和裂缝宽度,得出受力钢筋,并确定必要的构造钢筋;绘制结构施工详图:如结构平面图、结构构件配筋图、节点图等; (8)安全性评估:如不符合安全要求,重新(选定结构形式与布置)估算结构跨度、高度、顶板、底版、边墙厚度等主要尺寸; (9)重复上述步骤,直到满足各种要求; (10)绘制施工设计图, (11)材料、工程数量和工程财务预算:选择建筑材料、估算工程材料、工程量及经济预算等。 地下建筑结构设计规范: 总体安全可靠、技术可行、经济合理原则; 混凝土结构设计规范、铁路隧道设计规范、公路隧道设计规范、地铁设计规范、锚杆喷射混凝土支护技术规范、水工隧洞设计规范、岩土工程勘察规范、建筑地基处理规范、建筑桩技术规范等。,4、地下建筑结构设计与计算理论发展重要标志 1)第一阶段:古典岩土压力理论阶段,以海姆、郎肯和金尼克等为代表。主要学术思想:作用在支护结构上的竖向压力为上覆岩层的产生的竖向压力rH(容重、埋深);侧压力=侧压系数*rH。主要适用于埋深不大的破碎松散岩土中的地下建筑工程结构设计。 2)第二阶段
4、:散体压力理论阶段(松弛荷载理论) 20世纪20年代提出的“松弛荷载理论”,以泰沙基、普罗托季亚科诺夫等为代表。其核心内容是:稳定的岩体有自稳和承载能力,不产生荷载。作用在支护结构上的压力不是覆岩层的重量,而是围岩塌落拱范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力。塌落拱的高度与地下工程的跨度、围岩的性质有关。随着地下工程开挖深度增加,不稳定的岩体则可能产生坍塌,需要用支护结构予以支撑。,“松弛荷载理论”将支护结构和围岩分开来考虑,支护结构是承载主体,围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承,建立的是“荷载结构”力学体系。在这类模型中,隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来实现的。显然,“松弛荷载理论”着重注意结果和对结果的处理。,3)第三阶段:共同作用理论阶段(岩承理论) 20世纪50年代提出的“岩承理论”,其核心内容是:隧道围岩稳定是由于岩体自身有承载自稳能力;不稳定围岩丧失稳定是具有一个过程的,如在这个过程中提供必要的支护或限制,则围岩仍能保持稳定状态。“岩承理论”建立的是岩体力学模型。它是将支护结构和围岩视为一体,作为共同承载的隧道结构体系,故又称为复合整体模型。在
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