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地下建筑结构个人总结(一二章) 第一章 地下建筑结构的概念、作用和形式1.地下建筑结构的概念地下建筑是修建在地层中的建筑物。它可以分为两大类:修 建在土层中和修建在岩层中的。 广义上讲,任何结构物都是修建 在相应的介质中的,如上部结构是修建在空气介质中,地下建筑 结构一般修建在土层中、岩层中或水中。本学科所要研究的所有问题都可归为“结构与介质的相互作 用问题”。 2.地下建筑结构的作用地下建筑结构,即埋置于地层内部的结构。 按照使用要求在 地层中挖掘洞室沿洞室周边修建永久性支护结构即衬砌结构。 内部结构 与地面建筑的设计基本相同作用:衬砌结构主要是起承重和围护作用。承重,即承受岩土体压力、结构自重以及其它荷载作用; 围 护,即防止岩土体风化、坍塌、防水、防潮等。 注:地下建筑与 地面建筑结构的区别 (1)计算理论、设计和施工方法(2)地下建筑结构所承受的荷载比地面结构复杂。(3)地下建筑结构埋置于地下,其周围的岩土体不仅作为荷 载作用于地下建筑结构上,而且约束着结构的移动和变形。 计算 理论上最主要差别:在地下建筑结构设计中除了要计算因素多变第 1 页 共 13 页的岩土体压力之外,还要考虑地下结构与周围岩土体的共同作 用。 3.地下建筑结构的型式(1)首先由受力条件控制,即在一定地质的围岩压力、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型 式 ;其次由地下建筑的功能要求和施工技术要求等确定。 (2) 主要有:土层地下建筑结构型式浅埋式结构:平面成方形或长方形,当顶板做成平顶时, 常用梁板式结构。地下指挥所可以采用平面呈条形的单跨或多跨结构。为节省材料,顶部 可做成拱形。附建式结构:是房屋下面的地下室,一般有承重的外墙、 内墙(地下室作为大厅用时则为内柱)和板式或梁板式顶底板结构。沉井结构:沉井施工时需要在沉井底部挖土,顶部出土, 故施工时沉井为一开口的井筒结构,水平断面一般做成方形,也有圆形,可以单孔也可以 多孔,沉毕后再做底顶板。 ? 地下连续墙结构: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。 ? 盾构结 构:盾构推进时,以圆形为最宜,故常采用装配式圆形衬砌,也 有做成方形和半圆形的。第 2 页 共 13 页沉管结构:一般做成箱形结构,两端加以临时封墙,托运 至预定水面处,沉放至设计位置。桥梁基础结构:桥梁基础结构可分为浅基础、深基础及深 水基础三大类,目前常用的基础形式是桩基础和沉井基础。其它结构:还包括顶管结构和箱涵结构等。 在城市管道埋 深较大、交通干线附近和周围环境对位移、地下水有严格限制的 地段常采用顶管结构施工更为安全和经济。而在铁路和公路交叉口,为了不影响交通,需建立交桥和立 交地道,一般采用箱涵结构。岩石地下建筑结构形式型式主要包括直墙拱形、圆形、曲墙拱形等。此外,还有一 些其它类型的结构,如喷锚结构、穹顶结构、复合结构等。最常 用的是拱形结构,这是因为它具有以下优点: 地下结构的荷载比地面结构大,且主要承受垂直荷载。因 此,拱形结构就受力性能而言比平顶结构好(例如在垂直荷载作 用下弯矩小)。 拱形结构的内轮廓比较平滑,只要适当调整拱曲率,一般 都能满足地下建筑的使用要求,并且建筑布置比圆形结构方便, 净空浪费也比圆形结构少。第 3 页 共 13 页 拱主要是承压结构。适用于采用抗拉性能较差,抗压性能 较好的砖、石、混凝土等材料构筑。材料造价低,耐久性良好, 易维护。 常用的几种拱形结构、喷锚结构以及穹顶结构等。 ? 拱形结构(1)贴壁式拱形结构 半衬砌结构厚拱薄墙衬砌结构 直墙拱形衬砌 曲墙拱形衬砌结构 (2)离壁式拱形衬砌结构 ? 喷锚结构 ? 穹顶结构 ? 连拱隧道结构 ? 复合衬砌结构4.补充:地下建筑工程分类地下建筑工程(亦简称地下工程)有许多分类方法: 按使用 功能分类 按周围围岩介质分类 按设计施工方法分类按施工材料和断面构造型式分类按重要程度、防护等级、抗震等级等分类 最常用的是按使用 功能分类: (1)按使用功能分类可分为:地下交通工程、地下市政管道工程、地下工业建 筑、地下民用建筑、地下军事工程、地下仓储工程、地下娱乐体 育设施等。 地下交通工程:地下铁道、公路隧道、过街人行道、海 (河、湖)底隧道? 地下市政管道工程:输水隧 道、地下给(排)水管道、通讯、电缆、供热与供气道、共同 沟。第 4 页 共 13 页 地下工业建筑:地下核电站、水电站厂房、地下车间、地 下厂房?地下垃圾焚烧厂。 地下民用建筑:地下商业街、地下商场、地下商业(购物 中心)、地下医院、地下旅馆、地下学校? 地下军事工程:人防掩蔽部、地下军用品仓库、地下战斗 工事、地下导弹发射井、地下飞机(舰艇)库、防空指挥中心 地下仓储工程:地下粮、油、水药品等物资仓库、地下车 库、地下垃圾堆场、地下核废料仓库、危险品仓库、金库? 地下文娱文化设施:图书馆、博物馆、展览馆、影剧院、 歌舞厅? 地下体育设施:篮球、乒乓球、网球、羽毛球场,田径 场,游泳池,滑冰场等 (2)按周围地层介质分类 软土地下工 程岩石(硬土)地下工程 海(河、湖)底或悬浮工程 按照地下工程所处围岩介质的覆盖层厚度,又分为深埋、中埋、浅埋不同埋深工程。 (3)按照施工方法分类 明挖法(放坡、支护、降水) 盖挖法、逆作法 浅埋暗挖法 沉箱、沉井、沉管法 盾构法(SM, TBM) 顶管法(大口径与微型顶管) 新奥法(NATM)、钻爆法 (4)按结构型式分类第 5 页 共 13 页 地下建筑和地面建筑结合在一起的常称为附建式,独立修 建的地下建筑称为单建式。 地下结构型式可以隧道式,横断面尺寸远远小于纵向长度 尺寸,即廊道式。 平面布局上也可以构成棋盘式或者如地面房间布置,可以 为单跨、多跨,也可以单层或多层,常用浅埋地下结构为多跨多 层框架结构。 地下结构横断面可根据所处部位地质条件和使用要求,选 用不同的形状,最常见的有圆形,口形(人张开嘴),马蹄形, 直墙拱形,曲墙拱形,落地拱,连拱(塔拱),穹顶直墙等等。(5)按衬砌材料和构造分类衬砌又称被覆或支护,它是在地下工程周围构筑的永久性的 支护结构。其主要作用: 承重:即承受围岩压力,地下水压力,结构自重以及其它 荷载作用; 围护:除用来防止围岩风化与崩塌外,必须做到 防水和防潮; 足够的刚度,耐腐蚀性,稳定性:衬砌结构材料主要有 砖、石、砌块混凝土、钢筋混凝土、钢轨(型钢、格栅拱)、锚 杆、喷射混凝土,铸铁、钢纤维混凝土,聚合物钢纤维混凝土 等。(6)按现场浇筑施工方法分类 衬砌构造型式分为:第 6 页 共 13 页 模筑式衬砌 离壁式衬砌 装配式衬砌 喷锚支护 衬砌三峡、南水、新咏春部分、龙滩 5.地下建筑结构的设计程 序和内容 初步设计的内容主要包括: 工程等级和要求,以及静、动荷载标准的确定; 确定 埋置深度与施工方法; 初步设计荷载值; 选择建筑材 料; 选定结构型式和布置; 估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等尺寸; 绘 制初步设计结构图; 估算工程材料数量及财务概算。 6.技术细节的主要内容 是: 计算荷载:按地层介质类别、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; 计算简图:根据实际结构和计算工具情况,拟出恰当的计 算图式; 内力分析:选择结构内力计算方法,得出结构各控 制设计截面的内力; 内力组合:在各种荷载内力分别计算的 基础上,对最不利的可能情况进行内力组合,求出各控制界面的 最大设计内力值; 配筋设计:通过截面强度和裂缝计算得出受力钢筋,并确 定分布钢筋与架立钢筋; 绘制结构施工详图:如结构平面第 7 页 共 13 页图、构件配筋图、节点详图,风、水、电和其他内部设备的预埋 件图; 材料、工程数量和工程财务预算。 7.地下建筑结构的特 点 荷载的不确定性:水、土压力,岩体压力,地下结构与地 层共同作用问题等 计算方法的不成熟:经验类比法、荷载结 构法、数值分析法、动态反馈分析法 8.指导思想:理论计算导 向、监测数据定量、经验总结判断第二章 地下建筑结构荷载2.0 主要内容: 荷载种类和组合 荷载确定方法岩土体压力的计算方法初始地应力、释放荷载与开挖效应 弹性抗力 其他荷载 2.1 荷载种类和组合(1)荷载种类(按存在状态分为:静荷载、动荷载和活荷载 等) 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、弹性抗力和地 下水压力等 ; 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,这是瞬 时作用的动荷载;在抗震区进行地下结构设计时,应计算地震波 作用下的动荷载作用 。第 8 页 共 13 页 活荷载: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板地 面荷载(人群物件和设备重量)、吊车荷载、落石荷载等。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。 其他荷载:使结构产生内力和变形的各种因素中,除有以 上主要荷载的作用外,通常还有:混凝土材料收缩(包括早期混 凝土的凝缩与日后的干缩)、温度变化等受到约束而产生的内 力。(2)荷载组合 2.2 荷载的确定方法2.3 岩土体压力的计算方法土压力是土与挡土结构之间相互作用的结果,它与结构的变 位有着密切关系。以挡土墙为例,作用在挡土墙墙背上的土压力可以分为静止 土压力、主动土压力(往往简称土压力)和被动土压力(往往简 称土抗力)三种,其中主动土压力值最小,被动土压力值最大, 而静止土压力值介于两者之间。 2.3.1 经典土压力理论 软土地区浅埋的地下工程,采用 “土柱理论”计算。竖 向土压力即为结构顶盖上整个土柱的全部重量。 侧向土压力经典理论主要是库伦( Coulomb)理论和朗肯 (Rankine)理论。 静止土压力计算一般采用弹性理论,它也 可以称为经典理论。第 9 页 共 13 页(尽管上述经典土压力理论存在许多不足之处,但是在工程 界仍然得到广泛应用。)(1)静止土压力的计算 (2)库伦土压力理论 库伦理论的 基本假定:库伦理论由法国科学家库伦(Coulomb, C.A.)于 1773 年发 表,主要针对挡土墙计算,基本假定为: 挡土墙墙后土体为均质各向同性的无粘性土; 挡土墙 是刚性的且长度很长,属于平面应变问题; 挡土墙后土体产 生主动土压力或被动土压力时,土体形成滑动楔体,滑裂面为通 过墙踵的平面; 墙顶处土体表面可以是水平面,也可以为倾斜面,倾斜面 与水平面有夹角; 在滑裂面和墙背面上的切向力分别满足极 限平衡条件(3)朗肯土压力理论朗肯土压力理论是由英国科学家朗肯(Rankine)
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