第六章：地下工程结构计算理论.ppt

计算采用SAP84通用结构有限元分析程序进行平面计算，计算中的主要假定： 1）平面应变； 2）初期支护与围岩间的弹性抗力以弹簧单元模拟，该弹簧抗拉，若受拉，则取消该弹簧，重新计算； 3）初期支护与二次衬砌间用链杆模拟，该链杆只受压力，不传递拉力、弯矩、剪力。 磁器口站 1、结构构件根据承载力极限状态及正常使用极限状态的要求，分别进行承载能力的计算和稳定性，变形及裂缝宽度验算； 2、结构构件的设计应按承载力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载效应组合，并取各自的最不利组合进行设计； 崇文门站 1、结构构件根据承载力极限状态及正常使用极限状态的要求，分别对施工阶段、使用阶段进行计算及验算。 (1)施工期间：采用地层—结构模型进行受力分析。 (2)使用期间：采用荷载—结构模型平面杆系有限单元法，初支（围护桩）与二衬共同承受全部荷载，计算结构受力及变形。 宣武门站 （1）多数车站对设计原则没有给出明确的交代，只有一般的叙述。对初期支护到底在结构的承载中承担何种作用并没有明确的说明； （2）有些车站对结构设计原则给出了明确了说明，例如北京地铁十号线光华路站和太阳宫站对初期支护在结构承载中的作用做了如下规定： 1）初期支护应具有足够的强度和刚度，承受施工期间的全部荷载，并能有效地控制地面变形。 2）使用期间为保证结构的耐久性，初期支护的刚度按50％折减后与二次衬砌一起组成复合衬砌承受全部荷载进行计算。即：按二次衬砌刚度和折减后的初期支护的刚度比进行荷载分配， 3）水压力全部由二衬承担。 （3）北京地铁四号线宣武门站规定初期支护和二衬共同承受全部荷载，但是如何进行组合，并未做出说明。 （4）天坛东门站规定：二次衬砌计算模式采用荷载-结构模式。在使用阶段采用二次衬砌承担全部荷载，初期支护作为安全储备。 从以上的初步分析可以看出，初期支护到底是作为强度储备，还是与二衬组成一个整体共同承载，不同的设计单位有不同的处理方法。 第8节：具体结构设计方法及设计实例 由于地铁隧道和车站都属于超静定结构，因此，需要事先假定截面尺寸，再进行检算。 1、某地铁区间标准断面隧道衬砌结构设计 （1）设计标准 1）隧道施工引起的地面变形和沉降控制标准：地面变形沉降量控制在30mm以内，隆起量控制在10mm以内。 2）地下铁道结构中车站主要构件（二次衬砌）的设计使用年限为100年；设计基准期采用50年。 结构的安全等级为一级。按荷载效应基本组合进行承载力能力计算时重要性系数取γ0=1.1。 3）结构的抗震设防烈度为8度，抗震设防分类为乙类，抗震等级取为二级。区间隧道结构按8度抗震设防烈度的要求采取抗震措施。 （2）工程材料 二次衬砌采用C30防水混凝土；抗渗等级为S8。 喷混凝土：C20。 钢筋： HRB335级钢筋。 （3） 荷载与组合 初期支护计算荷载主要为基本荷载（永久荷载、可变荷载），荷载组合为基本荷载组合； 二次衬砌设计荷载分为基本荷载（永久荷载、可变荷载）、偶然荷载（地震荷载、人防荷载），荷载组合为基本荷载组合+地震荷载组合、基本荷载组合+人防荷载组合。 计算模式采用荷载-结构模式。在使用阶段采用二次衬砌承担全部荷载，初期支护作为安全储备。 （4）荷载计算 1）结构自重：钢筋混凝土重度γ=25KN/m3。 2）覆土荷载：覆土重度γ=20KN/m3。 侧向水土荷载：初期支护计算采用朗肯土压力理论计算主动土压力（不考虑水压力）。二次衬砌计算采用静止土压力（水压力取全水头）。 3）可变荷载： 地面超载：按1.0m土柱计列。 浮力：按抗浮设防水位的水浮力计。 车辆荷载：轴重141KN（验算地基承载力时计列）。 4）偶然荷载： 地震荷载：按8度地震力计算, 地面加速度0.2g，地震角30。 人防荷载：按5级抗力地面空气冲击波超压△Pm=0.1Mpa。 （5）内力计算结果 从计算结果可以看出，二次衬砌的受力对称，结构轴力较大，拱部弯矩相对较小，但仰拱弯矩较大，说明结构拱部断面型式设计合理，但由于仰拱比较平坦，矢跨比较小。计算结果显示，最大弯矩出现在隧道仰拱中心（内侧受拉），弯矩为367.4KN.m，轴力为820.7KN。结构边墙墙角受力也较大，其中边墙底部受力最大（外侧受拉），最大弯矩为274.2KN.m，最大轴力为1288.9KN。经计算，防水混凝土的裂缝宽度均满足≤0.2mm的控制要求，隧道断面内力分布合理。 2、某盾构隧道结构设计 （1）、荷载分类 结构设计根据结构类型，按《地铁设计规范》（GB50157-2003）第10.2.l条所列荷载，按永久荷载、可变荷载、偶然荷载（地震荷载）进行分类，对结构整体或构件可能出现的最不利组合进行计算。在决定荷载的数值时，考虑施工和使用过程中发生的变化 。 （2）荷载组