《地下鐵道》

地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算（1）

3.4 地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算（1）2主要內(nèi)容：地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容地鐵隧道結(jié)構(gòu)計算模型地鐵隧道荷載—結(jié)構(gòu)分析方法3建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是重要組成部分。《地鐵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：按施工階段和使用階段分別進行結(jié)構(gòu)強度、剛度和穩(wěn)定性計算。重點解決結(jié)構(gòu)本身的強度、剛度、穩(wěn)定和耐久性（抗裂）問題。地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本步驟確定結(jié)構(gòu)計算方法及計算圖式確定作用在結(jié)構(gòu)上的荷載值進行結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算和強度、穩(wěn)定分析進行結(jié)構(gòu)配筋及構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計對結(jié)構(gòu)作必要的抗裂驗算繪制施工詳圖及節(jié)點大樣圖計算工程材料數(shù)量及投資預(yù)算結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容結(jié)構(gòu)計算模型 荷載—結(jié)構(gòu)分析法4主要內(nèi)容：地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容地鐵隧道結(jié)構(gòu)計算模型地鐵隧道荷載—結(jié)構(gòu)分析方法3.4 地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算（1）5以工程類比為依據(jù)的經(jīng)驗法。以測試為依據(jù)的實用法。包括收斂—約束法、現(xiàn)場和實驗室的巖土力學(xué)試驗、應(yīng)力(應(yīng)變)量測以及實驗室模型試驗。結(jié)構(gòu)力學(xué)方法。作用—反作用模型，例如彈性地基框架，彈性地基圓環(huán)，矩陣位移法等。——荷載—結(jié)構(gòu)法。巖體力學(xué)方法，包括解析法和數(shù)值法兩種。解析法又分為封閉解和近似解兩種方法，已逐漸被數(shù)值法所取代（有限元法為主）——連續(xù)介質(zhì)力學(xué)法。結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容結(jié)構(gòu)計算模型荷載—結(jié)構(gòu)分析法6主要內(nèi)容：地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容地鐵隧道結(jié)構(gòu)計算模型荷載—結(jié)構(gòu)分析方法3.4 地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算（1）7□基本思路將支護和圍巖分開考慮，支護結(jié)構(gòu)是承載主體，圍巖為荷載的來源和支護結(jié)構(gòu)的彈性支承。當(dāng)作用在支護結(jié)構(gòu)上的荷載確定后，可應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法求解超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。主動荷載模式不考慮圍巖與支護結(jié)構(gòu)的相互作用，支護結(jié)構(gòu)可以自由變形。適用于軟弱圍巖沒有能力去約束襯砌變形的情況，如明挖法施工的城市地鐵工程及明洞工程。主動荷載加被動荷載模式認(rèn)為圍巖不僅對支護結(jié)構(gòu)施加主動荷載，而且由于圍巖與支護結(jié)構(gòu)的相互作用，還對支護結(jié)構(gòu)施加約束反力。適用于各種類型的圍巖，只是所產(chǎn)生的彈性抗力大小不同而已。實際荷載模式采用量測儀器實地量測荷載值，圍巖與結(jié)構(gòu)相互作用的綜合反映。荷載值除與圍巖特性有關(guān)外，還取決于結(jié)構(gòu)的剛度以及背后回填的質(zhì)量。只適用于與其類似的情況。結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容結(jié)構(gòu)計算模型荷載—結(jié)構(gòu)分析法□基本思路主要荷載：指長期及經(jīng)常作用的荷載。圍巖壓力支護結(jié)構(gòu)自重回填土荷載地下靜水壓力車輛活載等附加荷載：指偶然的、非經(jīng)常作用的荷載溫差壓力灌漿壓力凍脹壓力混凝土收縮、徐變應(yīng)力落石沖擊力地震力——按抗震設(shè)計規(guī)范荷載組合：一般情況：僅考慮主要荷載特殊情況：(Ⅶ以上震區(qū)，嚴(yán)寒)主+附是指圍巖的彈性抗力，只產(chǎn)生在被襯砌壓縮的圍巖上。共同變形理論：把圍巖視為彈性半無限體，考慮相鄰質(zhì)點之間的相互影響。它用縱向變形系數(shù)E和橫向變形系數(shù)μ表示地層特征，并考慮粘結(jié)力C和內(nèi)摩擦角φ的影響。dz

4 dz

4 EJ EJ這種方法所需圍巖物理力學(xué)參數(shù)較多，而且計算頗為繁雜，計算模型也有嚴(yán)重缺陷，與實際情況也不完全相符，因而在隧道工程實際設(shè)計計算中很少采用。d

4

u

d

4

u

ku

1EJ

q(z)

k

u

q(z)i

ki—i局部變形理論：目前隧道彈性抗力的計算主要采用局部變形理論，它是以溫克爾（E.Winkler）假定為基礎(chǔ)。認(rèn)為圍巖的彈性抗力與圍巖在該點的變形成正比:i——圍巖表面上任意一點i的壓縮變形，m；圍巖的彈性抗力，MPa；k

—彈性抗力系數(shù)，MPa/m。8結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容結(jié)構(gòu)計算模型荷載—結(jié)構(gòu)分析法9□理論基礎(chǔ)求解方法：矩陣位移法，又叫直接剛度法?；炯俣ǎ浩矫鎽?yīng)變假定（計算時沿隧道縱向取1m作為計算單元。

）結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容 結(jié)構(gòu)計算模型 荷載—結(jié)構(gòu)分析法10□分析過程結(jié)構(gòu)離散襯砌單剛：梁單元抗力單剛：桿單元基礎(chǔ)單剛：支座單元單元分析確定單元節(jié)點力和單元節(jié)點位移的關(guān)系——建立單元剛度矩陣整體分析將每一個節(jié)點上有共同位移的各單元剛度矩陣元素簡單的疊加起來，建立以節(jié)點靜力平衡為條件的結(jié)構(gòu)剛度方程

nn

n

K

KK

K K

K

K K

P

P

P

P K

K K

P

K K

K

K K

n13

2

1

0

n,n

n

n,n1n1n1,n2

n1,n1

n1,n433221 22 232110 11 121

n1

P3

2

10 00 01

32 33 34

邊界條件由結(jié)構(gòu)剛度方程中解出未知的結(jié)構(gòu)各節(jié)點的位移，也就是解結(jié)構(gòu)剛度方程變形協(xié)調(diào)求得匯交于該節(jié)點各單元的單元節(jié)點位移，進而求出單元節(jié)點力——襯砌內(nèi)力結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容結(jié)構(gòu)計算模型荷載—結(jié)構(gòu)分析法11□分析過程結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容結(jié)構(gòu)計算模型荷載—結(jié)構(gòu)分析