地下结构与设计-4地下建筑结构的计算方法.pdf

1、西安理工大学/城市地下空间工程课程-地下结构与设计/2014主讲：张志强；制作：张志强1西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法主讲人：张志强主讲人：张志强地下结构与设计地下结构与设计2014年年9月月 2014年年11月月4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲4.1 概述概述4.2

2、荷载荷载-结构法结构法4.3 地层地层-结构法结构法4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲4.1 概述概述4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲西安理工大学/城市地下空间工程课程-地下结构与设计/2014主讲：张志强；制作：张志强24 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安

3、理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市

4、地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲计算方法的发展计算方法的发展砖石材料砌筑的拱形结构混凝土和钢筋混凝土弹性连续拱形框架经验刚性结构的计算理论理论砖石材料砌筑的拱形结构混凝土和钢筋混凝土弹性连续拱形框架经验刚性结构的计算理论理论西安理工大学/城市地下空间工程课程-地下结构与设计/2014主讲：张志强；制作：张志强34 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志

5、强 主讲计算方法的发展计算方法的发展假定抗力方法 弹性地基梁的力法 角变位移法不均衡力矩 侧力传播法假定抗力方法 弹性地基梁的力法 角变位移法不均衡力矩 侧力传播法弹性抗力弹性抗力按连续介质力学理论建立地下建筑结构内力计算方法按连续介质力学理论建立地下建筑结构内力计算方法岩土介质本构关系岩土介质本构关系隧道施工力学结合监测、量测技术按结构力学理论建立地下建筑结构内力计算方法隧道施工力学结合监测、量测技术按结构力学理论建立地下建筑结构内力计算方法地下结构的数值计算方法地下结构的数值计算方法施工方法、措施施工方法、措施仿真计算与分析技术仿真计算与分析技术4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算

6、方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲各国采用的设计地下建筑结构方法各国采用的设计地下建筑结构方法见教材见教材P70 表表4-14 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲（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）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

7、方法，例如以洞周位移量测值为根据的收敛一限制法）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一限制法国际隧协国际隧协(ITA)归纳的归纳的四种模型四种模型4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲（3）作用）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（4）连续介质模型，包括解析法和数值法，数值计算法目前主要是有限单元法）连续介质模型，包括

8、解析法和数值法，数值计算法目前主要是有限单元法西安理工大学/城市地下空间工程课程-地下结构与设计/2014主讲：张志强；制作：张志强44 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲中国的四种设计模型中国的四种设计模型荷载一结构模型荷载一结构模型地层一结构模型地层一结构模型经验类比模型经验类比模型收敛限制模型收敛限制模型4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结

9、构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲荷载结构模型采用荷载结构模型采用荷载结构法荷载结构法计算衬砌内力，并据此进行构件截面设计其中衬砌结构承受的荷载主要是开挖洞室后由计算衬砌内力，并据此进行构件截面设计其中衬砌结构承受的荷载主要是开挖洞室后由松动岩土体的自重产生的地层压力松动岩土体的自重产生的地层压力这一方法与设计地面结构时习惯采用的方法基本一致，区别是计算衬砌内力时需考虑周围地层介质对结构变形的约束作用这一方法与设计地面结构时习惯采用的方法基本一致，区别是计算衬砌内力时需考虑周围地层介质对结构变形的约束作用(一一)荷载一结构模型荷载一结构模型4 地下建筑结构的计算

10、方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲地层结构模型的计算理论即为地层结构模型的计算理论即为地层结构法地层结构法其原理是将其原理是将衬砌衬砌和和地层地层视为视为整体整体，在满足，在满足变形协调条件变形协调条件的前提下分别计算衬砌与地层的内力，并据以验算地层的稳定性和进行构件截面设计的前提下分别计算衬砌与地层的内力，并据以验算地层的稳定性和进行构件截面设计(二二)地层一结构模型地层一结构模型4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工

11、程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲由于地下结构的设计由于地下结构的设计受到多种复杂因素的影响受到多种复杂因素的影响，使内力分析即使采用了比较严密的理论，计算结果的合理性也常仍需借助经验类比予以判断和完善经验设计法往往占据一定的位置经验类比模型则是，使内力分析即使采用了比较严密的理论，计算结果的合理性也常仍需借助经验类比予以判断和完善经验设计法往往占据一定的位置经验类比模型则是依靠经验依靠经验设计地下结构的设计模型设计地下结构的设计模型(三三)经验类比模型经验类比模型西安理工大学/城市地下空间工程课程-地下结

12、构与设计/2014主讲：张志强；制作：张志强54 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲收敛限制模型的计算理论也是地层结构法收敛限制模型的计算理论也是地层结构法其设计方法则常称为收敛限制法，或称特征线法其设计方法则常称为收敛限制法，或称特征线法(四四)收敛限制模型收敛限制模型4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014

13、-张志强 主讲张志强 主讲4.2 荷载荷载-结构法结构法衬砌拉力区脱离区变形后外轮廓线4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲荷载一结构模型的设计原理，是认为隧道开挖后荷载一结构模型的设计原理，是认为隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用计算时先按地层分类法或由实用公式，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用计算时先按地层分类法或由实用公式确定地

14、层压力确定地层压力，然后按，然后按弹性地基上结构物弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌的内力，并进行结构截面设计的计算方法计算衬砌的内力，并进行结构截面设计4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲取衬砌结构结点的取衬砌结构结点的位移为基本未知量位移为基本未知量。由。由最小势能原理或变分原理最小势能原理或变分原理可得系统整体求解时的平衡方程为未知量可得系统整体求解时的平衡方程为未知量(一一)基本未知量与基本方程衬砌结构节点荷载组成的列向量基本未

15、知量与基本方程衬砌结构节点荷载组成的列向量衬砌结构的整体刚度矩阵衬砌结构的整体刚度矩阵 KP西安理工大学/城市地下空间工程课程-地下结构与设计/2014主讲：张志强；制作：张志强64 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲(二二)单元刚度矩阵单元刚度矩阵4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强

16、主讲深埋隧道中的整体式衬砌深埋隧道中的整体式衬砌、浅埋隧道中的整体浅埋隧道中的整体或或复合式衬砌复合式衬砌及及明洞衬砌明洞衬砌等可采用荷载结构法计算等可采用荷载结构法计算采用荷载结构法计算隧道衬砌的内力和变形时，应通过采用荷载结构法计算隧道衬砌的内力和变形时，应通过考虑弹性抗力考虑弹性抗力等体现岩土体对衬砌结构变形的约束作用等体现岩土体对衬砌结构变形的约束作用弹性抗力的大小和分布，对回填密实的衬砌结构可采用弹性抗力的大小和分布，对回填密实的衬砌结构可采用局部变形理论确定局部变形理论确定4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间

17、工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲4.3 地层地层-结构法结构法4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲把地下结构与地层作为一个受力变形的把地下结构与地层作为一个受力变形的整体整体按照按照连续介质力学连续介质力学原理来计算地下建筑结构以及周围地层的变形原理来计算地下建筑结构以及周围地层的变形不仅计算出衬砌结构的内力及变形，而且计算周围不仅计算出衬砌结构的内力及变形，而且计算周围地层的应力地

18、层的应力，充分体现周围地层与地下建筑结构的相互作用，充分体现周围地层与地下建筑结构的相互作用由于周围地层以及地层与结构相互作用模拟的复杂性，地层一结构模型目前尚由于周围地层以及地层与结构相互作用模拟的复杂性，地层一结构模型目前尚处于发展阶段处于发展阶段，在很多工程应用中，仅作为一种辅助手段，在很多工程应用中，仅作为一种辅助手段西安理工大学/城市地下空间工程课程-地下结构与设计/2014主讲：张志强；制作：张志强74 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲

19、张志强 主讲充分考虑地下结构与周围地层的充分考虑地下结构与周围地层的相互作用相互作用结合具体的施工过程可以充分模拟地下结构以及周围地层在结合具体的施工过程可以充分模拟地下结构以及周围地层在每一个施工工况每一个施工工况的结构内力以及周围地层的变形更能符合工程实际的结构内力以及周围地层的变形更能符合工程实际地层一结构法将得到地层一结构法将得到广泛应用和发展广泛应用和发展4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲地层的合理化模拟地层的合理化模拟结构

20、模拟结构模拟施工过程模拟施工过程模拟施工过程中结构与周围地层的相互作用施工过程中结构与周围地层的相互作用地层与结构相互作用的模拟地层与结构相互作用的模拟要点要点4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲将衬砌和地层视为将衬砌和地层视为整体共同受力的统一体系整体共同受力的统一体系，在满足变形协凋条件的前提下，在满足变形协凋条件的前提下计算衬砌与地层的内力计算衬砌与地层的内力，以验算地层的稳定性和进行结构截面设计，以验算地层的稳定性和进行结构截面

21、设计目前计算方法目前计算方法以有限单元法为主以有限单元法为主，适用于设计构筑在，适用于设计构筑在软岩或较稳定的地层内的衬砌软岩或较稳定的地层内的衬砌4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲初始自重应力通常采用初始自重应力通常采用有限元方法有限元方法或或给定水平侧压力系数方法给定水平侧压力系数方法计算（计算（1）有限元方法：即初始自重应力由有限元方法算得，并将其转化为等效节点荷载（）有限元方法：即初始自重应力由有限元方法算得，并将其转化为等效

22、节点荷载（2）给定水平侧压力系数法：即在给定水平侧压力系数）给定水平侧压力系数法：即在给定水平侧压力系数K0值后，按下式计算初始自重地应力值后，按下式计算初始自重地应力(一一)自重应力自重应力初始地应力初始地应力西安理工大学/城市地下空间工程课程-地下结构与设计/2014主讲：张志强；制作：张志强84 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲（2）给定水平侧压力系数法：即在给定水平侧压力系数）给定水平侧压力系数法：即在给定水平侧压力系数k0值后

23、，按下式计算初始自重地应力值后，按下式计算初始自重地应力初始地应力初始地应力4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲(二二)构造应力构造应力假设为均布或线性分布应力、假设主应力作用方向保持不变，则二维平面应变的普遍表达式为假设为均布或线性分布应力、假设主应力作用方向保持不变，则二维平面应变的普遍表达式为:初始地应力初始地应力4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业

24、课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲将自重应力与构造应力叠加，即得初始地应力将自重应力与构造应力叠加，即得初始地应力(三三)初始地应力初始地应力初始地应力初始地应力4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲本构模型本构模型(一一)围岩单元围岩单元(2)非线性弹性模型非线性弹性模型(3)弹塑性模型弹塑性模型(1)弹性模型弹性模型邓肯一张模型的假设邓肯一张模型的假设(4)粘弹性模型粘弹性模型三元件广义三元

25、件广义Kelvin模型，由弹性元件和模型，由弹性元件和Kelvin模型串联组成模型串联组成西安理工大学/城市地下空间工程课程-地下结构与设计/2014主讲：张志强；制作：张志强94 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲(二二)梁单元梁单元(三三)杆单元杆单元4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张

26、志强 主讲施工过程模拟施工过程模拟(一一)一般表达式开挖过程的模拟一般通过在开挖边界上施加释放荷载实现将一个相对完整的施工阶段称为一般表达式开挖过程的模拟一般通过在开挖边界上施加释放荷载实现将一个相对完整的施工阶段称为施工步施工步，并设每个施工步包含若干，并设每个施工步包含若干增量步增量步，则与该施工步相应的开挖释放荷载可在所包含的增量步中逐步释放，以便较真实地模拟施工过程具体计算中，每个增量步的荷载释放量可由，则与该施工步相应的开挖释放荷载可在所包含的增量步中逐步释放，以便较真实地模拟施工过程具体计算中，每个增量步的荷载释放量可由释放系数控制释放系数控制4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构

27、的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲对各对各施工阶段施工阶段的状态，有限元分析的表达式为的状态，有限元分析的表达式为4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲开挖效应可通过开挖效应可通过在开挖边界上设置释放荷载在开挖边界上设置释放荷载，并将其转化为，并将其转化为等效节点力模拟等效节点力模拟(二)开挖工序的模拟(二)开挖工序

28、的模拟西安理工大学/城市地下空间工程课程-地下结构与设计/2014主讲：张志强；制作：张志强104 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲填筑效应包含两个部分，即填筑效应包含两个部分，即整体刚度的改变整体刚度的改变和和新增单元自重荷载新增单元自重荷载的增加，其计算表达式为的增加，其计算表达式为:(三三)填筑工序的模拟填筑工序的模拟4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程

29、专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲结构施作的效应体现为结构施作的效应体现为整体刚度的增加整体刚度的增加及及新增结构的自重新增结构的自重对系统的影响，其计算式为对系统的影响，其计算式为:(四四)结构的施作与拆除结构的施作与拆除4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲(四四)结构的施作与拆除结构拆除的效应结构的施作与拆除结构拆除的效应包含整体刚度的减小包含整体刚度的减小和和支撑内力释放支撑内力释放

30、的影响，其中支撑内力的释放可通过施加一反向内力实现，其计算表达式为的影响，其中支撑内力的释放可通过施加一反向内力实现，其计算表达式为:4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲在施工过程中在施工过程中施加的外荷载施加的外荷载，可在相应的增量步中用施加增量荷载表示，其计算式为，可在相应的增量步中用施加增量荷载表示，其计算式为:(五五)增量荷载的施加增量荷载的施加西安理工大学/城市地下空间工程课程-地下结构与设计/2014主讲：张志强；制作：张志

31、强114 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲总 结总 结4 地下建筑结构的计算方法地下建筑结构的计算方法西安理工大学城市地下空间工程专业课程-西安理工大学城市地下空间工程专业课程-地下结构与设计2014-地下结构与设计2014-张志强 主讲张志强 主讲本章作业本章作业1.简述地下建筑结构计算理论的发展过程。简述地下建筑结构计算理论的发展过程。2.简述地下建筑结构计算方法的类型及其含义。简述地下建筑结构计算方法的类型及其含义。3.简述荷载简述荷载-结构法和地层结构法和地层-结构法的计算过程。结构法的计算过程。