地下结构工程-算例
地下结构力学计算方法2019正式-精品文档
注意： ， u 12 21 2 1
20
将（2）代入（1）可解得未知力 X1和X2得：
式中：
21 当 、 、 u 、 u 、 、 u 均为零时，则为拱角 全固定的无 1 2 1 2 p p
拱角和拱圈的柔度系数 1）拱角柔度系数，亦即拱角弹性固定系数
拱角处作 M 用 1 时 单， 位支 弯撑 矩面 变 上 形 的 为 应 线 a 其内外缘处 及 的 沉 最 陷 大 分 应 别 力 为：
19
拱角位移 u 、 由拱顶弯矩 X 和轴力 X 以及外荷 0 0 1 2 作用产生：
（2）
1、 2：拱角单位弯矩和单位轴力在拱角处所产生 的转角； u1、 u2：拱角单位广义力所产生的水平位移； p、 u p：外荷载在拱角处产生的转角及位移。 1、 2、 u1、 u2、 p、 u p：拱角弹性固定系数。
式中， d ：拱角厚度 ; b ：拱角纵向宽度，取单 位宽度 1 m ； k 系数。 a :拱角处围岩的弹性抗力
拱角截面转角为： 12 1 max 2 max 1 d 3 d bk d k a aI a 2
22
又因a点无位移，仅作用有弯矩Ma，因此水平及垂 直位移均为零。则得单位弯矩作用下拱角处的弹性 固定系数：
地下结构力学计算方法
1
一、 概述
荷载--结构法（结构力学方法） 地层--结构法（连续介质力学方法）
2
1. 荷载-结构力学计算法简介
自由变形法
3
假定抗力法
4
弹性地基梁理论计算地层抗力
例如： 将隧道边墙视为支撑在侧面和基地地层上的双向的 5 弹性地基梁。
地下结构工程教学PPT地下结构的计算理论
地质勘查
通过地质勘查获取地下结构的地 质资料，包括岩土性质、地质构 造、水文地质条件等，为稳定性
分析提供基础数据。
原位试验
通过原位试验方法，如静力触探、 旁压试验等，对地下结构的岩土 性质进行测试，获取岩土的物理 力学参数，为稳定性分析提供依
展望
未来，数值模拟技术将与实测数据、人工智能等技术相结合，实现更加智能化、 自动化的工程分析和设计，为地下结构工程的发展提供更加有力的技术支持。
THANKS
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Part
05
地下结构的数值模拟技术
数值模拟技术在地下结构中的应用
结构稳定性分析
通过数值模拟技术，可以对地下结构的稳定性进行分析， 预测可能出现的滑动、崩塌等现象，为工程设计和施工提 供依据。
变形和应力分析
数值模拟技术可以对地下结构的变形和应力进行详细分析 ，了解结构的受力状态和变形趋势，优化设计方案。
渗流分析
通过数值模拟技术，可以对地下结构的渗流进行分析，预 测渗流场的变化和可能出现的渗漏问题，为防水设计和施 工提供依据。
优化设计
数值模拟技术可以对多种设计方案进行比较和优化，选择 最优方案，提高地下结构的可靠性和经济性。
数值模拟技术的优缺点分析
优点
数值模拟技术可以模拟复杂的地质条件和施工过程，提供详细、准确的分析结 果，有助于优化设计方案和提高工程质量。
缺点
数值模拟技术需要专业的技术人员和较长的计算时间，同时需要充分的数据支 持和验证，对于复杂地质条件和大规模工程的模拟仍存在一定的局限性。
数值模拟技术的发展趋势和展望
第4章地下建筑结构的计算方法详解
1. 概述
(1)以参照过去隧道工程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 方法；例如，以洞周位移量侧值为根据的收 敛—限制法； (3)作用一反作用模型，即荷载一结构模型。 例如，弹性地基因环计算和弹性地基框架计算 等计算法； (4)连续介质模型，包括解析法和数值法c数 值计算法目前主要是有限单元法。
1. 概述
荷载—结构模型模型设计的隧道支护结构
偏于保守 地层—结构模型是目前隧道结构体系设计中力求 采用的或正在发展的模型，因为它符合当前的 施工技术水平。
4种模型中前3种较为常用。
2.荷载—结构法
对应于荷载－结构模型的计算方法称为荷载－ 结构法。 地层对结构的作用只是产生在地下建筑结构上 的荷载，衬砌在荷载的作用下产生内力和变形。 这里介绍《公路隧道设计规范》（2004）中 的计算方法。
3.地层—结构法
4.3.1 设计原理 将衬砌和地层视为整体共同受力的统一体系， 在满足变形协调条件的前提下分别计算衬砌与 地层的内力。 计算方法以有限单元法为主。
3.地层—结构法
4.3.2 计算初始地应力
3.地层—结构法
3.地层—结构法
3 初始地应力 将初始自重应力与构造应力叠加， 即得初始地应力
2.荷载—结构法
4.2.1 设计原理 认为隧道开挖后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。 计算时先计算出地层压力，然后按弹性地基上 结构物的计算方法计算衬砌的内力，并进行结 构截面设计。
2.荷载—结构法
4.2.2 计算原理
2.荷载—结构法
2.荷载—结构法
第4章 地下建筑结构的计算方法
本 章 内 容
完整版地下建筑结构课程设计计算书
完整版地下建筑结构课程设计计算书一、设计题目（1 ）设计任务1、将某浅埋地下通道结构进行结构设计2、确定结构构件的截面尺寸。
3、确定结构的计算简图。
4、各构件的荷载、内力及配筋计算。
5、手绘和计算机绘制结构配筋图。
（2）基本资料某浅埋地下通道结构尺寸示意下所示。
1、埋置深度： 9.8m 。
2、地下水位：自然地面以下7m 。
3、土层①：粉质粘土，重度、内摩擦角、粘聚力分别为 r1=18kN/m，c =10kN/m，φ =15 °。
土层②：粘土，重度 =17kN/m，c =25kN/m，φ =15 °土层 3 ：粘土，天然重度 =17.5kN/m饱和重度 =19.5kN/m， c =27kN/m，，φ =17 °4、土层厚度以埋置深度为界。
5、水土压力分项系数： 1.2 。
6、地面超载荷载分项系数：地面活载荷载分项系数为 1.4 。
地面恒载荷载分项系数为 1.2.7、混凝土强度等级为C30 ；重度为 25kN/m；弹性模量为 1.4 10MPa ；泊松比为0.167 。
8、钢筋等级为 HPB335 。
9、地基变形模量为50MPa ；泊松比为 0.3 。
（3）计算假定1、结构刚度远大于地基土的刚度。
2、不考虑结构侧向位移。
3、计算时忽略加腋的影响。
4、考虑荷载最不利组合。
（4）参考规范1、《混凝土结构设计规范》——GB50010-20102 、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》——JTGD62-20043、《公路桥涵地基与基础设计规范》——JTGD63-20074、《公路桥涵设计通用规范》——JTG D60-20045、《建筑结构制图标准》——GBT50105 — 2001二、荷载计算 .（1）顶板荷载计算1、覆土压力：q土r i h i 18317 4 (19.510) 2.8 148.6KN / m22、水压力：q水r w h w10 2.828KN / m 23、顶板自重： q d 25 0.615KN / ㎡4、地面恒载及活载： q 1.4 p1 1.2 p2 1.4 8 1.24 16KN/m25、综上所述， q顶 1.2 （148.628 15） 16245.92KN/ ㎡（2）板底荷载计算q底q顶p（0.60.6 0.4） (4.73 1.2) 0.6 25 / 8.4256.00KN / ㎡245.92L（3）地基反力计算地下通道结构刚度远大于地基土的刚度，故假定地基反力为直线分布。
地下建筑结构 浅埋式矩形地下结构课程设计 计算书
浅埋式闭合框架结构设计计算书设计资料根据学号位数为016，选择的尺寸序号为（7）即mm L mm L y x 3300,3900==， 选择荷载序号为③,即m kN q m kN q /38,/2821==。
由于设计资料中明确了荷载以考虑最不利组合（含恒荷载），故在该荷载值即为设计值。
考虑到闭合框架在长度方向上的尺寸较大，计算中视其为平面应变问题，取1m 长的框架为计算单元。
施工材料的性质如表1-1一、截面尺寸确定及内力计算设S为400mm,则有h1=S+h=400+360=760mm),可得h+S/3≤760mm,1计算弯矩M1.1.结构的计算简图和基本结构如下图。
图-2计算简图和基本结构1.2典型方程弹性地基梁上的平面框架的内力计算可以采用结构力学中的力法，只是需要将下侧（底板）按弹性地基梁考虑。
由图-1的基本结构可知，此结构是对称的，所以就只有X1和X2，即可以得出典型方程为：系数是指在多余力xi的作用下，沿着xi方向的位移，△iP是指在外荷载的作用下沿xi的方向的位移，按下式计算：δij=δ’ij+bij△ij=△’iP+bipδ’ij=dsi∑⎰EJMjMδij---框架基本结构在单位力的作用下产生的位移（不包括地板）。
bij---底板按弹性地基梁在单位力的作用下算出的切口处xi方向的位移；’iP---框架基本结构在外荷载的作用下产生的位移；bip---底板按弹性地基梁在外荷载的作用下算出的切口处xi方向的位移。
1.3求δ’ij和△’iP：图-5 p M M1=1(kN.m) M2=3.3(kN.m)图-3 M 1图-4 M 2MP 上=53.235(kN.m)MP 下=260.145(kN.m) (摘自excel 文件；) 根据结构力学的力法的相关知识由图乘法可以得到： 惯性矩: 设EI=1，可得各系数如下：δ’11=EI L L 2xy +⨯=23.958δ’22=EIy21L 2/3M =10.5δ’12=δ’21=EIL M M y21=-10.89△’1p=EI)L 1/3)M -(M 22L M 1M /2L 1/3(2-y P 下P y P P x ⨯⨯⨯+⨯+⨯⨯⨯⨯=1706.3541△’2p=EI)M 3/4)M -(M L 1/3M 0.5L M （21P 下P y 1y P ⨯⨯⨯+⨯⨯⨯-=-875.7585(摘自excel 文件)1.4 求bij 和bip图-6 M1作用时的弹性地基α=)/1(5.04k 4m EI b接下来要用弹性地基梁的知识，求的相应的θ值。
第4章地下建筑结构的计算方法
3.地层—结构法
4.3.3 本构模型
3.地层—结构法
3.地层—结构法
3.地层—结构法
3.地层—结构法
3.地层—结构法
3.地层—结构法
3.地层—结构法
3.地层—结构法
3.地层—结构法
4.3.4 单元模式
3.地层—结构法
3.地层—结构法
3.地层—结构法
4.3.5 施工过程的模拟
3.地层—结构法
3.地层—结构法
3.地层—结构法
3.地层—结构法
1. 概述
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；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 体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力 和弹性支承的约束能力时间接地考虑。
1. 概述
2. 地层—结构模型
1. 概述
将支护结构与围岩视力一体，作为共同承载 的隧道结构体系，故又称为围岩一结构模型或 复合整体模型，在这个模型中围岩是直接的承 载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的 变形，这一点正好和上述模型相反。
2.荷载—结构法
4.2.1 设计原理 认为隧道开挖后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。 计算时先计算出地层压力，然后按弹性地基上 结构物的计算方法计算衬砌的内力，并进行结 构2 计算原理
2.荷载—结构法
2.荷载—结构法
1. 概述
(1)以参照过去隧道工程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 方法；例如，以洞周位移量侧值为根据的收 敛—限制法； (3)作用一反作用模型，即荷载一结构模型。 例如，弹性地基因环计算和弹性地基框架计算 等计算法； (4)连续介质模型，包括解析法和数值法c数 值计算法目前主要是有限单元法。
第六章：地下工程结构计算理论
第3节 隧道结构内力计算的荷载结构法
P7 P6
„
Pj P1 P0
„
E0
„
χ
E3 x4 x5 x6 x7 x8 x9
„
x3 4 5 i=6 7 8
3
2 1
x1
x2
Ei
„
E9 E10
9 n=10
y
对于长度远大于横截面尺寸的地下结构（如隧道） ，如果结构的荷载、几何及力学参数沿长 度方向没有变化，则可以认为结构不会发生纵向位移（即平面应变状态） ，采用一段单位长 度的结构进行内力计算。如果考虑三维作用，则因纵向应变为零，按虎克（Hooke）定律可
竖向地层主动压力
脱离区
变形后的结构轴线
侧 向 地 层 主 动 压 力
地层反力 + 弹性抗力
地层弹性抗力
2、计算模型
（1）荷载结构模型 — 基本概念是洞室围岩已经发生松弛或 坍落，结构只是‘被动’地承受地层松动所带来的荷载；结 构内力（和变形）按结构力学方法计算；被动地层反力是结 构与地层相互作用的唯一反映；计算的关键在于确定地层荷 载。荷载结构模型是规范推荐的结构内力计算模型。 1）主动荷载模型：不考虑结构和地层的共同作用，除了在 结构底部受地层约束外，其它部分在主动荷载作用下可以自 由变形，这种模型适用于结构与地层“刚度比”较大的情况， 较弱的地层没有能力去限制衬砌结构的变形；
一般取
2.0 ~ 2.5
（围岩愈软弱，愈宜取大值）。
1）深埋隧道：
方法之一：经验公式法 即《铁路隧道设计规范》（TB10003-2001） 所推荐的方法
q h* {0.45 2 s 1 [1 i( B 5)]}
其中，γ 为围岩的重度（KN/m3 ）；S为围岩的级别； B为洞室的 跨度，当 B<5m ，取i=0.2，当B＞5m，取i=0.1
YJK地下室计算
YJK地下室计算地下室的结构计算首先需要确定地下室的设计荷载。
设计荷载一般包括垂直荷载（如建筑自重、楼层荷载）、水平荷载（如风荷载、地震荷载）和温度荷载等。
根据设计荷载，可以计算出地下室的垂直和水平受力情况，包括地下室的抗拉、抗压、抗弯和抗剪承载力等。
在地下室的结构计算中，常用的方法包括弹性分析和塑性分析。
弹性分析是指假设地下室的结构在荷载作用下仍然处于弹性阶段，可以使用弹性力学原理和有限元分析方法来计算地下室的应力、应变和位移等。
塑性分析是指考虑结构破坏的可能性，即结构处于塑性阶段，可以根据材料的塑性特性和破坏准则来计算地下室的极限荷载和破坏模式。
地下室的计算还需要考虑土壤的力学性质和相互作用。
土壤的力学性质包括土壤的抗剪强度、压缩性和侧向支撑能力等。
在地下室的结构计算中，需要考虑土壤的水平和垂直支撑作用，以及地下室结构和土壤之间的相互作用。
常用的土壤-结构相互作用分析方法包括两者之间的界面模型和直接计算模型。
除了结构计算，地下室的计算还需要考虑地下室的防水和排水设计。
地下室的防水设计包括防水层材料的选择、施工方法和施工质量的控制，以及地下室内外的排水系统和雨水收集系统的设计。
地下室的排水设计需要考虑地下室的地下水位和地下水流动的影响，以确保地下室的排水系统能够有效地排除地下水和表面水。
在进行地下室计算时，还需要考虑地下室的施工方法和施工顺序。
地下室的施工方法包括明挖法、盖板法和顶板法等，每种施工方法都有其优点和适用的条件。
施工顺序可以有不同的选择，根据地下室的结构特点和施工条件，确定最合适的施工顺序，以确保地下室的施工进度和质量。
综上所述，YJK地下室计算是一个综合性的工程计算，它需要考虑地下室的结构稳定性、安全性和可靠性，以及土壤的力学性质和相互作用，防水和排水设计，施工方法和施工顺序等因素。
只有通过科学严谨的计算和评估，才能确保地下室的设计和施工质量，保证地下室的使用安全。
第六章地下工程结构计算理论.pptx
1、地下工程的受力有以下特点：
（1）除了承受使用荷载，如设备重量、隧道中行驶车辆的重量 等以外，地下工程结构还要承受周围岩土体和地下水的作用，而 且后者往往构成地下铁道结构的主要荷载。
（2）地下工程结构的荷载与众多的、随机性和时空效应明显的、 往往难以量化的自然和工程因素有关；因此，现场量测围岩与结 构的性状对于及时、合理地调整设计与施工往往是至关重要的。
（2）地层结构模型 — 基本概念是围岩与结构共同构成承载 体系，荷载来自地层的初始应力和施工所引起的应力释放； 结构内力与地层重分布应力一起按连续介质力学方法计算 （如弹塑性力学的有限单元法）；地层与结构的相互作用以 变形协调条件来体现；计算的关键在于确定围岩的应力释放 和地层结构的相互作用。
荷载结构模型的概念清晰、计算过程明确，是目前最常 用的、也是《地下铁道设计规范》推荐的地下铁道结构内力 计算模型。
i
i
i
i
(a)
i
R为地层的极限承载力
R
k 1
i
(b)
温克尔弹簧可以有几种基本布置方式：沿结构轴线的法线 方向布置可以模拟地层对结构的法向弹性约束，沿结构轴 线方向布置可以模拟地层的切向弹性约束（摩擦阻力）， 还可以布置成约束转动的环状弹簧。这些基本温克尔弹簧 可以组合模拟地层对结构的各种弹性约束作用。
（3）地下工程结构的围岩既是荷载的来源，又与结构共同构成 承载体系的一部分；
竖向地层主动压力
脱离 力
地层反力 + 弹性抗力
地层弹性抗力
2、计算模型
（1）荷载结构模型 — 基本概念是洞室围岩已经发生松弛或 坍落，结构只是‘被动’地承受地层松动所带来的荷载；结 构内力（和变形）按结构力学方法计算；被动地层反力是结 构与地层相互作用的唯一反映；计算的关键在于确定地层荷 载。荷载结构模型是规范推荐的结构内力计算模型。
地下(地面)结构内力及配筋计算程序资料
G-14 地下(地面)结构内力及配筋计算程序作者 张校正（新疆水利厅）一、计算的数学力学模型和程序功能对普通的平面框架采用有限元法分析内力时，其中仅含杆单元（包括梁和柱）。
对隧洞衬砌分析内力时，采用非线性常微方程组及其初参数数值解法。
对于既有普通板墙又有衬砌的地下结构，例如水工结构的地下厂房、闸井、尾水管等建筑，四周嵌固在岩石上，中间为普通的板墙，这种结构也可简化用平面杆系结构的有限元法计算，但其中部分杆件应考虑基岩弹性抗力。
对于这类问题，有的用节点加弹簧支座的方法。
此处采用有限元法引入弹性地基梁单元的方法。
弹性地基梁采用文克尔假定，其解用初参数法公式。
按照杆系结构的有限元法原理，总体结构的平衡方程为： []{}{}p P U K -=⋅---------------------------------------------(1)式中：[ K ]结构总体刚度矩阵；[ U ]结构节点变位列向量；﹛P ﹜p 结构节点荷载和节间荷载产生的不平衡固端力列向量。
求解方程 (1) 即得所有节点之变位。
对于每一个杆件，其杆端内力为：[]mp J I m J I m m J I P P U U K P P ⎭⎬⎫⎩⎨⎧+⎭⎬⎫⎩⎨⎧⋅=⎭⎬⎫⎩⎨⎧------------------------------------(2)式中：P I ，P J 代表杆端内力；U I ，U J 代表杆端变位；I ，J 代表点号；角码m 表示杆号；下角码P 表示固端内力；[ K ]m 代表杆件单元刚度矩阵。
结构中既有普通的杆单元，又有弹性地基梁单元。
在局部坐标中普通杆单元之刚度矩阵此处从略，弹性地基梁单元之刚度矩阵，根据结构力学的推导为： ⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡------EI EI EI EIEI EI EI EI EI EI EI EI EI EI EI EI 1223422253426334212242632253220240240440000000240220440240000000βφφββφφβφβφβφβφββφφββφφβφβφβφβφβ 式中：弹性地基梁特征长度βL 44EI K L =βK ―地基弹性抗力系数；E--梁材料之弹性模量；I--梁的惯性矩；L--梁的长度。
地下建筑结构-浅埋式矩形地下结构课程设计-计算书
浅埋式闭合框架结构设计计算书设计资料根据学号位数为016，选择的尺寸序号为（7）即mm L mm L y x 3300,3900==，选择荷载序号为③,即m kN q m kN q /38,/2821==。
由于设计资料中明确了荷载以考虑最不利组合（含恒荷载），故在该荷载值即为设计值。
考虑到闭合框架在长度方向上的尺寸较大，计算中视其为平面应变问题，取1m 长的框架为计算单元。
施工材料的性质如表1-1一、截面尺寸确定及内力计算设S为400mm,则有h1=S+h=400+360=760mm),可得h+S/3≤760mm,1计算弯矩M1.1.结构的计算简图和基本结构如下图。
图-2计算简图和基本结构1.2典型方程弹性地基梁上的平面框架的内力计算可以采用结构力学中的力法，只是需要将下侧（底板）按弹性地基梁考虑。
由图-1的基本结构可知，此结构是对称的，所以就只有X1和X2，即可以得出典型方程为：系数是指在多余力xi的作用下，沿着xi方向的位移，△iP是指在外荷载的作用下沿xi的方向的位移，按下式计算：δij=δ’ij+bij△ij=△’iP+bipδ’ij=dsi∑⎰EJMjMδij---框架基本结构在单位力的作用下产生的位移（不包括地板）。
bij---底板按弹性地基梁在单位力的作用下算出的切口处xi方向的位移；’iP---框架基本结构在外荷载的作用下产生的位移；bip---底板按弹性地基梁在外荷载的作用下算出的切口处xi方向的位移。
1.3求δ’ij和△’iP：图-5p MM1=1(kN.m) M2=3.3(kN.m) MP 上=53.235(kN.m)MP 下=260.145(kN.m) (摘自excel 文件；) 根据结构力学的力法的相关知识由图乘法可以得到： 惯性矩: 设EI=1，可得各系数如下：δ’11=EI L L 2xy +⨯=23.958 δ’22=EIy21L 2/3M =10.5δ’12=δ’21=EIL M M y21=-10.89△’1p=EI)L 1/3)M -(M 22L M 1M /2L 1/3(2-y P 下P y P P x ⨯⨯⨯+⨯+⨯⨯⨯⨯=1706.3541△’2p=EI)M 3/4)M -(M L 1/3M 0.5L M （21P 下P y 1y P ⨯⨯⨯+⨯⨯⨯-=-875.7585(摘自excel 文件)4444444444444444441.4 求bij 和bip α=)/1(5.04k 4m EI b=接下来要用弹性地基梁的知识，求的相应的θ值。
某大厦地下结构工程
某大厦地下结构工程7.2.1 工程概况1）本工程主体建筑地上10层，局部为11层，平面呈“V”型，地下为二层，地下一层为多功能厅、展廊和设备机房、汽车库，层高为5.4m，地下二层为小汽车库和部分设备机房，其中一部分为平战结合，战时为六级人防物资库，平时作为小汽车库，层高为4.0m，地下室呈矩形，每层建筑面积为6423.10m2。
2）地下室基础为钢筋砼梁板式筏基（基础反梁），基础板厚为400、500及600三种，均配置Φ14、Φ16及Φ20的双层钢筋网片。
基础反梁分为框地梁、暗地梁和地梁三种，其断面尺寸为：KDL—600×2000、600×1800、600×1400、ADL—500×2700、墙下ADL—500×1800、500×1700、DL-400×1600、400×1300。
其中配筋最大的KDL底部为22φ32、上部为18φ32。
地下室四周外墙、中间部分除二个核心简力剪力墙外，其余均为9m×9m柱网的园形钢筋砼框架柱，柱断面为φ900。
地下室基础板、基础反梁及地下室外墙为自防水砼，其抗渗等级为S16，砼强度等级为C40，楼板和梁以及首层花园平台为C30；地上主楼伸入地下室部分的墙和柱均为C60。
钢筋保护层厚度：地下室底板及基础梁为：有垫层35；无垫层75。
地下室外墙为：外侧35；内侧25。
柱子及暗柱为：25，且不宜小于纵筋直径；暗柱20。
各层梁为：25。
各层楼板为：15。
3）地下工程特点（1）地下室外形尺寸57.70×102.60m，面积较大，现场施工用地较狭窄。
（2）地下室共有6条后浇带，其中三条为沉降后浇带，三条为伸缩后浇带。
基础反梁多且高低不等，为支模和浇筑砼带来难度。
（3）地下室梁板式筏基，外墙及楼层梁板与圆形框架柱的砼强度等级相差较大，不仅要认真做好分隔，在浇筑砼时必须认真做好技术交底工作。
地下建筑结构第04章地下建筑结构计算方式
对盾构隧道的结构设计，可以采用均质圆环模型、梁 弹簧模型等。梁弹簧模型充分反映了结构的连接和受 力特性；对梁弹簧模型，管片采用直(曲)梁单元模拟， 管片之间以及环间接头用弹簧单元模拟。
地层与结构的相互作用
（一）地层与结构相互作用的模拟
支护结构和地层间相互作用，采用接触面单元模 拟。并利用塑性理论接触面单元建立非线性本构关 系。当法向应力为压应力时，采用莫尔—库仑屈服 条件，不难导出其剪切滑移的塑性矩阵。
取衬砌结构结点的位移为基本未知量。由最小势能 原理或变分原理可得系统整体求解时的平衡方程为：
K P
1 2 m T
P P1 P2 Pm T
K ：衬砌结构的整体刚度矩阵
2、荷载结构法－－计算原理
2.单元刚度矩阵： 设梁单元在局部坐标系下的结点位移为
地下建筑结构
地下建筑结构的计算方法
本讲内容
1 计算方法的发展现状和计算方法 2 荷载结构法 3 地层结构法 4 算例
1.计算方法现状和计算方法
19世纪初才逐渐形成计算理论 ，最先出现 的计算理论是将地下结构视为刚性结构的计 算理论，如压力线理论等。直到19世纪后期， 混凝土和钢筋混凝土材料陆续出现，并被用 于建造地下工程，使地下建筑结构具有较好 的整体性。从这时起，地下结构开始按弹性 连续拱形框架计算内力，并据以进行截面设 计。
2、荷载结构法
地下(地面)结构内力及配筋计算程序
G-14 地下(地面)结构内力及配筋计算程序作者 张校正（新疆水利厅）一、计算的数学力学模型和程序功能对普通的平面框架采用有限元法分析内力时，其中仅含杆单元（包括梁和柱）。
对隧洞衬砌分析内力时，采用非线性常微方程组及其初参数数值解法。
对于既有普通板墙又有衬砌的地下结构，例如水工结构的地下厂房、闸井、尾水管等建筑，四周嵌固在岩石上，中间为普通的板墙，这种结构也可简化用平面杆系结构的有限元法计算，但其中部分杆件应考虑基岩弹性抗力。
对于这类问题，有的用节点加弹簧支座的方法。
此处采用有限元法引入弹性地基梁单元的方法。
弹性地基梁采用文克尔假定，其解用初参数法公式。
按照杆系结构的有限元法原理，总体结构的平衡方程为： []{}{}p P U K -=⋅---------------------------------------------(1)式中：[ K ]结构总体刚度矩阵；[ U ]结构节点变位列向量；﹛P ﹜p 结构节点荷载和节间荷载产生的不平衡固端力列向量。
求解方程 (1) 即得所有节点之变位。
对于每一个杆件，其杆端内力为：[]mp J I m J I m m J I P P U U K P P ⎭⎬⎫⎩⎨⎧+⎭⎬⎫⎩⎨⎧⋅=⎭⎬⎫⎩⎨⎧------------------------------------(2)式中：P I ，P J 代表杆端内力；U I ，U J 代表杆端变位；I ，J 代表点号；角码m 表示杆号；下角码P 表示固端内力；[ K ]m 代表杆件单元刚度矩阵。
结构中既有普通的杆单元，又有弹性地基梁单元。
在局部坐标中普通杆单元之刚度矩阵此处从略，弹性地基梁单元之刚度矩阵，根据结构力学的推导为： ⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡------EI EIEI EI EI EIEIEI EI EI EI EI EI EI EI EI 1223422253426334212242632253220240240440000000240220440240000000βφφββφφβφβφβφβφββφφββφφβφβφβφβφβ 式中：弹性地基梁特征长度βL 44EI K L =βK ―地基弹性抗力系数；E--梁材料之弹性模量；I--梁的惯性矩；L--梁的长度。
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设计时执行的规范： 《建筑地基基础设计规范》 （GB 50007-2002） ，以下简称 基础规范； 《混凝土结构设计规范》 （GB 50010-2002） ，以下简称 混凝土规范； 《钢筋混凝土承台设计规程》 （CECS 88：97） ，以下简称 承台规程。 控制内力：
Quk = Qsk + Q pk = u ∑ qsik li + q pk Ap
Quk =3.14×0.5 （5.6×85+3.6×55+8.3×86+0.8×200） +3.14×0.0625×8000=4000kN 单桩承载力特征值 Ra = Quk / 2 =2000kN 5.1.2 桩数的确定 根据上部结构荷载传至基础的 D+L 荷载，布桩。 理论上的桩数 n 应等于总荷载除以单桩承载力特征值， 但实际上考虑局部荷 载的需要以及桩通常布置在墙下和柱下的原则，实际总桩数常大于理论桩数。 5.1.3 承台的验算
kN·M） ；
F = γ z ⋅ Fk 、 M x = γ z ⋅ M kx 、 M y = γ z ⋅ M ky
′ ′ N k ＝3500.0； M kx ＝80.0； M ky ＝240.0； Vkx ＝90.0； Vky ＝60.0
Fk ＝3500.0； M kx ＝-31.0； M ky ＝406.5
5、地下室结构尺寸及埋深如下图所示：
5.设计与计算
5.1 基础设计与计算 如采用天然地基，可采用倒梁法或者文克尔地基梁计算，该部分内容已经做 过课程设计，此处略。 本工程中，如采用桩基础，则可按照以下步骤进行计算。 5.1.1 桩基承载力的计算 本工程基岩埋深较浅，桩型采用嵌岩桩，桩端进入强风化层 2d，选用桩长 18m，桩径 500mm 的 PHC 高强预应力管桩，以 449#孔为例，单桩承载力极限值 计算如下：
5.1.3.1 二桩承台
二桩承台
hc
50 F+G My
1
b Sb Sb
1
hc bc H h
2
Vx
Y
Sa/2 Sc 2 Sc Sa/2 a X
1
a
2
基本资料： 承台类型：二桩承台，圆桩直径 d＝500mm，桩列间距 S a ＝1500mm，桩行 间距 S b ＝500mm，承台边缘至桩中心距离 S c ＝500mm； 承台根部高度 H＝1850mm，承台端部高度 h＝1850mm； 柱子高度 hc ＝500mm（X 方向） ，柱子宽度 bc ＝400mm（Y 方向） ； 单桩竖向承载力特征值 Ra ＝2000.0kN； 桩中心最小间距为 1500mm， 3.00d（d－圆桩直径或方桩边长） ； 混凝土强度等级为 C30， f c ＝14.33， f t ＝1.43N/mm； 钢筋强度设计值 f y ＝300N/mm，纵筋合力点至近边距离 a s ＝110mm； 荷载的综合分项系数 γ z ＝1.35，永久荷载的分项系数 γ G ＝1.35； 承台混凝土的容重 γ C ＝25.00kN/m，承台上土的容重 γ s ＝18.00kN/m； 承台顶面以上土层覆土厚度 d s ＝1000mm；
承台验算： 圆桩换算桩截面边宽 b p ＝0.866 ×d＝0.866×500＝433mm 1、承台受弯计算： (1)、单桩桩顶竖向力计算： 在轴心竖向力作用下
Qk = ( Fk + Gk ) / n （基础规范 8.5.3-1） Qk ＝(3500.0+157.0)/2＝1828.5kN≤ Ra ＝2000.0kN
4.基本设计资料
1、概况:本工程位于芜湖市弋江区火龙岗安置区北地块位于芜湖市火龙岗 镇，芜马高速西侧；地下一层，地下室层高为 4.70m，功能为小型汽车停车库。 地下室为框架结构，框架抗震等级为四级。 2、建筑安全等级及使用年限：本工程设计使用年限为 50 年。工程建筑抗震 设防类别为丙类，结构安全等级为二级，环境类别（±0.000m 以下）为二 a 类， 地下室防水等级为二级。 3、自然条件：本工程抗震设防烈度为 6 度，设计地震分组为第一组，场地 类别为Ⅱ类，特征周期值分别为 0.45S，设计地震加速度为 0.05g。本工程±0.000 相当于 1985 国家高程基准 9.000 米，抗浮设防水位按 8.50m 考虑。场地内地下 水及场地地下水位以上土体对混凝土有微腐蚀性， 对钢筋混凝土中的钢筋有微腐 蚀性。 ： 4、地下室平时使用均布活荷载标准值（kN/m2）
λ
0.75 0.7 0.75
表 3. 物理力学性质指标
序号 ② ③ ④ 含水率 w(%) 26.9 28.7 27.4 重度 γ (kN/m3) 19.1 18.9 19 孔隙 比e 0.777 0.824 0.793 液性指 数 Il 0.34 0.51 0.38 塑性指 数 Ip 13.8 13.4 13.9 C (kPa) 57.6 45.6 55 Φ (°) 13.6 13.6 13.4 Es1-2 (MPa) 8 6.4 7.4 标贯 (N) 17.8 14.6 20.8 锥尖 qc (MPa) 1.969 2.095 2.547 侧壁 fs (kPa) 112 82.9 128.1
F＝4725.0； M x ＝-41.9； M y ＝548.8 承台自重和承台上土自重标准值 Gk： a＝2 × S c + S a ＝2×500+1500＝2500mm b＝2 × S b ＝2×500＝1000mm 承台底部面积 Ab ＝a × b＝2.500×1.000＝2.50m2 承台体积 Vct = Ab ⋅ H 1 ＝2.50×1.850＝4.625m3
表 1. 地基土的承载力一览表
序 土层名 号 ② ③ ④ ⑤-1 ⑤ ⑥-1 ⑥ 粉质粘土 粉质粘土夹粉土 粉质粘土 强风化粉砂岩 强风化石灰岩 粉质粘土 中风化石灰岩 静力触探指标 qc (kPa) 2.087 2.257 2.768 fc (kPa) 114 84.5 130.6 土工试验 fak (kPa) 240 204 228 Es1-2 (MPa) 8.0 6.4 7.4 按静探指标计算 fak (kPa) 219 187 249 Es1-2 (MPa) 9.5 8.1 9.7 建议值 fak (kPa) 220 160 220 300 350 220 1000 Es1-2 (MPa) 8.5 6.0 8.5 微压缩 微压缩 8.5 微压缩
（kN·M） ；
M kx 、 M ky ---- 相应于荷载效应标准组合时，作用于承台底面的弯矩值
（kN·M） ； ′ ′ M kx = M kx − Vky ⋅ H 1 、 M ky = M ky + Vkx ⋅ H 1
F 、 M x 、 M y ---相应于荷载效应基本组合时，竖向力、弯矩设计值（kN、
N k --- 相应于荷载效应标准组合时，作用于柱底的轴向力值（kN） ；
Fk --- 相应于荷载效应标准组合时，作用于承台顶面的竖向力值（kN） ；
Fk = N k + Fk ′
Vkx 、Vky ---- 相应于荷载效应标准组合时，作用于承台顶面的剪力值（kN） ；
′ ′ M kx 、 弯矩值
2.地质条件
本工程拟建场地大部分为农田，局部为山坡，场地内分布有较大的明塘。农 田场地较平坦，勘探点孔口标高采用黄海高层，场地标高一般在 5.30-21.59m 之 间。 拟建场地属河流相冲积、洪积形成的一级阶地地貌单元。 场地勘察深度范围内的土层分为 8 层， 各层的土性特征及其分布自上而下分 述如下： 第①层耕填土：灰黄色，松散，稍湿-湿，主要成分为农田耕土，含有机质， 并含有植物根茎等，高压缩性。厚度一般为 0.4-2.6m。 第②层粉质粘土：灰褐色-黄色，可塑-硬塑状态。含灰白色高岭土和铁锰结 核，局部高岭土含量较多。切面光滑，干强度中等，韧性中等，厚度一般为 1.3-14.1m，层顶标高一般为 2.9-20.9m。 第③层粉质粘土夹粉土：灰色-灰黄色，稍湿，呈可塑状态。含少量灰白色 高岭土和铁锰结核，夹有薄层粉土，局部粉土含量较多。无摇振反应，无光泽反 应，干强度中等，韧性中等，层厚一般为 0.6-13.0m。层顶标高一般为-2.0-7.8m。 第④层粉质粘土：褐黄色-黄色，呈硬塑状态，局部呈可塑状态，切面光滑， 无摇振反应，干强度中等，韧性中等，层厚一般为 0.4-20.1m ，层顶标高为 -12.36m-5.20m。 第⑤-1 层强风化粉砂岩：白垩纪粉砂岩，强风化，紫红色，低压缩性。岩心 呈块状和碎块状，组织结构大部分破坏，矿物质明显发生变化，风化裂隙发育， 裂隙间可见铁锰矿物质侵染。场地内局部分布，层厚一般为 2.2-13.6m，层顶标 高一般为-14.9-（-2.37）m。
场地中地下车库位置的典型地质剖面如下图所示。
3.设计依据
1． 《建筑结构可靠度设计统一标准》 （GB50068-2001） 2． 《建筑结构荷载规范》 （GB50009-2001） （2006 年版） 3． 《混凝土结构设计规范》 （GB50010-2002） 4． 《建筑地基基础设计规范》 （GB50007-2002） 5． 《建筑抗震设计规范》 （GB50011-2001） （2008 年版） 6． 《地下工程防水技术设计规范》 （GB50108-2008） 7． 《混凝土结构平面表示法制图规则和构造详图》 （03G101-1、04G101-3） 8． 《芜湖市弋江区火龙岗安置示范点北地块岩土工程勘察报》 （报告编号： 2010-K-1-132）
第⑤层强风化石灰岩：奥陶纪灰岩，浅灰色-灰白色，强风化，上部较破碎， 裂隙发育。块状结构，隐晶质构造。岩心成碎块状，个别呈短柱状。层顶标高为 -22.72-（-15.69）m。 第⑥-1 层粉质粘土：棕黄色，稍湿，主要呈硬塑状态，局部呈可塑状态。该 层为石灰岩溶洞内的充填物。夹有少量碎石和石灰岩碎屑。场地内局部分布，层 顶标高一般为-21.63-（-0.2）m。 第⑥层中风化石灰岩：奥陶纪灰岩，深灰色-灰白色，坚硬，中等风化，岩 体较完整。中厚层状结构，隐晶质构造，局部裂隙发育。岩心呈柱状。本次勘探 揭露厚度 6.4m，未揭穿。层顶标高一般为-26.42-（10.65）m。 地基土的物理力学性质指标如表 1 所示。