第二章 建筑荷载

本讲内容

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

2.1.1 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；

2.1 荷载种类和组合

2.1.1 荷载种类

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。

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。

地下结构所承受的荷载，按其作用特点及使用中可能出现的情况分为以下三类，即永久（主要）荷载、可变（附加）荷载和偶然（特殊）荷载:

（1）永久（主要）荷载

即长期作用的恒载，主要包括：结构自重；回填土重量；围岩压力；弹性抗力；静水压力（含浮力）；混凝土收缩和徐变影响力、预加应力及设备自重等。地层压力和结构自重是衬砌承受的主要静荷载，弹性抗力是地下结构所特有的被动荷载。

（2）可变（附加）荷载

分为基本可变荷载和其它可变荷载两类。

基本可变荷载，即长期的、经常作用的变化荷载，如吊车荷载、设备重量、地下储油库的油压力、车辆、人员等荷重人群荷载等。其它可变荷载，即非经常作用的变化荷载，如温度变化、施工荷载（施工机具，盾构千斤顶推力，注浆压力）等。

（3）偶然（特殊）荷载

偶然发生的荷载，如地震力或战时发生的武器爆炸冲击动荷载。

2.1.2 荷载组合

各种荷载对结构可能不是同时作用，需进行最不利情况的组合。先计算个别荷载单独作用下的结构各部件截面的内力，再进行最不利的内力组合，得出各设计控制截面的最大内力。最不利的荷载组合一般有以下几种情况：（一）静载；

（二）静载+活载；

（三）静载+动载（原子爆炸动载、炮（炸）弹动载）

指将可能同时出现在地下结构上的荷载进行编组，取其最不利组合作为设计荷载，以最危险截面中最大内力值作为设计依据。

我国公路和铁路隧道设计规范中给出的永久、可变及偶然荷载（在铁路隧道设计规范中采用概率极限状态设计法时称为作用）参见表2-1和表2-2。

注：[1]设计隧道结构时，按其可能出现的最不利情况组合。

表2-2 铁隧道设计规范（TB10003-2001,J117-2001）的隧道作用（荷载）分类

2.2 荷载的确定方法

2.2.1 确定依据

(1) 依据规范：

当前在地下建筑结构设计中试行的规范、技术措施、条例等有多种。有的仍沿用地面建筑的设计规范，设计时应遵守各有关规范。

(2) 设计标准

1）根据建筑用途、防护等级、地震等级等确定。

2）地下建筑结构材料的选用

3）地下衬砌结构一般为超静定结构，其内力在弹性阶段可按结构力学计算。考虑抗爆动载时，允许考虑由塑性变形引起的内力重分布。

3）截面计算原则

结构截面计算时，按总安全系数法进行，一般进行强度、裂缝（抗裂度或裂缝宽度）和变形的验算等。混凝土和砖石结构仅需进行强度计算，并在必要时验算结构的稳定性。

钢筋混凝土结构在施工和正常使用阶段的静荷载作用下，除按强度计算外，一般应验算裂缝宽度，根据工程的重要性，限制裂缝宽度小于0.10~0.20mm，但不允许出现通透裂缝。对较重要的结构则不能开裂，即验算抗裂度。

钢筋混凝土结构在爆炸动载作用下只需进行强度计算，不作裂缝验算。4）安全系数

结构在静载作用下的安全系数可参照有关规范确定。

对于地下建筑结构，如施工条件差，不易保证质量和荷载变异大时，对混凝土和钢筋砼结构需考虑用附加安全系数1.1。

静载下的抗裂安全系数不小于1.25，视工程重要性，可予提高。

结构在爆炸荷载作用下，由于爆炸时间较短，而荷载很大，为使结构设计经济和配筋合理，其安全系数可以适当降低。

5）材料强度指标

一般采用工业与民用建筑规范中的规定值，亦可根据实际情况，参照水利、交通、人防和国防等专门规范。

结构在动载作用下，材料强度可以提高；提高系数见有关规定。

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。 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。

4

2(-、静止土压

力的计算

结构不发生变形和任何位移（移动或转动）时，背后填土处于弹性平衡状态 。可根据半无限弹性体的应力状态求解。

粘土ko=0.5~0.7；砂土ko=0.34~0.45。α砂土、粉土1.0；粘性土、淤泥质土0.95 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

滑动面

滑

动面(a)

(b)

图2.2 土体极限平衡状态

（a）主动土压力；（b) 被动土压力