第5章浅埋矩形通道式结构.

第5章浅埋矩形通道式结构浅埋矩形通道式结构的型式荷载计算结构内力计算方法矩形通道结构设计设计实例5.1浅埋矩形通道式结构的型式浅埋矩形通道式结构在地下建筑中应用广泛。地铁通道、车站、地下人行通道等常采用这种结构形式。浅埋矩形通道式结构的横截面为矩形，包括单跨、双跨等型式。（a）单跨（b）双跨浅埋矩形通道式结构：（a）单跨；（b）双跨单跨结构的跨度一般小于6m，当跨度大于6m时，需要采用双跨或多跨。浅埋矩形通道式结构5.2荷载计算浅埋矩形通道式结构所受荷载如图所示。顶板荷载a.覆土压力2i(kN/m)siiqhC.顶板自重2(kN/m)gqdd.地面超载、地面活荷载与特殊荷载等根据具体情况按相关规范计算。顶板荷载即为各项荷载之和。qub.水压力2(kN/m)侧墙荷载qc侧墙上的荷载主要为水土压力，可以按照第2章介绍的朗肯主动土压力计算。底板荷载qd底板上所受荷载即为地基反力。根据地基土与底板的相对刚度不同，采用不同的假设：a.结构刚度较大，地基相对较松软时，不考虑结构与土体共同作用。b.结构刚度较小，地基相对较坚硬时，考虑结构与土体共同作用。浅埋矩形通道式双跨结构实体图如图为浅埋矩形通道式双跨结构实体图，计算内力时，通常取结构纵向方向1延米进行分析。5.3结构内力计算方法不考虑结构纵向不均匀变形，把结构看作平面变形问题。计算简图框架的顶、底板的厚度要比中墙大的多，中隔墙的刚度相对较小，将中隔墙看作只承受轴力的二力杆。计算简图a.不考虑结构与土体共同作用：通道底板地基反力按已知直线分布，地基反力与作用在结构上的垂直向下的力相等。b.考虑结构与土体共同作用：按照弹性地基梁理论来求解底板的地基反力。本章将根据地基土与结构底板的相对刚度介绍两种计算内力方法（除了底板特殊考虑予以区别外，通道上部结构计算方法一致）：计算方法tqqdudPqL假定地基反力为直线分布，则地基反力=结构顶板荷载+结构自重+底板特殊荷载：由前面所述方法，可以求得结构顶板及侧墙荷载，再确定底板荷载后，用结构力学中的力法或位移法就可以计算出结构的内力。通道底板地基反力按已知直线分布的内力计算方法3/18mkNs0c17.53/25mkNc例5-1，地下通道结构尺寸及相关参数如图所示，求该结构的内力。220kN/chqm荷载计算a.覆土压力b.水压力d.地面超载顶板荷载顶板荷载2182.8(1810)4.284kN/siiiqhm2104.242kN/225125kN/gccqhm220kN/chqmc.顶板自重284422520171kN/uqm22217.5()tan(45-)=84+0.58tan(45-)=47.31kN/22siiiehm（）20.710(4.20.5)32.9kN/wwehm280.21kN/cuswqeema.侧墙顶部荷载侧向水力：则侧墙顶部载为:b.同理，侧墙底部荷载为2170.62kN/cdqm侧墙荷载土层侧向压力：底板荷载2120.6171725195.46kN/18.6duPqqmL则结构荷载分布图(取1延米）如下：单位（kN/m）按力法计算结构内力结构计算简图基本结构111122133121122223323113223333000PPPXXXXXXXXX1125.6/EI22733.87/EI1221102.4/EI1M2M1134437.91/pEI2691476.68/pEI3M331073.83/EI1331147.84/EI2332591.36/EI3942537.57/pEIPM12312312325.6102.4147.84134437.910102.4733.87591.36691476.680147.84591.361073.83942537.570XXXXXXXXX解得1231005.35kNm,474.06kN,755.08kNXXXg则将各系数代入力法典型方程得：112233PMMXMXMXM则，据此画出弯矩图：单位kNmg（）根据123,,XXXP和外荷载可画出剪力图。(正数表示剪力使杆绕顺时针旋转)单位kN（）同理，也可画出轴力图。(负数表示轴力使杆受压)单位kN（）该方法的思想是将闭合框架结构分成底梁与非底梁两部分，底梁作为弹性地基梁，考虑结构与土共同作用；而非底梁所受荷载为给定不变荷载，不考虑结构与土共同作用。底板作为弹性地基梁的计算方法利用力法求解非底梁ABCD在荷载及支座位移θ0与y0共同作用下的支座反力M0与Q0，建立支座位移与支座反力关系表达式；将θ0、y0、M0与Q0作为初参数，按局部弹性地基模型（Winkler地基模型）建立D´A´上各点的内力、位移与初参数的关系表达式，进而建立D´A´的支座位移与支座反力的关系表达式联立上述2步得到的支座位移与支座反力的关系式，就可以求出支座位移与支座反力θ0、y0、M0与Q0。进一步计算ABCD与D´A´的内力。例5-2，一单跨闭合的混凝土浅埋矩形通道结构，置于弹性地基上。几何尺寸、荷载及相关参数见图中。框架杆件等截面，厚度均为0.5m。设为平面变形问题，试绘出框架弯矩图。72E=210kN/m431.510kN/mk3/25mkNc现将底板D´A´与上部框架结构ABCD切开，令结点A、D处的弯矩、剪力、竖向位移、转角分别为θ0、y0、M0与Q0，方向如图所示，可得到下图所示的计算简图。X3=0（对称结构）111212101212222000PPXXXXf上部框架结构计算简图、力法典型方程和D点弯矩表达式的建立:上部框架结构计算简图力法典型方程非底梁（上部框架结构）内力分析0123PMMXXD点弯矩表达式8115=2.410EI2812211322.1610EI8229=4.3210EI51329.08157.96110PEI52507.684243.69210PEI力法典型方程各系数的求解:1M2MPM计算简图的建立和荷载的计算：04022510.53117.5kNQ250.5112.5kN/mq由侧墙自重和顶板荷载产生:0Qq由底板自重产生：底板弹性地基梁计算简图底梁内力分析相关参数的计算：以D´点为坐标原点，以D´A´为X轴建立坐标系，则D´点处x=0，A´点处x=4m。1mb731.510N/mk332410.51.041710m1212bhI744811.5100.36631/m442.083310bkEI1coscos2xxeechxxxgg1.46521.465214cos1.4652180/0.24032xeeg2342.4829,2.0372,2.0511同理，在A´点处（x=4m）弹性地基梁初参数方程的建立：030401023232020304012212422222kkqMyMQkkqQyMQ将上部框架结构所求各系数代入典型方程得：联立各方程组，求解未知位移与未知内力：将底梁所求各相关系数及A´点弯矩M0、Q0代入弹性地基梁初参数方程得：D点的弯矩表达式为：0123PMMXX8851102.4102.1610157.961100XX8851202.16104.3210243.6921030XX②①③④⑤8830001.13873101.56497100.7597493.1252100yM7830005.08374101.13873100.7513188.0998100yM50303031326.4256104.891810m70.90310NmX29.793810Nm37.051110NradyMX112233PMMXMXMXM由公式据此，画出整个通道式结构的弯矩图：由弹性地基梁公式03040102323212422kkqMyMQ可以求出底板可以求出上部框架结构的弯矩;弯矩图的绘制：的弯矩;单位kNmg（）5.4矩形通道结构设计实际设计时，应对最危险截面进行强度验算。因而设计弯矩、设计剪力和设计轴力应分别在其对应的最危险截面处。设计截面选择a.设计弯矩2bQMMpPi不利截面是侧墙边缘处的截面计算中近似的采用：设计弯矩计算简图设计弯矩、剪力及轴力的计算b.设计剪力bqQQpi2不利截面仍处于支座边缘处c.设计轴力piNNtptiNN由静载引起的设计轴力：由特载引起的设计轴力：将二者相加即为杆件最后设计轴力设计剪力计算简图101051.~.浮重QQK抗浮验算浅埋矩形通道式结构的顶底板与侧墙的弯矩与轴力均较大，一般需要按照偏心受压构件进行设计。在设有支托的框架结构中，杆件两端的截面计算高度采用且：3Sh13hSh支托框架结构截面设计配筋形式构造要求地下结构的特点是外侧与土、水相接触，内侧相对湿度较高。因此受力钢筋的保护层最小厚度比地面结构增加5~10mm构件名称钢筋直径保护层厚度（mm）墙板及环形结构15~2020~2525~30梁柱30~35d+（5~10）基础有垫层无垫层35702016141210ddd3232dd混凝土保护层最小厚度混凝土保护层a.受弯构件及大偏心受压构件受拉主筋配筋率一般不大于1.2%，最大不得超过1.5%b.受力钢筋直径以受弯为主的构件以受压为主的构件mmd32mmd1410~mmd1612~横向受力钢筋c.受力钢筋间距不大于200mm，不小于70mm钢筋的最小配筋百分率（%）受力类型最小配筋百分率（%）受压构件全部纵向钢筋0.6一侧纵向钢筋0.2受弯构件、偏心受拉、轴心受拉构件一侧的受拉钢筋0.2和中较大值ytff/45a.考虑混凝土的收缩、温差影响、不均匀沉陷等因素的作用，必须配置一定数量的构造钢筋分布钢筋布置图c.纵向分布钢筋应沿框架周边各构件的内、外两侧布置，其间距可采用100-300mm。框架角部，分布钢筋应适当加强，其直径不小于12-14mmb.纵向分布钢筋的截面面积，一般应不小于受力钢筋截面积的10%，纵向分布钢筋的配筋率：对顶、底板不宜小于0.15%；对侧墙不宜小于0.2%分布钢筋一般可不配置箍筋。如需配置，按下述规定：a.框架结构的箍筋间距在绑扎骨架中不应大于15d，在焊接骨架中不应大于20d，同时不应大于400mmb.在受力钢筋非焊接接头长度内，当搭接钢筋为受拉筋时，其箍筋间距不应大于5d，当搭接钢筋为受压筋时，其箍筋间距不应大于10dc.框架结构的箍筋一般采用[_]形直钩槽形箍筋，这种钢筋多用于顶、底板，其弯钩必须配置在断面受压侧。L形箍筋多用于侧墙箍筋箍筋的最大间距（mm）项次板和墙厚（mm）1150200220030032503504300400070bhfVt.070bhfVt.300150h500300h800500h800ha.框架转角处为直角时，应力集中较严重。为缓和这种现象，在节点可加斜托，斜托的垂直长度与水平长度之比以1：3为宜。斜托的大小视框架跨度大小而定。应力集中节点增加斜托刚性结点构造框架节点钢筋布置图a.沿节点内侧不可将水平构件中的受拉钢筋随意弯曲，而应沿斜托另配直线钢筋，或将此钢筋直接焊在侧墙的横向焊网上框架节点处