5.6 考虑施工荷载的结构计算

•重点要明确的：•主要要明确在施工过程中可能出现的荷载形态及分布；

•这些荷载引起的结构内力存在着与使用阶段荷载引起结构内力叠加的可能性；

•最后结构强度安全系数检算引用的内力值应该是各种工况及使用阶段内力的包络线。

1. 装配式衬砌施工阶段的结构计算•盾构法施工概况

1. 装配式衬砌施工阶段的结构计算 •影响结构内力变化的因素：•（ 1）管片拼装；•（ 2）盾构推进•（ 3）衬砌背后压注•（ 4）衬砌环刚出盾尾：•常采用一个笼统的附加安全系数 。

（ 1）管片拼装：•出现较大的局部集中应力 ，导致管片开裂和存在着局部内应力 ；

（ 2）盾构推进：承受盾构千斤顶的推力；

（ 2）盾构推进：• 一般采用盾构总的推力除以衬砌环环缝面积计算，即

• 千斤顶顶力在管片环面上的作用位置大大影响管片的纵向承载力。

• 在管片板部位置上 承载力较大；• 顶力中心点较多地落在环肋面上，承载力极大降低

KRA

P/][ a≤

•（ 3）衬砌背后压注 ：常不均匀分布 ，或过高的注浆压力 等，对注浆压力、注浆量进行一定的控制；

（ 4）衬砌环刚出盾尾：•衬砌顶部土压即迅速作用到衬砌上，比基本使用阶段更为不利。

•完成它的计算图示？

2. 多跨多层矩形框架结构考虑施工步骤的计算方法

•采用明挖顺作法修建的多跨多层矩形框架结构，可视为一次整体受力的弹性地基上的框架，按 5.4 中所述方法进行内力分析；

•盖挖逆作地铁车站为例，介绍多跨多层矩形框架考虑施工步骤的计算原则和可能采用的对策 。

盖挖逆作施工步骤

施工步骤

（ 1）盖挖逆作车站结构的受力特点 •① 盖挖逆作地铁车站的修建是一个分步施工的过程（各步的结构及作用）。

•兼有临时结构和永久结构的双重功能；•其结构形式、刚度、支承条件和荷载情况随开挖过程不断变化；

•结构受力与施工方法、开挖步序和施工措施关系密切；

•荷载效应有继承性。

② 边墙受力特点：•主要承受横向荷载，•同时也承受水平构件传递的竖向荷载，

•中柱主要承受竖向荷载。•施工阶段竖向荷载在中柱和边墙之间分配；

•结构封底后，竖向荷载在中柱、边墙和底板间分配。

③ 支档结构•多以钻孔灌注桩或地下连续墙，•施工期间坑底以上墙面更接近静止土压力。 •④ 埋置较浅时，要计及地面车辆荷载对结构受力的影响，且在不断变化 。

•⑤ 在基坑开挖和形成结构过程中，竖向荷载的增大，侧向土体卸载，将会引起边墙和中柱的沉降，对结构体系的影响较严重。

•（见下页图）

示出路面荷载、基坑开挖荷载的变化

（ 2）结构分析考虑的主要问题及计算方法的确定

• ① 采用工程上惯用的平面杆系矩阵位移法。

• ② 应能反映地层与结构的相互作用及土体的非线性特性。

• 水平连杆• 竖向连杆• 切向链杆的理想弹塑性模式

• ③ 将结构受力的变化过程划分为若干个相对独立的阶段进行计算：

• 结构组成、支承情况有较大变化；• 结构受力情况有很大变化时 ；• ④ 应能反映结构受力的继承性：• 支撑的拆除：反向施加这一支撑力 （图）

• 坑底土挖除：作用着不平衡侧向土压力

b. 坑底土挖除•基坑从 h1开挖至 h2•因开挖引起的静止土压力的减小，•被挖除土体中弹性反力的释放。

c. 活载效应：•只在当前的计算阶段起作用•每一荷载步必须计算无可变荷载和只有可变荷载作用的 2种荷载工况

•d. 结构自重：•仅当构件在计算简图中第 1 次出现时考虑。

（ 3）计算参数的确定 •① 侧向土压力。可按其一考虑： • a. 边墙全高范围：• 作用不平衡侧向土压力，• 开挖面以上视为无约束的构件，• 开挖面以下视为弹性地基梁。• 迎土侧的已知外荷载视墙体变形大小可考虑为主动土压力或静止土压力。

• 基坑侧开挖面以下取静止土压力时，它与墙体水平弹性及力叠加以后不应大于被动土压力。

• b. 边墙全高范围按弹性地基梁计算，并作用不平衡土压力，

•以静止土压力为初始计算荷载，墙体的有效土压力为计算荷载与土体水平弹性反力的代数和，

•且应不小于主动土压力和不大于被动土压力。

② 地基弹性反力系数。 •它不仅与地层条件有关，而且与构件的受载面积、形状和变形方向等有关。

•现有的一些有关基床系数的经验公式，大多与土壤的变形模量发生关系，可根据试验、经验公式或查表选用。

（ 4）计算简图 •注意每一步结构和支承的变化；•静载计算一次及增量，活载计算当前步；•体系实际内力及变形的叠加内容。

•可以采用弹性支承法计算，在开挖面以下部分的土体内设置水平连杆和切向连杆；

•基底设置竖向连杆。

施工过程1

• 受力阶段：施工阶段（1）• 1.支承条件：• ① 侧向土体对墙和中间桩的等效水平弹簧及切向弹簧• ② 底部土体对墙底和桩底的等效竖向弹簧• 2.荷 载 增 量：①静载：结构自重，覆土重， 不平衡侧向土压力

• ②活载：地面施工荷载或施工车辆荷载 P1及其引起的侧土压力S1

• 3. 内力、变形增量： a1；a2• 4.体系实际内力及变形

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aAA

aA

施工过程 2

施工过程 2

• 1. 受力阶段：• 2. 支承条件：同上；• 3. 荷 载 增 量：•① 楼板自重•② 开挖引起的不平衡侧向土压力增量及弹性反力的卸载

•③活载： P1、 S1及楼板施工荷载 P2

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bbAB

bAB

施工过程 3

施工过程 3 • 1. 支承：同上，底板土体等效竖向弹簧及切向弹簧

• 2. 荷载 ： 静载：底板自重 活载： P1、 S1及 P2 • 3. 内力、变形增量 ： c1 、 c2

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ccBC

cBC

使用阶段 4

使用阶段 4 • 1. 支承 同上，底板竖向弹簧反力小于水浮力的部分应取消竖向弹簧及切向弹簧

• 2. 荷载（ 1）静载：• ① 侧墙：使用阶段侧向土压力与施工完成时侧向土压力的差值

• ② 楼板：面层重（重力）• ③ 底板：道床重力；取消弹簧的部分以水浮力作为外荷载

• （ 2）活载：• ① 车辆荷载 P3相应的侧土压力 S3 • ② 楼板：人群荷载 • 3. 内力、变形增量： d1 d2 2112

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ddCD

dCD

3. 沉埋法施工阶段的结构计算

3. 沉埋法施工阶段的结构计算

•（ 1）沉管结构设计的特点——浮力设计

•① 干舷•② 抗浮安全系数。 •沉放阶段： 1.05～ 1.10•施工阶段： 1.05 以上 •使用阶段： 1.2～ 1.5 。

设置干舷的不同阶段

③ 沉管的结构高度•通过总体几何设计，确定隧孔的内净空：• 包含：行车道宽度以及净空高度；

•沉管结构的全高以及其他外轮廓尺寸：•必须经过浮力计算和结构分析的多次试算与复算，才能予以确定。

（ 2）作用在沉管结构上的荷载

•①恒载：结构自重及其相应的地基反力•②主要荷载：•水压力是最大的荷载之一，分别计算正常的高、低潮水位的水压力，以及台风时或若干年一遇（如 100 年一遇）的特大洪水位的水压力。

•土压力考虑河床变迁所产生的附加土荷载 •浮力应等于排水量，粘性土层中可能大于排水量

•③其他：施工荷载、波浪和水流压力、沉降摩擦力、车辆活载、沉船荷载、地基反力、混凝土收缩应力、温度产生的应力、不均匀沉陷产生的力、地震力等。

地基反力的分布规律，有不同假定： • ① 反力按直线分布；• ② 反力强度与各点地基沉降量成正比（温克尔假定）；

• ③ 假定地基为半无限弹性体，按弹性理论计算反力。

• 在设计时考虑到沉管底宽较大（ 37.4m），基础处理会有不匀之处，因而既采用了单一弹性反力系数计算，亦采用了不同组合的多弹性反力系数计算，然后做出内力包络图（图 5.6.7）。

① 反力按直线分布；

反力强度与各点地基沉降量成正比

（ 3）结构计算分析 • ① 横向结构分析 • 结构分析必须经过“假定构件尺寸—分析内力—修正尺寸—复算内力”的几次循环，

• 常采用变截面或折拱形结构（参见图 1.1.6 ）。• 各处断面所受水、土压力不同（尤其是接近岸边时，荷载常急剧地变化），一节管段有时需要计算几个断面的内力和配筋，因此计算工作量一般非常大。

• 计算方法可根据情况采用本章所述的各种方法之一。

结构横断面

纵断面的荷载及配筋分类

② 纵向受力分析 •施工阶段的沉管纵向受力分析，主要是计算浮运、沉设时施工荷载（定位塔、端封墙等）所引起的内力 。

•使用阶段的纵向受力分析，一般按弹性地基梁理论。

•设计时采用的容许应力可按不同的荷载组合条件，分别加以相应的提高率：

•设计时采用的容许应力可按不同的荷载组合条件，分别加以相应的提高率：

• a. 结构自重＋保护层、路面、压载重力＋覆土荷载＋土压力＋高潮水压力：不提高；

• b. 结构自重＋保护层、路面、压载重力＋覆土荷载＋土压力＋低潮水压力：不提高；

• a. 结构自重＋保护层、路面、压载重力＋覆土荷载＋土压力＋高潮水压力：不提高；

• c. 结构自重＋保护层、路面、压载重力＋覆土荷载＋土压力＋台风时或特大洪水位水压力：提高 30%；

• d. a ＋变温影响：提高 30%；• e. a ＋特殊荷载（如沉船、地震等）混凝土的主拉应力、其他应力：提高 30%。

（ 4）预应力的应用 •当隧道跨度较大（例如车道数较多，达三车道以上），而且水、土压力又较大（例如达到 300 ～ 400kPa）时，沉管结构的顶、底板受到的剪力相当可观；

•河中水深最大处的部分管段中采用了预应力混凝土结构 。