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结构设计之地下空间的荷载问题

时间：2020-12-03 19:03:13 来源：作者：

地下空间结构几乎成了建筑工程的标配，这类结构体量大，结构形式比较复杂，涉及的作用很多，导致工程事故频发，应引起结构设计人员关注！

北京市石景山

河源某地下车库破坏

山东某地下车库破坏
地下空间结构涉及的作用这类繁多，受荷状态复杂，由于在设计中荷载考虑不当是发生事故原因之一。
主要作用包括：

地下空间结构设计的荷载问题

土压力与水压力

消防车荷载

温度作用

荷载效应组合

土压力

地下空间结构土压力计算要点
·土压力按永久荷载考虑
·开挖回填土一般取静止土压力，当基坑支护采用护坡桩或连续墙时，可适当折减
·地下水位标高以下土的自重要按有效自重考虑：
有效自重=饱和自重-水自重
·尚应考虑地面堆载产生的附加土压力，地面堆载应按实际情况考虑，一般不小于5kN/㎡
结构设计之地下空间的荷载问题_7

水压力

地下空间结构水压力计算要点:
·水压力一般情况按永久荷载考虑。当地下水位随时间变化较明显时，应按可变荷载考虑，如受洪水和潮汐影响的江边、河边和海边建筑
·地下水位标高，有勘察报告时按勘察报告取值，无勘察报告时，按近年最高水位取值
·地下结构设计采用的地下水位标高应与抗浮设计标高一致
结构设计之地下空间的荷载问题_8

地下水压力的荷载分项系数应视情况灵活掌握：
—永久荷载（1.2, 1.35），可变荷载（1.4），尚应根据水位标高的具体情况确定，地下水位接近地面时可适当取小值1.0～1.4
— 抗浮验算，尚应满足专业标准、地方标准
水浮力分项系数一般取 1.2～1.4
结构自重（永久荷载）分项系数一般取 0.9～1.0
结构设计之地下空间的荷载问题_9

消防车活荷载
消防车等效均布活荷载的确定
——消防车规格
消防车大小与吨位，轻（≤10t））、中（10t～20t）、重（≤30t），大型特种消防车
消防车轮胎布置与轮压（局部荷载作用位置、范围和大小）；2轴、3轴、5轴

——消防车轮压布置（找出最不利布置）

——考虑覆土厚度的轮压扩散
结构设计之地下空间的荷载问题_12

防车活荷载按覆土厚度的折减计算原理

——消防车活荷载要考虑动力系数
结构设计之地下空间的荷载问题_13

——内力分析与等效方法
局部荷载作用下板最大弯矩和剪力结构设计之地下空间的荷载问题_14

（有限元）
均布荷载作用下板最大弯矩和剪力结构设计之地下空间的荷载问题_15

（有限元）
要找准最大弯矩和剪力的位置进行等效

附录B 消防车活荷载考虑覆土厚度影响的折减系数
B.0.1 当考虑覆土对楼面消防车活荷载的影响时，可对楼面消防车活荷载标准值进行折减，折减系数可按表B.0.1、B.0.2采用。

结构设计之地下空间的荷载问题_16

表B.0.1 单向板楼盖楼面消防车活荷载折减系数

表B.0.2 双向板楼盖楼面消防车活荷载折减系数

——覆土扩散角
结构设计之地下空间的荷载问题_18

— 对一般夯实粘性土，扩散角取35度，直接按覆土厚度查表
— 其它土质情况，尤其是干燥苏松土质，扩散角要小于35度，应按式B.0.2换算
— 扩散角不应大于45度
消防车均布活荷载应用若干问题
规范强条

——单向板楼盖板跨小于2m 和双向板楼盖板跨小于3m×3m怎么办？
均布荷载肯定增大，线性关系不再适用
跨度差别不大时可以使用线性插值，否则要按等效均布计算个案处理

——单向板楼盖板跨大于2m荷载怎么取？
单向板板跨在2m～4m，可以按板跨在35kN/m～25kN/㎡之间性线插值，当板跨大于4m时取25kN/㎡（此时大部分情况按双向板考虑了）
结构设计之地下空间的荷载问题_21

——双向板楼盖板跨大于6m×6m荷载怎么取？
双向板板跨大于6m×6m时应取规范的最小值20kN/㎡

——双向板楼盖板跨3m×3m～6m×6m荷载怎么取？

可以按板跨在35kN/m～20kN/㎡之间性线插值，当两边板跨不等时，偏于保守按较小边板跨插值

——总重量超过30t的消防车荷载怎么办？
规范取值不再适用，需要单独进行等效均布荷载计算
由于吨位大的消防车，轮轴数量、轮距以及轮压等参数响应变化，可能同时出现的消防车台数也受限，等效均布荷载不一定就增加。

结构设计之地下空间的荷载问题_22

文献计算研究的41吨登高消防车为例，当两台消防车（41t+30t）作用于3m×3m～6m×6m板上上时，等效均布荷载并未超出规范取值。

结构设计之地下空间的荷载问题_23

41t+30t消防车等效均布荷载计算结果

——计算梁内力时消防车荷载如何折减？

等效均布计算结果表明，实际上梁均布荷载可能折减更多一些，有可靠依据时可酌情考虑。

——计算柱、墙内力时消防车荷载如何折减？

所谓按实际情况考虑，主要就是要判断可能同时出现、同时作用在某个柱和基础上的吊车台数，要考虑项目的规模、本地区消防救援能力以及柱、墙结构受荷范围等因素。
——设计基础时消防车荷载如何考虑？
按规范规定：

5.1.3 设计墙、柱时，本规范表5.1.1中第8项的消防车活荷载可按实际情况考虑；设计基础时可不考虑消防车荷载。
-2012版明确规定，基础设计不考虑消防车荷载。

-但也有例外，比如消防站及其附近的建筑，应按普通可变荷载考虑。
消防车通道基础设计，并不一定是消防车荷载越大越安全！在无上部结构荷载情况下，若消防通道荷载取值大，基础承载力高，但平时又没有消防车荷载作用，导致不均匀沉降，甚至开裂。

——梁、柱、墙设计时如何考虑覆土厚度折减？
— 如果梁的消防车荷载按规范取值、按规范规定折减，梁可以取与板相同的按覆土厚度折减系数，即梁的折减和覆土折减同时考虑；
— 当梁采用等效均布计算消防车时，覆土折减效应会明显减弱；
— 柱、墙可采用与梁相同的覆土厚度折减系数。

温度作用

地下空间结构出现超长结构比较普遍，温度作用在设计中需要重点考虑。温度作用考虑不当，会使地下室结构出现裂缝，引起渗漏，影响使用。

温度作用效应首先应采用构造措施化解，主要手段包括：分段缩短结构长度、设置后浇带、设置滑动支座、设置分隔钢板等等。

必要时通过温度作用分析进行设计。

温度作用计算要点

——基本气温
—荷载规范定义基本气温结构设计之地下空间的荷载问题_27

和

分别为取当地月平均最高气温和月平均最低气温。
—当地近30年历年最高气温月的月平均最高气温值和最高气温月的月平均最高气温值为统计样本，按极值I型分布统计所得重现期为50年的值。
—600多城市的基本温度值由附表D给出
——地下结构应考虑地面以下环境温度的变化
如有多层地下室时，越往下，环境温度的变化越小。当离地表面深度超过10m时，土体基本为恒温，环境温度近似等于年平均气温。
结构设计之地下空间的荷载问题_29

欧洲规范EN1991-1-5：2003 表8-3 地面以下建筑部件Tout

——结构温度的确定
—按热工学的原理，由环境温度确定结构温度，实际的传热过程比较复杂
—工程应用可近似采用热传导相对稳定后的结构温度
—对于有围护的室内结构，尚应考虑室内外温差的影响。室外环境温度取基本气温，室内环境温度要考虑空调与采暖条件按不利情况取值
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欧洲标准EN1991-1-5：2003 表8-1 内部环境温度Tin

——结构初始温度
—结构的最高初始温度T0,max和最低初始温度T0,min ，可根据结构的合拢温度和施工期间可能出现的最低或最高温度按不利情况确定。
—混凝土结构的合拢温度一般可取后浇带封闭时的月平均气温。
—结构设计时，往往不能准确确定施工工期，因此，结构合拢温度通常是一个区间值。这个区间值应包括施工可能出现的合拢温度，即应考虑施工的可行性。

——考虑混凝土收缩
—设计混凝土结构时，混凝土材料的收缩效应必须与温度作用一同考虑

—可采用等效降温法近似折算为温降

混凝土收缩应变一般为（2～1.5）× 结构设计之地下空间的荷载问题_31

，线膨胀系数为0.1× 结构设计之地下空间的荷载问题_32

，相当于降低温度20℃~15℃。
比如《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）中规定：对于整体灌注的钢筋混凝土结构，相当于降低温度15℃；对于分段灌注的钢筋混凝土结构，相当于降低温度10℃。

结构温度作用分析与控制
—首先判断结构长度是否超出规范规定（GB50010 9.1.1条）

—超长结构先采用弹性方法分析，看结构在温度作用下是否达到开裂
—开裂结构再采用弹塑性方法分析，看裂缝宽度是否满足要求（GB50010 3.3.4条）
—裂缝不满足规范要求时，应采取相应措施控制裂缝（如可采用在墙体两侧钢筋网间设置分隔钢板的措施进行）
结构设计之地下空间的荷载问题_33

荷载效应组合
——地基承载力计算
采用标准组合（特殊，由于地基承载力由变形控制）
荷载效应=上部结构荷载（恒、活、风、地震）+ 地下室楼面荷载（恒、活）+ 地下室顶板荷载（恒、活、消防车、施工）

——地基沉降验算
采用准永久组合
荷载效应=上部结构荷载（恒、活）+ 地下室楼面荷载（恒、活）+ 地下室顶板荷载（恒、活）

——抗浮验算
采用相应专业规范规定
荷载效应——水浮力
抗力——自重

——承台、筏板和地下室梁、板、柱强度计算
采用基本组合
荷载效应=上部结构荷载（恒、活、风、地震）+ 地下室楼面荷载（恒、活）+ 地下室顶板荷载（恒、活、消防车、施工）

——地下室梁、板、柱挠度、裂缝验算
采用标准组合+准永久组合
荷载效应=上部结构荷载（恒、活）+ 地下室楼面荷载（恒、活）+ 地下室顶板荷载（恒、活）

结语：地下空间结构荷载情况复杂，荷载工况众多，设计时应认真对待，避免错、漏，杜绝工程事故。

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