大跨地下空间工程的设计与建造

路晗1 ,陈远蒙2 ,朱妍3

设计方案思路与创新：

1.1 设计方案思路

大跨地下空间模型结构整体尺寸380mm×380mm×250mm，上部三角拱为380mm×380mm×50mm，外层为牛皮纸包盖，以防止加载过程中沙粒侵入内部。由于条件限制，无法进行地基埋深，其底面采用硬卡纸作为底衬，与支撑柱下部粘合，模拟支座以产生支座反力，避免支撑柱下结点产生偏移而导致结构上部失稳。整体结构如图1-1,1-2,1-3,1-4所示。

此结构整体参照古建筑承重框架结构，现代门式钢架，将抬梁强度设计较大。在拱顶设计时，采用尖拱顶，有利于增加结构在承载应力时的稳定性。模型侧面为多柱设计，该方案呈现为八根与地面垂直且相互平行的主支柱，从俯视图上看，构型为内部无支撑的矩形，由于矩形结构属于常变体系，于是在基底处设计斜撑梁，利用三角形的稳定性加固矩形框架，使其不易变形。

从主视图观察，该方案呈现为类房屋结构，其支撑部分可分为3组门拱形结构，其中位于两端的门拱结构通过抬梁、柱、斜撑梁进行支护，而中间的门拱则与常规结构相比而言，减少了中柱两侧的上部斜梁支撑。

1.2.设计方案创新

1.2.1 设计创新

本小组主要是通过模型结构上的创新来达到试验要求：考虑到试验用材和要求，摒弃了传统建筑中通过加厚墙体等措施来加强建筑的承载，而是尝试通过稳固建筑结构来弥补承载缺失，即通过多处采用空间三角结构来对模型支架进行稳固，从而减少因承载过程中荷载过大而导致的结构快速变形。

1.2.2 试验模型制作创新

在前期模型制作中，节点处常为变形起始点，当杆件未达受弯极限值时，结点处已发生错动破坏。因此，采用杆件一体式设计，化零为整，避免由于制作工艺引起的结点受力薄弱现象。

现代钢架结构连接点主要采用焊接、铆钉、螺栓。本小组若结点必要分开连接，则在接口处将杆件进行弯折，如连接处，两平行杆外围用材料环包处理，防止受力过程中杆件错动，从而加固节点，防止松动。

2.设计计算

2.1 基本假定

a)由于模型最大横截面尺寸380mm380 mm，承压板截面尺寸350 mm 350 mm,两者相近，因此可将回填砂土视为各向同性、均质的线性变形体，在深度和水平方向上都是无限延伸的，即看成是线性变形半空间。

b)承载板以下的回填土类比于地基，视对应附加应力只取决于荷载合力的大小、方向和位置。

c)忽略砂土本身所具有的压缩性

d)承载板与回填土之间的接触压力呈线性分布。

e)承载板对回填土施加的压力看成是回填土表面的柔性荷载，即不考虑承载板刚度的影响。

f)假定施加在承压板上的集中力反映到回填土上时，呈现为均匀的面部均荷载。

g)假定承载板一下回填土对在结构顶部某一点的自重应力等于标准状态下无结构模型体时的自重应力值。

2.2 计算理论与过程

2.2.1 计算理论

沙土层地基中附加应力的计算符合弹性力学布辛涅司克解(Boussinesq approximation)。

根据等代荷载法原理，将基地面积划分成无穷多块，每块面积趋于无穷小，将σz用积分表示

将R=(x2+y2+z2)-1 代入并沿整个基底面积积分，即可得到竖直均布压力作用矩形基底角点O下z深度处所引起的加应力。

Ks是竖直均布压力矩形基底角点下的附加应力系数，它是m，n的函数，其中m=l/b，n=z/b，l是矩形的长边，b是矩形的短边，z是从基底起算的深度，Pn是基底净压力。

2.2.2 计算过程(基本条件：令承压板受到砝码施加的压力为p)

模型拱顶特殊点总应力的计算:

总应力满足：总应力=回填土的自重应力+承载板施加的附加应力( = cz + z)。计算结果如表2-1

Point	总应力值 / kp	Point	总应力值 / kp
a	1.68+0.3752p	g	1.68+0.892p
b	1.89+0.37175p	h	2.52+0.34018p
c	2.1+0.33069p	i	0.52+0.45p
d	2.31+0.26804p	j	2.1+0.7235p
e	2.52+0.181p	k	2.1+0.6591p
f	1.68+0.8068p	l	2.1+0.531225p

2.2.2.4 结构承载稳定性分析(特殊点)：

从总应力表知：

在同一高度下总存在e、a、c这三点分别比i、g、j三点所受应力小，同时独立存在且与其他特殊点之间不存在回填土自重应力相等的点为b、d两点。根据数学推理不难得出，通过两个总应力的等效，可得出对应两点之间的相对承力大小。

结合模型结构知：

模型前后平面顶部结构所承力相对中间过渡段结构梁上所承受的应力更小，上部两边斜挎顶板中，非斜结构梁与斜结构梁相比，所承受的应力更小。因此，在模型制作的过程中应尽量对支撑顶部斜板的梁(特：斜梁)进行加固处理。

参考资料

[1]GB 50017—2017周俐俐,王汝恒,钢结构(第三版),知识产权出版社,2019

[2]李廉锟主编,结构力学(第六版),高等教育出版社,2017

[3]刘松玉主编,土力学(第五版),中国建筑工业出版社,2020

[4]刘国恒,舒远兵,谢明文,广东恒新建设有限公司,一种钢架结点结构的制作方法,建筑材料工具的制造及其制品处理技术,文档序号:14323654,2016

[5]刘正,龙资,门式钢架结构工业厂房结构设计探讨,工程技术研究,2019,4(17)