2.2 荷載種類和組合

地下空間結(jié)構(gòu)在建造和使用過程中均會(huì)受到各種荷載的作用，地下空間建筑的使用功能也是在承受各種荷載的過程中實(shí)現(xiàn)的。地下空間建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是依據(jù)所承受的荷載及其組合，通過科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)形式，使用一定性能、數(shù)量的材料，使地下空間結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)以及規(guī)定的條件下，滿足可靠性的要求，即保證地下空間結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性。因此，在進(jìn)行地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要準(zhǔn)確地確定地下空間結(jié)構(gòu)上的各種工況作用。

2.2.1 地下空間結(jié)構(gòu)荷載

地下空間結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)物（如房屋、橋梁）一樣，也是一種結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)行地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的首要問題就是確定荷載。但由于地下空間結(jié)構(gòu)在賦存環(huán)境、力學(xué)作用機(jī)理方面與地面結(jié)構(gòu)物不同，因此所承受的荷載也有所不同。地下空間結(jié)構(gòu)沒有風(fēng)荷載且抗震性能好，受地震作用小，在一般情況下不必進(jìn)行抗震驗(yàn)算，僅采取構(gòu)造措施即可。但地下空間結(jié)構(gòu)具有地面結(jié)構(gòu)所沒有的圍巖壓力、地下水壓力等，對(duì)地下空間防護(hù)結(jié)構(gòu)，還需考慮核武器和常規(guī)武器的爆炸荷載。

作用在地下空間結(jié)構(gòu)上的荷載，按其存在的狀態(tài)，可以分為下列4類：

（1）靜荷載。靜荷載又稱恒載，是指長(zhǎng)期作用在地下空間結(jié)構(gòu)上且大小、方向和作用點(diǎn)不變的荷載，如圍巖壓力、地下水壓力、結(jié)構(gòu)自重、固定的設(shè)備或設(shè)施等。

（2）動(dòng)荷載。動(dòng)荷載主要指要求地下空間防護(hù)結(jié)構(gòu)需考慮核武器和常規(guī)武器（炸彈、火箭）爆炸沖擊波壓力所產(chǎn)生的荷裁，這是瞬時(shí)作用的動(dòng)荷載。動(dòng)荷載還可能有地震波作用下的荷載和長(zhǎng)期震動(dòng)產(chǎn)生的荷載。

（3）活荷載。活荷載指在地下空間結(jié)構(gòu)物施工和使用期間存在的變動(dòng)荷載，其大小和作用位置都可能變化，如作用在地下空間結(jié)構(gòu)樓板上的人、物品、設(shè)備、交通等荷載以及施工安裝過程中的臨時(shí)性荷載、移動(dòng)荷載等。

（4）其他荷載。其他荷載指除以上主要荷載外，還有可能發(fā)生的荷載，如材料收縮、溫度變化、不均勻沉降等使地下空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力。這些因素對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響都比較復(fù)雜，往往難以進(jìn)行確切計(jì)算，一般以加大安全系數(shù)和在施工、構(gòu)造上采取措施來解決。

2.2.2 荷載組合

對(duì)于一個(gè)特定的地下空間結(jié)構(gòu)，上述幾種荷載不一定同時(shí)存在，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)荷載實(shí)際可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行組合。荷載組合是指將可能同時(shí)出現(xiàn)在地下空間結(jié)構(gòu)上的荷載進(jìn)行編組，取其最不利組合作為設(shè)計(jì)荷載，以最危險(xiǎn)截面中最大內(nèi)力值作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

上述4類荷載對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)可能不是同時(shí)作用，需進(jìn)行最不利情況的組合。荷載組合方案有：

（1）靜荷載。

（2）靜荷載+活荷載。

（3）靜荷載+動(dòng)荷載（一次單獨(dú)作用）。

（4）靜荷載+炮（炸）彈局部沖擊作用荷載（一次單獨(dú)作用）。

（5）靜荷載+核爆炸荷載+上部建筑物自重或倒塌荷載。

這里的倒塌荷載指附建式防護(hù)結(jié)構(gòu)的地面建筑被炸塌而堆積在淺埋地下結(jié)構(gòu)上所發(fā)生的荷載。

上述荷載組合針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)采用不同的組合方案，如單建式淺埋大跨度防護(hù)結(jié)構(gòu)、無防護(hù)結(jié)構(gòu)采用（2）項(xiàng)，整體小跨度國(guó)防工事采用（4）項(xiàng)，附建式防護(hù)結(jié)構(gòu)采用（5）項(xiàng)。同樣，對(duì)于同一結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)件，由于所受荷載不同，采用的荷載組合方式不同，如直接承受核爆炸荷載的外部構(gòu)件采用（3）項(xiàng)，不直接承受核爆炸荷載的內(nèi)部構(gòu)件采用（2）項(xiàng)。

近年來，我國(guó)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法已逐漸從傳統(tǒng)的破損階段法或容許應(yīng)力法向先進(jìn)的概率極限狀態(tài)法過渡。隨著對(duì)概率極限狀態(tài)法研究的不斷深入，人們已普遍認(rèn)識(shí)到，采用可靠性理論和推行概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，是國(guó)內(nèi)外工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是提高我國(guó)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水準(zhǔn)的有效途徑。因而，在地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用概率極限狀態(tài)法也是符合這一發(fā)展趨勢(shì)的。但由于結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)計(jì)算方法是建立在統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上的，而目前對(duì)上述各類作用的研究，如圍巖壓力、公路鐵路活載、街道活載、施工荷載等，尚不夠全面和深入，對(duì)于相應(yīng)的地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，還需要采用以往的方法作為完善可靠度設(shè)計(jì)方法前的過渡，因而在一些新的地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，還保留了早期規(guī)范中對(duì)荷載和結(jié)構(gòu)計(jì)算中的一些規(guī)定。也就是說，在目前的地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中，概率極限狀態(tài)法、破損階段法或容許應(yīng)力法仍然并用，因此，在進(jìn)行作用組合時(shí)，也必須根據(jù)采用的計(jì)算方法的不同而選擇相應(yīng)的作用（荷載）組合方式。

當(dāng)整個(gè)地下空間結(jié)構(gòu)或其一部分超過某一特定狀態(tài)，且不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求時(shí)，則稱此特定狀態(tài)為地下空間結(jié)構(gòu)對(duì)該功能的極限狀態(tài)。設(shè)計(jì)中的極限狀態(tài)往往以地下空間結(jié)構(gòu)的某種荷載效應(yīng)，如內(nèi)力、應(yīng)力、變形、裂縫等超過相應(yīng)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值為依據(jù)。根據(jù)設(shè)計(jì)中要求考慮的地下空間結(jié)構(gòu)功能，其極限狀態(tài)可分為兩大類，即承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。對(duì)承載能力極限狀態(tài)，一般以地下空間結(jié)構(gòu)的內(nèi)力超過其承載能力為依據(jù)；對(duì)正常使用極限狀態(tài)，一般是以地下空間結(jié)構(gòu)的變形、裂縫、振動(dòng)參數(shù)超過設(shè)計(jì)允許的限值為依據(jù)。

根據(jù)所考慮的極限狀態(tài)，在確定其荷載效應(yīng)時(shí)，對(duì)所有可能同時(shí)出現(xiàn)的諸荷載作用加以組合，求得組合后在地下空間結(jié)構(gòu)中的總效應(yīng)。考慮荷載出現(xiàn)的變化性質(zhì)，包括出現(xiàn)與否和不同的方向，這種組合可以多種多樣，因此還必須在所有可能的組合中取最不利的一組作為該極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

（1）對(duì)于承載能力極限狀態(tài)，應(yīng)采用荷載效應(yīng)的基本組合或偶然組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

承載能力極限狀態(tài)是指地下空間結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大設(shè)計(jì)能力或達(dá)到不適于繼續(xù)承載的較大變形的極限狀態(tài)。應(yīng)采用式（2-2-1）的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)，即

式中 γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，一般常用地下空間結(jié)構(gòu)可取為1.0，大跨度極復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)按實(shí)際設(shè)計(jì)條件分析確定；

S——荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值；

R——結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設(shè)計(jì)值，應(yīng)按各有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定確定。

1）荷載效應(yīng)的基本組合。對(duì)于基本組合，荷載效應(yīng)的組合設(shè)計(jì)值S應(yīng)從下列組合值中取最不利的值：

①由永久荷載效應(yīng)控制的組合，有

②由可變荷載效應(yīng)控制的組合，有

式中 γG——永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)；

——可變荷載Q1的分項(xiàng)系數(shù)；

——按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)Gk計(jì)算的荷載效應(yīng)值；

——按可變荷載標(biāo)準(zhǔn)Qik計(jì)算的荷載效應(yīng)值，其中為可變荷載效應(yīng)中起控制作用者；

——可變荷載Qi的組合值系數(shù)；

n——參與組合的可變荷載數(shù)。

2）荷載效應(yīng)的偶然組合。偶然組合指永久荷載、可變荷載和一個(gè)偶然荷載的組合。

偶然荷載的代表值不乘分項(xiàng)系數(shù)，與偶然荷載同時(shí)出現(xiàn)的其他作用可根據(jù)觀測(cè)資料和工程經(jīng)驗(yàn)采用適當(dāng)?shù)拇碇怠?/p>

（2）對(duì)于正常使用極限狀態(tài)，應(yīng)根據(jù)地下空間結(jié)構(gòu)不同的設(shè)計(jì)狀況分別采用荷載的短期效應(yīng)組合和長(zhǎng)期效應(yīng)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

正常使用極限狀態(tài)是指地下空間結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到使用功能上允許的某一限值的極限狀態(tài)。可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)值或組合值為荷載代表值的標(biāo)準(zhǔn)組合；也可以將可變荷載采用頻遇值或準(zhǔn)永久值為荷載代表值的頻遇組合；或?qū)⒖勺兒奢d采用準(zhǔn)永久值為荷載代表值的準(zhǔn)永久組合，并按式（2-2-4）進(jìn)行設(shè)計(jì)，即

式中 C——結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到使用要求的規(guī)定限值，如變形、裂縫等的限值。

當(dāng)永久作用效應(yīng)對(duì)承載能力起有力作用時(shí)，其分項(xiàng)系數(shù)可取為1.0。

一般來說，在地下空間結(jié)構(gòu)的荷載組合中，最重要的是結(jié)構(gòu)的自重和地層壓力，只有在特殊情況下（如地震烈度達(dá)到7度以上的地區(qū)，嚴(yán)寒地區(qū)具有凍脹性土體的洞口段襯砌）才有必要進(jìn)行特殊組合（主要荷載+附加荷載）。此外，城市中的地下空間結(jié)構(gòu)常常根據(jù)戰(zhàn)備要求，考慮一定的防護(hù)等級(jí)，也需要按瞬時(shí)作用的特殊荷載進(jìn)行短期效應(yīng)的荷載組合。

地面建筑下的地下室，在考慮核爆炸沖擊波荷載作用時(shí)，地面房屋有被沖擊波吹倒的可能，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)是否考慮房屋的倒塌荷載需按有關(guān)規(guī)定處理。

由于地下空間結(jié)構(gòu)的類型很多，使用條件差異較大，不同的地下空間結(jié)構(gòu)在荷載組合上有不同的要求，因而在荷載組合時(shí)，必須遵守相應(yīng)規(guī)范對(duì)荷載組合的規(guī)定。下面以鐵路隧道為例，說明荷載組合的過程。

《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2005/J 449—2005）中規(guī)定，當(dāng)采用概率極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)隧道結(jié)構(gòu)時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)的作用應(yīng)根據(jù)不同的極限狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀況進(jìn)行組合。一般情況下，可按作用的基本組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，基本組合可表達(dá)為：結(jié)構(gòu)自重+圍巖壓力或土壓力。

基本組合中各種作用的組合系數(shù)取1.0，當(dāng)考慮其他組合時(shí)，應(yīng)另行確定作用的組合系數(shù)。

當(dāng)采用破損階段法或容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)隧道結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)按其可能的最不利荷載組合情況進(jìn)行計(jì)算。

明洞荷載組合時(shí)應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）計(jì)算明洞頂回填土壓力，當(dāng)有落石危害需驗(yàn)算沖擊力時(shí)，可只計(jì)洞頂填土重力（不包括塌方堆積體土石重力）和落石沖擊力的影響。

2）當(dāng)設(shè)置立交明洞時(shí)，應(yīng)分不同情況計(jì)算列車活載、公路活載或渡槽流水壓力。

3）當(dāng)明洞上方與鐵路立交、填土厚度小于1m時(shí)，應(yīng)計(jì)算列車沖擊力；洞頂無填土?xí)r，應(yīng)計(jì)算制動(dòng)力的影響。

4）當(dāng)計(jì)算作用于深基礎(chǔ)明洞外墻的列車荷載時(shí)，可不考慮列車的沖擊力、制動(dòng)力。

此外，公路、城建等行業(yè)也結(jié)合其行業(yè)地下空間工程的特點(diǎn)，對(duì)其荷載組合作出了相應(yīng)的規(guī)定，在進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)遵守相應(yīng)的規(guī)范和規(guī)則。

我國(guó)公路和鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中給出的永久、可變及偶然荷載參見表2-2-1和表2-2-2。

2.2.3 荷載確定方法

荷載的確定一般按其所在行業(yè)的規(guī)范和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定。

1.使用規(guī)范

當(dāng)前在地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中試行的規(guī)范、技術(shù)措施、條例等有多種。有的仍沿用地面建筑的設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵守各有關(guān)規(guī)范。

2.設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

（1）根據(jù)建筑用途、防護(hù)等級(jí)、地震等級(jí)等確定作用在地下建筑物的荷載。此外，各種地下建筑結(jié)構(gòu)均應(yīng)承受正常使用時(shí)的靜力荷載。

（2）地下建筑結(jié)構(gòu)材料的選用，一般應(yīng)滿足規(guī)范和工程實(shí)際要求。

（3）地下空間結(jié)構(gòu)一般為超靜定結(jié)構(gòu)，其內(nèi)力在彈性階段可按結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算。考慮抗爆動(dòng)載時(shí)，允許考慮由塑性變形引起的內(nèi)力重分布。

（4）截面計(jì)算原則。進(jìn)行結(jié)構(gòu)截面計(jì)算時(shí)，按總安全系數(shù)法進(jìn)行，一般進(jìn)行強(qiáng)度、裂縫（抗裂度或裂縫寬度）和變形的驗(yàn)算等。混凝土和磚石結(jié)構(gòu)僅需進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，并在必要時(shí)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在施工和正常使用階段的靜荷載作用下，除強(qiáng)度計(jì)算外，一般應(yīng)驗(yàn)算裂縫寬度，根據(jù)工程的重要性，限制裂縫寬度小于0.10～0.20mm，但不允許出現(xiàn)通透裂縫。對(duì)較重要的結(jié)構(gòu)則不能開裂，即需要驗(yàn)算抗裂度。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在爆炸動(dòng)載作用下只需進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，不作裂縫驗(yàn)算，因在爆炸情況下，只要求結(jié)構(gòu)不倒塌，允許出現(xiàn)裂縫，日后再修固。

（5）安全系數(shù)。結(jié)構(gòu)在靜載作用下的安全系數(shù)可參照有關(guān)規(guī)范確定。

對(duì)于地下空間結(jié)構(gòu)，如施工條件差、不易保證質(zhì)量和荷載變異大時(shí)，對(duì)混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)需考慮采用附加安全系數(shù)1.1。

靜載下的抗裂安全系數(shù)不小于1.25，視工程重要性可予以提高。

結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下，由于爆炸時(shí)間較短，而荷載很大，為使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)和配筋合理，其安全系數(shù)可以適當(dāng)降低。

（6）材料強(qiáng)度指標(biāo)。一般采用工業(yè)與民用建筑規(guī)范中的規(guī)定值，也可根據(jù)實(shí)際情況，參照水利、交通、人防和國(guó)防等專門規(guī)范。

結(jié)構(gòu)在動(dòng)載作用下，材料強(qiáng)度可以提高；提高系數(shù)見有關(guān)規(guī)定。