CN111488637B - 一种城市地下大跨结构安全系数的确定方法 - Google Patents

一种城市地下大跨结构安全系数的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于地下结构构建技术领域，具体提供了一种城市地下大跨结构安全系数的确定方法，包括：建立一跨度为L的地下跨度结构模型，模拟计算当地下跨度结构模型中挠度达到极限值时的极限荷载Pu；在地下跨度结构模型上预加载上覆土重来选定最不利荷载时的取值，得到地下跨度结构模型的容许荷载Pa；根据安全系数K的定义公式K＝Pu/Pa得到该地下跨度结构模型的安全系数K；改变跨度L值，重复上述步骤以得到不同跨度L值下与安全系数K的函数关系F1；改变地下跨度结构的工况条件以调整容许荷载Pa，解析出多个以跨度L和容许荷载Pa为变量的函数族F2。对于复杂的城市地下大跨结构，当结构跨度变化时，可以快速确定合理的安全系数以满足工程安全设计需求。

Description

一种城市地下大跨结构安全系数的确定方法
技术领域
本发明属于地下结构构建技术领域，具体涉及一种城市地下大跨结构安全系数的确定方法。
背景技术
在一般结构设计中，由于荷载和抗力均有其不确定性，科学合理的设计应考虑两者的概率分布情况合理取值以保证失效概率足够小，具体设计表达式一般采用荷载及抗力分项系数的方法。而对于地下结构，由于岩土体性质的高度复杂性和不确定性、相应测试方法的精度以及设计计算方法的成熟程度等多方面因素的影响，目前还难以采用基于概率统计的可靠度设计，采用单一安全系数的设计方法在当前情况下仍不失为一种实事求是的合理选择。目前我国城市地铁等地下工程迅猛发展，城市地下空间的建设朝着大跨度方向发展，如何针对这种新型的城市地下大跨结构选取合适的承载能力安全系数就显得至关重要。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中地下大跨度结构安全设计难的问题。
为此，本发明提供了一种城市地下大跨结构安全系数的确定方法，包括步骤：
S1：建立一跨度为L的地下跨度结构模型，通过模拟计算当所述地下跨度结构模型中挠度达到极限值时的极限荷载Pu；
S2：通过在所述地下跨度结构模型上预加载上覆土重来选定最不利荷载时的取值，得到所述地下跨度结构模型的容许荷载Pa；
S3：根据安全系数K的定义公式：
K＝Pu/Pa
得到该地下跨度结构模型的安全系数K；
S4：改变跨度L值，重复上述步骤S1至S3，得到不同跨度L值下与安全系数K的函数关系F1；
S5：改变所述地下跨度结构的工况条件以调整容许荷载Pa，解析出多个以跨度L和容许荷载Pa为变量的函数族F2。
优选地，所述上覆土重为所述地下跨度结构模型的上方地面建筑的自重竖直荷载。
优选地，所述工况条件为所述地下跨度结构模型的埋深。
优选地，所述最不利荷载为最能够破坏所述地下跨度结构模型的荷载值。
优选地，所述步骤S1具体包括：
构建地下大跨结构模型，以结构失稳变形破坏为判别依据，不断增加该地下大跨结构模型的承受荷载，当该地下大跨结构模型的挠度达到规范容许的最大值时，以这时的荷载作为所述地下跨度结构模型的极限荷载Pu。
优选地，所述极限荷载Pu及所述容许荷载Pa分别为在以各自模拟计算精度最高值为中心的上下浮动区间。
优选地，所述步骤S3具体包括：
根据上下浮动区间分别计算多组安全系数K值，然后以经济合理性作为参考，并筛选多组所述多组安全系数K值后以确定最大安全系数值Kmax。
优选地，所述步骤S5之后还包括：
根据具体的跨度查询所述函数族F2以得到安全系数值。
本发明的有益效果：本发明提供的这种城市地下大跨结构安全系数的确定方法，包括步骤：S1：建立一跨度为L的地下跨度结构模型，通过模拟计算当所述地下跨度结构模型中挠度达到极限值时的极限荷载Pu；S2：通过在所述地下跨度结构模型上预加载上覆土重来选定最不利荷载时的取值，得到所述地下跨度结构模型的容许荷载Pa；S3：根据安全系数K的定义公式K＝Pu/Pa得到该地下跨度结构模型的安全系数K；S4：改变跨度L 值，重复上述步骤S1至S3，得到不同跨度L值下与安全系数K的函数关系F1；S5：改变所述地下跨度结构的工况条件以调整容许荷载Pa，解析出多个以跨度L和容许荷载Pa为变量的函数族F2。对于复杂的城市地下大跨结构，当结构跨度变化时，可以快速确定合理的安全系数以满足工程安全设计需求。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明城市地下大跨结构安全系数的确定方法的流程示意图；
图2是本发明城市地下大跨结构安全系数的确定方法的通过数值模拟计算极限荷载Pu的计算模型示意图；
图3是本发明城市地下大跨结构安全系数的确定方法的某一容许荷载 Pa下的安全系数拟合曲线示意图；
图4是本发明城市地下大跨结构安全系数的确定方法的多组容许荷载 Pa下的安全系数拟合曲线示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1所示，本发明实施例提供了一种城市地下大跨结构安全系数的确定方法，包括步骤：
S1：建立一跨度为L的地下跨度结构模型，通过模拟计算当所述地下跨度结构模型中挠度达到极限值时的极限荷载Pu；
S2：通过在所述地下跨度结构模型上预加载上覆土重来选定最不利荷载时的取值，得到所述地下跨度结构模型的容许荷载Pa；
S3：根据安全系数K的定义公式：
K＝Pu/Pa
得到该地下跨度结构模型的安全系数K；
S4：改变跨度L值，重复上述步骤S1至S3，得到不同跨度L值下与安全系数K的函数关系F1；
S5：改变所述地下跨度结构的工况条件以调整容许荷载Pa，解析出多个以跨度L和容许荷载Pa为变量的函数族F2。
传统的结构设计中对于结构承载能力安全系数的定义是结构极限承载力与结构所容许承载的荷载之比，因此设计时一般先依照经验选取一个安全系数，假定以最不利荷载值来代替容许荷载，再依照这一关系反推结构极限承载力，进而进行结构设计。对于一般的结构来说，这样依靠经验选取安全系数的方法或许可行，但对于复杂的城市地下大跨结构，当结构跨度变化时，采取合理的安全系数具体的确定方法就显至关重要，为了填补这一空白，提出一种基于模型计算结果拟合函数确定城市地下大跨结构安全系数的方法。根据安全公式K＝Pu/Pa，式中：K—安全系数；Pu—极限荷载；Pa—容许荷载。当极限荷载Pu及容许荷载Pa都能确定时，便能计算出安全系数。
大跨结构的破坏往往是结构的失稳破坏，以跨中挠度为判断指标，以相关规范中的值(与跨度L相关)为依据，通过数值计算，模拟当结构跨中挠度达到极限值时的极限荷载Pu。地下结构承受荷载主要考虑上覆土重，考虑到地面建筑等的附加荷载因素后，在设计时选定最不利荷载是不难的，因此我们假定地下大跨结构的容许荷载Pa是已知的。
通过计算多组不同跨度L下的安全系数值K，将多组实验数据结果拟合为一个K-L关系曲线，解析出跨度与顶板结构安全系数间的函数关系 K＝f1(L)，再改变不同的工况条件(主要是埋深)以调整容许荷载Pa，解析出多个以跨度L和容许荷载Pa为变量的函数族K＝F(L)，那么在实际工程中，当结构跨度L确定时，便能依照实际的工况条件(主要是埋深)从该函数关系中确定合理的安全系数K。
结合图2，数值模拟计算结构极限承载力的计算模型示意图。利用功能强大的数值模拟软件，构建地下大跨结构模型，以结构失稳变形破坏为判别依据，不断增加结构的承受荷载，当跨中挠度达到规范容许的最大值时，以这时的荷载作为结构的极限承载力Pu。地下结构承受荷载主要考虑上覆土重，目前城市地下结构的埋深范围变化不大，考虑到地面建筑等的附加荷载因素后，通过相关理论计算，在设计时选定最不利荷载是不难的，因此我们假定此时地下大跨结构的容许荷载Pa是已知的。
根据安全系数的定义公式，便能计算出一组(l1，k1)数据，改变结构跨度L，再次进行上述模拟计算过程，通过获取的多组(l，k)数据，然后进行数值分析拟合成函数关系K＝f1(L)，形成如图3所示曲线。
图3中，跨度L的起始值L0为城市地下大跨结构的界限值，Kmax为考虑到经济合理性后能取到的最大安全系数值。得到最大安全系数后便可以用该最大安全系数值作为最终的安全系数，这样既可以满足工程安全性能，也能最大限度的节约施工用料及成本。
改变容许荷载Pa的值，再次进行上述过程，解析出多个以跨度L和容许荷载Pa为变量的函数族K＝F(L)，曲线关系见图4。
在实际工程建设中，当设计确定了城市地下结构的跨度L，考虑不同可能的容许荷载Pa，结合上述函数族K＝F(L)关系曲线，便能快速的查询到合理的结构安全系数值K，进而指导后续相关的设计。
优选的方案，所述上覆土重为所述地下跨度结构模型的上方地面建筑的自重竖直荷载。在模拟计算时，根据实地考察便可得知该模型的上方受到的压力值及分布，即地面建筑的压力。
优选的方案，所述工况条件为所述地下跨度结构模型的埋深。这里的工况条件主要是埋深，还可以添加其他的工况条件以提高计算精度。在此不再一一列举。
优选的方案，所述最不利荷载为最能够破坏所述地下跨度结构模型的荷载值。模型的上方除了固定不变的如建筑物及土壤重量形成的载荷，还有道路、行走车辆等不确定的间歇性载荷，把这些载荷都考虑进去，形成一个最不利荷载以作为预加载上覆土重，将该预加载上覆土重作为模型的荷载加进去来计算模型的容许荷载。
优选的方案，所述步骤S1具体包括：构建地下大跨结构模型，以结构失稳变形破坏为判别依据，不断增加该地下大跨结构模型的承受荷载，当该地下大跨结构模型的挠度达到规范容许的最大值时，以这时的荷载作为所述地下跨度结构模型的极限荷载Pu。模型建立完成后，只改变预加载的值，直到模型破坏，此时的预加载值即为极限载荷。
优选的方案，所述极限荷载Pu及所述容许荷载Pa分别为在以各自模拟计算精度最高值为中心的上下浮动区间。在模拟计算时，由于存在计算精度和人为主观判断的误差，因此可以在确定一个精确值后，以该精确值为中心，上下浮动一个可行长度形成一个区间值作为计算安全系数时的取值。比如极限荷载Pu的区间为A，比如容许荷载Pa的区间为B，A与B分别为一个区间，该区间包括可取的几个确定值，比如区间内有3个确定值，然后分别取不同的值来计算安全系数K，这样计算可以得到3*3＝9组安全系数K。
优选的方案，所述步骤S3具体包括：根据上下浮动区间分别计算多组安全系数K值，然后以经济合理性作为参考，并筛选多组所述多组安全系数K值后以确定最大安全系数值Kmax。具体地，最大安全系数值Kmax的取值，可根据结构的重要程度，参考规范取值，同时考虑其经济合理性作适当调整。
本发明的有益效果：本发明提供的这种城市地下大跨结构安全系数的确定方法，包括步骤：S1：建立一跨度为L的地下跨度结构模型，通过模拟计算当所述地下跨度结构模型中挠度达到极限值时的极限荷载Pu；S2：通过在所述地下跨度结构模型上预加载上覆土重来选定最不利荷载时的取值，得到所述地下跨度结构模型的容许荷载Pa；S3：根据安全系数K的定义公式K＝Pu/Pa得到该地下跨度结构模型的安全系数K；S4：改变跨度L 值，重复上述步骤S1至S3，得到不同跨度L值下与安全系数K的函数关系F1；S5：改变所述地下跨度结构的工况条件以调整容许荷载Pa，解析出多个以跨度L和容许荷载Pa为变量的函数族F2。对于复杂的城市地下大跨结构，当结构跨度变化时，可以快速确定合理的安全系数以满足工程安全设计需求。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种城市地下大跨结构安全系数的确定方法，其特征在于，包括步骤：
S1：建立一跨度为L的地下跨度结构模型，通过模拟计算当所述地下跨度结构模型中挠度达到极限值时的极限荷载Pu；
其中，构建地下大跨结构模型，以结构失稳变形破坏为判别依据，不断增加该地下大跨结构模型的承受荷载，当该地下大跨结构模型的挠度达到规范容许的最大值时，以这时的荷载作为所述地下跨度结构模型的极限荷载Pu；
S2：通过在所述地下跨度结构模型上预加载上覆土重来选定最不利荷载的取值，得到所述地下跨度结构模型的容许荷载Pa；所述极限荷载Pu及所述容许荷载Pa分别为在以各自模拟计算精度最高值为中心的上下浮动区间；所述上覆土重为所述地下跨度结构模型的上方地面建筑的自重竖直荷载；
具体地，模型的上方除了固定不变的建筑物及土壤重量形成的载荷，还有道路、行走车辆这些不确定的间歇性载荷，把这些载荷都考虑进去，形成一个最不利荷载以作为预加载上覆土重，将该预加载上覆土重作为模型的荷载加进去来计算模型的容许荷载Pa；
S3：根据安全系数K的定义公式：
K＝Pu/Pa
得到该地下跨度结构模型的安全系数K；
根据上下浮动区间分别计算多组安全系数K值，然后以经济合理性作为参考，并筛选多组所述多组安全系数K值后以确定最大安全系数值Kmax；
S4：改变跨度L值，重复上述步骤S1至S3，得到不同跨度L值下与安全系数K的函数关系F1；
S5：改变所述地下跨度结构的工况条件以调整容许荷载Pa，解析出多个以跨度L和容许荷载Pa为变量的函数族F2，所述工况条件为所述地下跨度结构模型的埋深；根据具体的跨度查询所述函数族F2以得到安全系数值。
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