地下工程課程設(shè)計(jì)地鐵車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(地下矩形框架結(jié)構(gòu))

1、地 下 工 程 課 程 設(shè) 計(jì)地鐵車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（地下矩形框架結(jié)構(gòu)）學(xué)院名稱： 土木工程學(xué)院 班 級(jí)： 土木2012-7班 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 目 錄第一章 課程設(shè)計(jì)任務(wù)概述11.1 課程設(shè)計(jì)目的11.2 設(shè)計(jì)規(guī)范及參考書11.3 課程設(shè)計(jì)方案11.3.1 方案概述11.3.2 主要材料31.4 課程設(shè)計(jì)基本流程4第二章 平面結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖及荷載計(jì)算5第三章 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算6第四章 結(jié)構(gòu)（墻、板、柱）配筋計(jì)算7第一章 課程設(shè)計(jì)任務(wù)概述1.1 課程設(shè)計(jì)目的初步掌握地鐵車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本流程；通過(guò)課程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，熟悉地下工程“荷載結(jié)構(gòu)”法的有限元計(jì)算過(guò)程；掌握平面簡(jiǎn)化模型的計(jì)算簡(jiǎn)圖

2、、主動(dòng)荷載及荷載的組合方式、彈性反力及其如何在計(jì)算中體現(xiàn)；通過(guò)實(shí)際操作，掌握有限元建模、劃分單元、施加約束、施加荷載的方法；掌握地下矩形框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布特點(diǎn)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力完成配筋工作。為畢業(yè)設(shè)計(jì)及今后的實(shí)際工作做理論和實(shí)踐上的準(zhǔn)備。1.2 設(shè)計(jì)規(guī)范及參考書1、地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范2、建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范3、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范4、地下鐵道（高波主編，西南交通大學(xué)出版社）5、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理教材6、計(jì)算軟件基本使用教程相關(guān)的參考書（推薦用ansys）1.3 課程設(shè)計(jì)方案1.3.1 方案概述某地鐵車站采用明挖法施工，結(jié)構(gòu)為矩形框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)詳見(jiàn)表1-2。車站埋深3m，地下水位距地面3m，中柱截面橫

3、向尺寸固定為0.8m（如圖1-1橫斷面方向），縱向柱間距8m。為簡(jiǎn)化計(jì)算，圍巖為均一土體，土體參數(shù)詳見(jiàn)表1-1，采用水土分算。路面荷載為，鋼筋混凝土重度，中板人群與設(shè)備荷載分別取、。荷載組合按表1-3取用，基本組合用于承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)組合用于正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。要求用電算軟件完成結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，并根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范完成墻、板、柱的配筋。圖 1-1 地鐵車站橫斷面示意圖（單位：mm）表1-1 地層物理力學(xué)參數(shù)編號(hào)重度彈性反力系數(shù)內(nèi)摩擦角內(nèi)聚力a11725020a217.525021a31830022a418.530023a51935024a619.535025a72040026a8

4、20.540027注：飽和重度統(tǒng)一取“表中重度+3”。表1-2 結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)（單位：m）編號(hào)跨度l頂板厚h1中板厚h2底板厚h3墻厚t中柱b180.70.40.80.60.80.8b280.750.40.80.60.80.8b380.80.40.80.60.80.8b480.850.40.90.60.80.8b58.50.80.40.90.60.80.8b68.50.80.450.90.60.80.8b78.50.80.50.90.60.80.8b87.50.70.40.80.60.80.8b97.50.750.40.80.60.80.8b107.50.80.40.80.60.80.8（表1-

5、1表1-2進(jìn)行組合，每個(gè)人的具體工況請(qǐng)見(jiàn)excel表格）表1-3 荷載組合表組合工況永久荷載系數(shù)可變荷載系數(shù)基本組合1.35（1.2）1.40.7（1.4）標(biāo)準(zhǔn)組合1.01.0注：括號(hào)中數(shù)值為可變荷載控制時(shí)的取值；當(dāng)永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)，基本組合永久荷載系數(shù)取1.0。1.3.2 主要材料1、混凝土：墻、板用c30，柱子c40；彈性模量和泊松比查規(guī)范。2、鋼筋根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范選用。1.4 課程設(shè)計(jì)基本流程1、根據(jù)提供的尺寸，確定平面計(jì)算簡(jiǎn)圖（重點(diǎn)說(shuō)明中柱如何簡(jiǎn)化）；2、荷載計(jì)算。包括垂直荷載和側(cè)向荷載，采用水土分算；不考慮人防荷載和地震荷載。側(cè)向荷載統(tǒng)一用朗金土壓力公式。荷載組合本次課程設(shè)

6、計(jì)只考慮基本組合和標(biāo)準(zhǔn)組合兩種工況。3、有限元建模、施加約束、施加荷載、運(yùn)行計(jì)算以及計(jì)算結(jié)果的提取。注意土層約束簡(jiǎn)化為彈簧，滿足溫克爾假定且只能受壓不能受拉，即彈簧軸力為正時(shí)應(yīng)撤掉該彈性鏈桿重新計(jì)算。另要求計(jì)算結(jié)果必須包括結(jié)構(gòu)變形、彎矩、軸力、剪力。4、根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋。先根據(jù)基本組合的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)的配筋，然后根據(jù)此配筋結(jié)果檢算正常使用極限狀態(tài)的裂縫寬度（內(nèi)力采用標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算結(jié)果）是否通過(guò)？若通過(guò)，則完成配筋；若不通過(guò)，則調(diào)整配筋量，直至檢算通過(guò)。5、完成計(jì)算說(shuō)明書，并繪制墻、板、柱的配筋圖。第二章 平面結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖及荷載計(jì)算2.1平面結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖2.1.1中柱簡(jiǎn)化

7、由于中柱在縱向上的不連續(xù)性，按照抗壓剛度等效的原則，將中柱按照剛度等效的方法換算為等效墻來(lái)進(jìn)行計(jì)算，然后以等效的墻來(lái)代替柱進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，所求得的“墻”內(nèi)力即為柱的內(nèi)力并以此來(lái)進(jìn)行配筋及強(qiáng)度驗(yàn)算。由，即，得。2.1.2計(jì)算簡(jiǎn)圖 計(jì)算簡(jiǎn)圖取中心線，如圖2-1所示。圖2-1 平面結(jié)構(gòu)計(jì)算圖（單位：）2.2荷載計(jì)算1、垂直荷載（1）頂板垂直荷載：頂板垂直荷載由路面活載及垂直土壓力組成。路面活載： 垂直土壓力：頂板的自重：永久荷載控制時(shí)：可變荷載控制時(shí)：頂板垂直荷載設(shè)計(jì)值為：（2）中板垂直荷載：中板垂直荷載由人群及設(shè)備荷載、中板自重組成。 中板自重： 永久荷載控制時(shí)：可變荷載控制時(shí)：中板垂直荷載設(shè)計(jì)值為

8、：2、側(cè)向荷載側(cè)向壓力的大小與墻體的變形情況有關(guān)，在主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力之間變化，靜止土壓力進(jìn)行計(jì)算。內(nèi)摩擦角： 側(cè)壓力系數(shù)：側(cè)墻頂板處土壓力：永久荷載控制： 可變荷載控制： 取頂板處土壓力設(shè)計(jì)值為：側(cè)墻頂板處水壓力：標(biāo)準(zhǔn)值：設(shè)計(jì)值：側(cè)墻底板處土壓力：永久荷載控制：可變荷載控制：底板處土壓力設(shè)計(jì)值為：側(cè)墻底板處水壓力：設(shè)計(jì)值：標(biāo)準(zhǔn)值：3、水浮力：設(shè)計(jì)值：標(biāo)準(zhǔn)值：2.2.1荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖結(jié)構(gòu)所受荷載如下表所示：表2-1基本組合作用在結(jié)構(gòu)上的荷載位置頂板中板底板側(cè)墻頂板處側(cè)墻底板處土壓力水壓力土壓力水壓力荷載（）（）115.0414.72-172.2648.554.73133.39172.26表2

9、-2標(biāo)準(zhǔn)組合作用在結(jié)構(gòu)上的荷載位置頂板中板底板側(cè)墻頂板處側(cè)墻底板處土壓力水壓力土壓力水壓力荷載（）（）90.712-127.6038.283.5101.12127.60作用在主體結(jié)構(gòu)上的荷載如圖2-2所示。圖2-2 荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖第三章 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算3.1內(nèi)力計(jì)算地基對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性反力用彈簧代替，由于結(jié)構(gòu)與荷載均對(duì)稱，結(jié)構(gòu)的中軸在水平方向上沒(méi)有位移，所以對(duì)中軸底端位移進(jìn)行水平方向約束。使用ansys10.0計(jì)算主體結(jié)構(gòu)橫斷面的內(nèi)力。3.2計(jì)算結(jié)果3.2.1 ansys內(nèi)力圖結(jié)構(gòu)變形圖，以及軸力、剪力、彎矩計(jì)算結(jié)果如圖所示。荷載設(shè)計(jì)值作用，如圖所示：圖3-1 基本組合變形圖圖3-2 軸力圖（單位：）

10、圖3-3 剪力圖（單位：）圖3-4 彎矩圖（單位：）在荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用，如圖所示：圖3-5 標(biāo)準(zhǔn)組合變形圖圖3-6 軸力圖（單位：）圖3-7 剪力圖（單位：）圖3-8 彎矩圖（單位：）3.2.2標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)內(nèi)力要進(jìn)行結(jié)構(gòu)斷面配筋，斷面結(jié)構(gòu)內(nèi)力值見(jiàn)表3-1。要進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算，斷面結(jié)構(gòu)內(nèi)力值見(jiàn)表3-2。表3-1基本組合標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)內(nèi)力構(gòu)件彎矩/軸力/剪力/頂板上緣585.50357.52516.71頂板下緣359.71357.52516.71中板上緣207.17950.03112.58中板下緣31.13950.03112.58底板上緣280.88936.50756.80底板下緣982.47936.

11、50756.80側(cè)墻迎土面負(fù)一層357.4646.74485.38負(fù)二層982.47815.43936.51側(cè)墻背土面負(fù)一層23.53646.74485.38負(fù)二層543.30815.43936.51中柱負(fù)一層01035.80負(fù)二層01106.800表3-2標(biāo)準(zhǔn)組合標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)內(nèi)力構(gòu)件彎矩/軸力/剪力/頂板上緣445.16269.69395.65頂板下緣276.88269.69395.65中板上緣162.38768.9391.74中板下緣28.56768.9391.74底板上緣222.53696.28606.41底板下緣746.63696.28606.41側(cè)墻迎土面負(fù)一層311.37580.6

12、3341.55負(fù)二層746.63673.53696.28側(cè)墻背土面負(fù)一層15.68580.63341.55負(fù)二層394.60673.53696.28中柱負(fù)一層0722.470負(fù)二層0867.980第四章 結(jié)構(gòu)（墻、板、柱）配筋計(jì)算4.1車站頂板、中板、底板、側(cè)墻配筋計(jì)算4.1.1 頂板上緣的配筋計(jì)算截面尺寸，計(jì)算長(zhǎng)度，彎矩設(shè)計(jì)值，軸力設(shè)計(jì)值，混凝土等級(jí)c30（， ），采用hrb400鋼筋（，）。（1）配筋計(jì)算驗(yàn)算計(jì)算偏心距： 附加偏心距： 初始偏心距：由初步判斷為大偏心受壓構(gòu)件。為充分利用受壓區(qū)混凝土的抗壓強(qiáng)度，設(shè)且 則受壓區(qū)鋼筋面積：無(wú)需設(shè)置受壓鋼筋，按構(gòu)造配筋。按最小配筋率設(shè)置受壓鋼筋，。

13、選用6c20鋼筋（）。受壓區(qū)高度則受拉區(qū)鋼筋面積：所以 選用受拉鋼筋9c25（）。滿足要求。（2）裂縫寬度驗(yàn)算 由 需驗(yàn)算裂縫寬度。所以偏心距增大系數(shù)： 。軸向壓力作用點(diǎn)至縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)的距離： 縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)至截面受壓合力點(diǎn)的距離：縱向受拉鋼筋配筋率：按荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的軸向力:鋼筋混凝土構(gòu)件受拉區(qū)縱向鋼筋的應(yīng)力:裂隙間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)：最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離：受拉區(qū)縱向鋼筋的等效直徑：所以最大裂縫寬度：滿足要求。4.1.2其他標(biāo)準(zhǔn)截面的配筋計(jì)算及裂縫寬度驗(yàn)算其他截面位置配筋過(guò)程同頂板上緣，標(biāo)準(zhǔn)截面配筋計(jì)算見(jiàn)表4-1、4-2，裂縫寬度驗(yàn)算詳見(jiàn)表4-

14、3。表4-1 偏心距計(jì)算及初步判斷大小偏心截面位置頂板下緣中板上緣中板下緣底板上緣底板下緣側(cè)墻迎土面負(fù)一層側(cè)墻背土面負(fù)一層505050505050506503503506506505505501006.13219.1232.77299.931049.09552.62 40.52 23.33202023.3323.3320201027.80239.1252.77323.261072.42572.62 60.52 /195105105195195165165初步判斷破壞類型大偏心大偏心小偏心大偏心大偏心大偏心小偏心表4-2 鋼筋計(jì)算表 截面位置頂板下緣中板上緣中板下緣底板上緣底板下緣側(cè)墻迎土面負(fù)一

15、層側(cè)墻背土面負(fù)一層1327.80389.12202.77623.261372.42822.62 310.52 -8538.6-2802.9-4442.1-8034.1-4786.0-6268.71 -2530.11 14008008001400140012001200選取受壓鋼筋6c206c166c166c206c206c186c18受壓鋼筋面積18841206120618841884152715270.0110.137-0.0290.1450.059-0.0110.1480.5720.0290.1530.0610.5667.1551.8200.218.8599.4233.55311.3727

16、.8089.12-23.26772.42322.62 - 與比較1204.64783.95-7016.5100.833294.131159.17 -611.19 選取受拉鋼筋6c206c166c166c229c286c206c2018841206120622815542188418840.00270.00300.00300.00270.00790.00740.00310.00540.00600.00600.00540.01060.000990.0057根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（gb 50010-2010），如果，可不驗(yàn)算裂縫寬度。中板下緣： ；底板上緣：；側(cè)墻背土面負(fù)一層：不需進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算。表4-3 裂縫寬度驗(yàn)算表 截面位置頂板上緣頂板下緣中板上緣底板下緣側(cè)墻迎土負(fù)一層側(cè)墻背土面1650.641026.66211.181072.31536.26 585.8710.0010.0017.5010.0011.6711.67111.0731111950.641326.66376.591372.31786.26 835.87556.84546.78268.22548.00446.21 449.920.0130.0060.0060.0160.006 0.01148.92199.00257.64163