毕业设计（论文）-合肥市轨道交通2号线徽州大道站设计.doc

北京科技大学本科生毕业设计（论文）摘要自从 1969 年北京建成我国的第一条地铁以来，我国的地铁建设迅速发展。地铁在改善城市的交通环境方面，发挥了越来越大的作用，可以断言21世纪将是地铁建设的高峰期。本文以合肥市轨道交通二号线为背景，本着经济合理、安全实用的原则，对徽州大道地铁站进行设计，具体内容如下：1、收集地质资料，了解工程概况，进行工程地质评价。2、对车站的主体结构形式、围护结构形式、基础形式、施工方法等进行方案比选，确定出最合理的方案。3、对车站的围护结构进行设计，采用地下连续墙加内支撑的围护结构形式，通过山肩邦男法计算围护结构的内力，确定入土深度，最后对地下连续墙进行抗倾覆、抗隆起、抗管涌等稳定性验算。4、根据地铁设计规范计算各种荷载并进行荷载组合，采用荷载结构模型，运用弹性地基梁的理论，使用结构有限元分析软件ANSYS计算车站结构在各种工况下的内力，根据计算出来的控制内力，按照混凝土结构设计规范对主体结构进行配筋计算和裂缝验算。5、对地铁车站深基坑施工过程的稳定性进行分析，使用ANSYS软件对深基坑施工过程做一个有限元数值模拟，通过软件计算结果，对施工过程地应力场的变化、围护结构的内力和变形做出分析，并指出施工过程应注意的问题，指导实际施工。关键词：地铁车站；结构设计；有限元分析；Hefei Metro Line 2 Huizhou Avenue Station structural design AbstractSince the first subway was built in Beijing 1969, the construction of subway developed quickly in china. The subways become more and more important in improving traffic environment of cities, we can predict that its a peak time for subway construction in 21 century.This thesis accomplishes the design of Huizhou Avenue subway station in the principle of economy, reasonability, safety and practicality based on Hefei Metro Line 2,details are as follows:1. Collecting geological data in order to understand the overview of project and evaluate engineering geology.2. Determine the most reasonable option by comparing the form of main structure, envelope structure,foundation structure and construction methods.3. Design the envelope structure and determine the form of it is underground continuous wall plus internal support,calculate internal forces and the buried depth of underground continuous wall by Yama Mayo Hodan method. At last,this article checks the security of underground continuous wall from stability against overturning check,resisting upheaval check,and seepage resistance checking.4. Working out the loads and doing combinations of the loads by the code for design of metro, adopting load-structure model, calculating the internal force of the structure making use of ANSYS with the method of plane elastic foundation beam, doing calculation about reinforcement collocating and crack width of the principal structure according to the biggest internal force calculated and the code for design of concrete structures.5. Analysis the stability of the subway station deep foundation construction process and using ANSYS software to do a deep foundation construction process finite element numerical simulation. Analysis the changes in the geo stress field,internal force and displacement of building envelope during construction by the calculation results of software,Then pointed out the problem that should be paid attention to during construction process and guide the actual construction. Key Words：Subway station；Structural design；Finite element analysis；- 1 -目录摘要1Abstract2引言11 绪论21.1 课题来源21.2 开展研究的意义31.3 国内外地铁发展现状和趋势31.4 地铁车站设计中尚存在的问题52 工程概况72.1 工程地点72.2 工程地质条件72.2.1 地层岩土性质72.2.2 地层的物理力学性质82.3 水文地质条件83 设计方案比选93.1 主体结构形式比选93.2 施工方法比选103.3 围护结构比选133.3.1 围护结构方案的选择133.3.2 支承系统的选择143.4 基础形式比选153.4.1 基础的类型153.4.2 徽州大道站基础形式的确定174 车站围护结构设计194.1围护结构计算方法简介194.2围护结构内力计算224.2.1 各阶段计算简图224.2.2 各阶段内力计算234.3 地下连续墙稳定性验算274.3.1 抗倾覆验算274.3.2 抗隆起验算294.3.3 抗管涌验算314.4 地下连续墙配筋计算324.5 地下连续墙施工334.5.1 主要施工工艺334.5.2 技术要求345 车站主体结构设计355.1主体结构设计概述355.1.1 计算模型355.1.2 设计方法355.2 主体结构尺寸及工程材料365.2.1 主体结构尺寸365.2.2 工程材料375.3 荷载分类及组合375.3.1 荷载类型375.3.2 荷载组合385.4 荷载计算395.4.1 高水位工况下荷载计算395.4.2 低水位工况下荷载计算415.4.3 人防工况下荷载计算425.4.4 地震工况下荷载计算445.5 结构内力及变形计算465.6 结构配筋及裂缝验算565.6.1 计算参数565.6.2 板的配筋及裂缝验算565.6.3 侧墙的配筋及裂缝验算645.6.4 柱子的配筋计算665.7 纵梁计算675.7.1 纵梁计算原理675.7.2 纵梁荷载计算675.7.3 纵梁内力计算695.7.4 纵梁配筋及裂缝验算725.8 结构抗浮验算756 地铁车站深基坑施工过程稳定性分析766.1 有限单元法及有限元软件ANSYS简介766.1.1有限单元法简介766.1.2 ANSYS简介776.1.3 ANSYS中的单元生死技术786.2 深基坑有限元模型的建立796.2.1 建立模型的基本假定796.2.2 单元类型与计算参数的确定796.2.3 施工过程的模拟806.3 深基坑开挖过程模拟结果及分析846.3.1 开挖过程应力场变化及分析846.3.2 地下连续墙内力变化及分析876.3.3 地下连续墙的变形及分析906.3.4 内支撑的轴力变化及分析916.3.5 基坑外土体沉降及分析93结论94参 考 文 献96附录A 外文文献原文99附录B 外文文献译文109附录C 图纸117在 学 取 得 成 果118致谢119- 3 -引言随着经济的不断发展，城市人口急剧增加，交通拥挤现象已经成为一个急需解决的问题，轨道交通以其巨大的运输能力逐渐被人们青睐，地铁车站的设计也成为一个热门课题，本文以合肥市轨道交通二号线徽州大道站为工程背景，试图通过对车站的围护结构和主体结构的设计，了解地铁车站结构设计的大概流程，熟悉对CAD、ANSYS等软件的操作，巩固大学四年所学的知识。本文一共分为六章，现将各章研究内容列出如下：第一章为绪论，介绍了课题的来源、研究的意义、国内外的发展现状和趋势以及设计中尚存在的问题等。第二章介绍了徽州大道站的工程概况，根据岩土工程勘察报告，给出了地质力学参数，为后续设计计算做好铺垫。第三章是方案比选，合理的方案是设计的基础，文中通过对比确定出车站的主体结构形式，围护结构形式，基础形式等。第四章对围护结构进行设计，采用的是日本学者山肩邦男提出的计算方法，计算出了内支撑的轴力和地下连续墙的弯矩，并对其进行配筋计算。第五章是主体结构设计，采用横断面设计法，取车站的标准断面，考虑各种荷载组合，求得截面的控制内力，对板墙柱进行配筋计算和裂缝验算。对于纵梁则简化为支撑在柱子上的等跨连续梁，查表计算梁的内力，并进行配筋计算和裂缝验算，最后用CAD绘制出配筋图纸。第六章使用有限元数值计算方法，对车站深基坑的施工过程进行模拟，并对计算结果进行分析比较。1 绪论1.1 课题来源2009年3月安徽省合肥市规划局向国家发改委上报合肥市城市轨道交通近期建设规划（2009-2016年），提出合肥市城市轨道交通建设方案由城市轨道交通1号线和2号线组成，两线形成“十”字形的基本骨架。2010年7月，通过审批后，国家发改委下发了关于审批合肥市城市轨道交通近期建设规划的请示的通知，轨道交通1号线和2号线进入筹备建设阶段。图1.1 合肥市轨道交通2 号线走向示意图合肥市轨道交通2号线工程西起长江西路长宁大道路口的长宁大道站，由西向东敷设，经长江西路、长江中路、长江东路，穿越合肥市的蜀山区、庐阳区及瑶海区三大主城区，终于大众路口的大众路站，共设置23 座车站，其中地下站19 座，高架站4座。 徽州大道地铁站位于 60m 宽的长江中路与美菱大道十字交叉路口处，车站顺长江中路路中布置。车站周边有市工商银行、市新华书店、合肥市百货大楼、市建行、合肥供电局、省财政厅等，建筑较为密集，施工难度较大。本次设计选定合肥市轨道交通2号线徽州大道站，进行围护结构和主体结构设计，其中以主体结构设计为主，按施工阶段和使用阶段进行强度、刚度和稳定性计算，以满足承载能力极限状态和正常使用极限状态要求。1.2 开展研究的意义随着合肥市经济的快速发展，合肥市人口和车辆急剧增加，道路交通拥堵日益突出，城市交通已成为合肥社会发展和人民生活改善所必须解决的问题。国内外各大城市的发展经验证明：发展公共交通是缓解大城市交通拥挤问题的有效途径。而轨道交通作为一种效率高、人均占用资源少的公共交通方式被国内外很多大城市所采用，缓解城市交通拥堵效果显著。轨道交通2号线是一条东西方向的骨干线，联系老城区、高新区、科学城，引导和促进高新区和科学城的发展，具有重大的社会和经济意义。它的建设是解决居民出行难，改善城市交通结构，缓解合肥交通日益拥堵状况及东西向运输能力瓶颈，实现交通发展战略的迫切需要；是促进城市结构调整，实施城市总体规划，支撑合肥市作为承接产业转移示范城市发展的迫切需要；是形成轨道交通线网骨架、发挥网络整体功效的需要；是保证经济增长、拉动内需、促进城市经济社会发展的需要；也是沿线重点工程配套设施，和改善生态环境、促进可持续发展战略、建设节约型社会的需要。1.3 国内外地铁发展现状和趋势我国地铁建设事业与其他发达国家相比较，起步较晚，直到1969 年北京建成我国的第一条地铁，我国的地铁建设事业才正式开始。七十年代改革开放以来，我国以经济建设为中心，大力发展生产力，城市化进程也在逐步加快。经济的发展使得人们生活水平有了很大提高，城市规模逐渐扩大的同时，城市人口也在急剧增加，居民出行和物资交流十分频繁，这就使得城市交通面临着严峻的考验。地下铁道这种运输能力强大、无污染、不占用地面空间的交通运输设施，以其自身特有的优势，正在大中城市的建设中逐渐兴起，并成为解决城市交通拥堵问题的最佳选择。国内地铁建设主要以大城市与省会城市为主。目前，我国各个城市中地铁已经建成并投入运营的分别是北京、上海、广州、深圳、天津、大连、武汉、南京、香港和台北，它们的共同特点就是多为直辖市或省会大城市，其中北京，上海，广州和香港的通车里程已超过100 km，北京市目前正在计划将地铁修往河北省，届时将真正实现津京冀一体化。除了这些特大城市外，一些经济发展较快的城市也计划或者正在修建地铁，据统计正在建设或已获得批复的城市一共有23个，分别是杭州、合肥、青岛、福州、泉州、无锡、宁波、郑州、南昌、长沙、东莞、广佛线、重庆、成都、苏州、贵阳、沈阳、哈尔滨、乌鲁木齐、西安、昆明、南宁、澳门。据我国各城市地铁交通发展规划图显示，至2016年我国将新建地铁交通线路89条，总建设里程为2500 km，投资规模达99373亿元。西方发达国家的地铁建设要比我们国家早了很多，据估计某些国家的地下空间开发已经有接近150年的历史，在二战中，人们发现地下铁道不仅可以作为平时的交通设施，战时还能起到很好的防空作用，建设地铁很有必要性。目前，地铁的建设出现了融地下商业、能源储备、轨道交通为一体的综合模式。一些地下空间利用较早和较为充分的国家，如北欧的芬兰、瑞典、挪威及亚洲的日本和北美的加拿大等，正从城市中某个区域的综合规划走向整个城市和某些系统的整体规划，他们的经验值得借鉴。各个国家的地铁建设也形成了自己独有的的特色。目前，一些先进城市地下空间的浅层部分已基本利用完毕，为了综合利用地下空间资源，人们正向深层化方向开发。 随着科学技术的进步和社会的发展，在现代修建的地铁车站中也出现了新的发展趋势，主要表现在以下两个方面：第一：车站的功能由单一功能向多功能方向发展。在以往修建的地铁车站中，绝大多数是为解决城市客运交通而修建的。现在，由于物质文化水平的提高，乘客对交通环境提出了更高的要求，地铁车站的功能为适应这一变化而得到了很大的发展，如巴黎某地铁车站在站厅内设置了小休息区，为了与站内乘客人流分开，设计者将休息区的地面加高，其上设有休息椅、酒吧等。斯德哥尔摩地铁车站站厅通常划分成地铁使用区及城市公用区两部分。在公用区内设有小商店、自动售货机，个别车站还设有理发室、照相馆、物件寄存等设施。东京银座站还设置了大型地下商场、停车库、仓库等设施。车站的功能已远不止解决交通问题这么简单了。第二：车站设备向高科技方向发展，设施日趋完善。科技成果的开发应用，对地铁车站的运营、管理、设备更新都起到了很大的推动作用。列车运行自动化控制和管理系统，保证了行车安全，提高了运输效率，改善了劳动条件。自动售检票系统、电力监控系统、自动灭火系统等现代化设施，对车站建筑设计提出了更高的要求，使地铁车站向现代化和高科技方向发展。1.4 地铁车站设计中尚存在的问题现代城市在不断发展的过程中，地铁已经成为了解决交通拥挤问题的主要手段，但是地铁车站的设计中依然存在许多问题。目前我国所出台的相应规范，还没有对地铁设计方面所涉及到的每一个细节加以规定。例如地铁抗震设计问题，我国到目前为止还没有独立的地下工程抗震设计规范，地铁工程在抗震设计方面没有现成的规范可以执行。现有的地铁抗震设计主要是依据铁路工程抗震设计规范、建筑抗震设计规范来进行，地铁工程的抗震设防水准如何选取已成为地铁抗震设计中亟待解决的问题。再如地铁耐久性问题，地铁一旦建成，通常都是使用几十年上百年的工程，耐久性的重要性不言而喻，但是目前规范中的规定尚不健全，规范中仅对于一类、二a类环境中结构的耐久性做出了规定，而对位于二a类以下环境中的地铁结构的耐久性问题，依然不能找到答案如何进行设计。地铁车站结构设计时，通常是将结构进行简化，将三维立体结构简化为二维平面结构，这些简化虽然使问题变得简单许多，满足工程需要，但是并未考虑到结构的三维效应，研究表明主体结构按照空间结构进行计算的内力结果通常是比平面简化计算结果偏小的，也就是说我们设计时有材料浪费的不合理现象，规范中对设计的很多细节没有明确规定，工程师对具体的问题处理方法也各有不同，同样一个车站，不同的工程师设计出来的结果，配筋量往往都能出现很大差异。 图1.2 杭州地铁漏水事故图 图1.3 南京地铁三号线塌陷事故图车站结构防水设计以及施工时的沉降控制也特别重要，对于我国南方地下水丰富的地区，地铁设计和施工应特别注意防水。对于有些附近建筑物密集的车站，设计时应特别注意控制地面沉降，因为如果地面沉降控制不好，对旁边的建筑造成损坏，后果将不堪想象。上图分别是由于防水未控制好而造成漏水的杭州地铁以及地面沉降未控制好而造成地面塌陷的南京地铁三号线，这些典型的工程事故值得我们借鉴学习！只有切实有效的解决了地铁车站设计方面容易出现的问题，才能够使得我国的地铁建设走上可持续发展的道路。- 99 -2 工程概况2.1 工程地点 图2.1 徽州大道站平面图 徽州大道站位于合肥市中心的市府广场附近，徽州大道与宿州路之间，沿长江中路北侧布置，车站长约223m。车站西侧为过街天桥，北侧为合肥市百货大楼、邮电大楼和青云楼，南侧为花样年华、省财政厅宿舍和解放电影院。2.2 工程地质条件2.2.1 地层岩土性质徽州大道站所经地层主要为第四系人工填筑土，全新统冲洪积粘性土、粉土及粉细砂层、上更新统冲洪积粘性土粉土层，其厚度从十余米至几十米不等，总体上从西北向东南由薄变厚。依据轨道交通二号线岩土工程勘察报告，各地层的岩土特征如下：人工填筑土（Q4ml）灰黄色、褐黄色，主要为素填粘性土，可塑、硬塑状，稍经压实。局部见砂及碎石块。表层0.10.6m 为砼路面。广泛分布于长江路地表，厚度2.1m。淤泥质粘土（Q4al+pl）深灰色，软塑，高压缩性，干强度高，含有机腐殖质，厚度为1.3m。粉质粘土、粘土（Q4al+pl）灰褐、褐黄等色，可塑硬塑状，质地不均，局部夹黄褐色细砂及砾石，厚分别为6m、5.6m。粉细砂（Q4al+pl）灰、灰褐、褐黄等色，饱和、中密密实状，呈层状分布于冲洪积平原区，厚2m。粉土（Q4al+pl）灰褐、褐黄、灰白等色，饱和、稍密中密状，呈透镜状分布于冲洪积平原区，厚4.3m。中等风化泥岩（Edn）棕红、紫红色。泥质结构，含云母。节理较发育，RQD 值0.300.85，太阳暴晒的情况下分解成散土状，厚8.7m。2.2.2 地层的物理力学性质依据轨道交通二号线岩土工程勘察报告，各地质土层的物理力学性质如表2.1所示：表2.1 土层地质计算参数表 层号厚度固结快剪天然重度土粒比重孔隙比饱和重度静止侧压力系数基床系数MPa/m（m）()C(kPa)KN/m3GSeKN/m3垂直水平1-12.1101519.02-11.351017.50.53882-25.6202520.12.740.68019.950.4320202-26.0202520.12.740.68019.950.4320202-42.0301320.32.740.61820.340.4030302-34.3201019.02.730.67019.950.4312125-1-38.7205019.82.730.37822.100.3350502.3 水文地质条件根据勘察结果，该地区地表水不发育。地下水水位较高，水量较大，以渗水、涌水为主，主要赋存于砂层及粉土层内。地下水对混凝土结构无腐蚀性，对钢筋及钢结构均具弱腐蚀性。初见水位为地下4.2m，稳定水位为地下5.2m，设计水位取地下3.4m。3 设计方案比选3.1 主体结构形式比选地下车站的主体结构型式可以采用矩形框架结构、拱形结构、圆形或椭圆形结构。 图3.1 拱形车站结构图 图3.2 椭圆形车站结构图 图3.3 矩形车站结构图 图3.4 圆形车站结构图 拱形结构一般用于站台宽度较窄的单跨单层或单跨双层车站，能够获得较好的建筑艺术效果。圆形或椭圆形的车站基本上采用盾构掘进的施工方法，在不适合明挖的地区使用，能够减少土方量，同时对周围环境影响较小，但是这种结构形式需要很大的盾构掘进机械，对技术要求非常高，经济成本很高。对于明挖车站和盖挖车站的结构型式一般采用矩形框架结构。矩形框架结构的最大优点是地下空间利用较充分且适用性强，车站平面布置灵活，尤其适用于客流量大的车站、换乘站以及需要考虑城市地下、地上空间综合开发利用的车站。该结构施工技术成熟、安全可靠，而且工期短、造价低。根据功能要求，可设计成单层、双层、单跨、双跨或多层多跨等型式。对于中间车站多设计成地下两层结构，地下一层为站厅层，用于旅客进站、存放设备以及售票等，地下二层为站台层，用于乘车。而换乘车站多设计成地下三层结构，方便乘客换乘。为了有效利用车站的层内空间，降低结构高度，顶、底及中楼板一般采用纵梁体系。 通过对比分析，考虑经济、技术、人流量等各方面因素，最终确定徽州大道站采用地下两层三跨的矩形框架结构形式，车站楼板采用梁式板结构，即将板支承在与车站轴线平行的纵梁和侧墙上，单向受力。这种结构方案具有施工简单、省模板、可以利用楼板至梁底的空间沿车站纵向布置管线，结构的总高度较小等优点。3.2 施工方法比选施工方法的选择，受沿线工程地质及水文地质条件、工程环境（地面建筑物、地下管线及构筑物等环境）、道路交通以及环境保护等因素的影响和制约，不仅要满足地铁工程本身的使用功能，而且要考虑由于施工给周围环境带来的不良影响。目前，地铁车站基坑开挖常用的施工方法有明挖法、盖挖法和暗挖法。1、明挖法明挖法即明挖顺作法，由上向下开挖基坑，（必要时先做基坑围护结构或实施降水），再由下向上浇筑主体与内部结构，然后回填土方，恢复路面。明挖顺作法施工具有以下特点： （a）施工作业面开阔，有利于提高工效、缩短工期、降低造价。 （b）施工安全，质量容易保证。 （c）结构防水简单，质量可靠。 （d）结合旧城改造及地面开发，其综合工程造价优势显著。 （e）施工期间对周围环境或道路交通影响大，气象环境对施工有一定程度的影响。 （f）基坑较深时，须采取措施防止基坑变形及其周围地面沉降。明挖顺作法适用于地面有条件敞口开挖，且有足够施工场地的情况。结合地面拆迁及道路拓宽，站位设在道路范围外，或站位设在道路下，但施工允许暂时中断交通时，考虑采用明挖顺作法施工。对于浅埋车站结构的施工，明挖法是首选施工方法，应用最广泛。2、盖挖法当车站位于现状道路或跨越路口，或处于比较繁华而狭窄的街道下，无明挖条件，但允许短时间中断交通或局部交通改移时，可采用盖挖法施工。盖挖法一般可分为盖挖顺作法及盖挖逆作法两种。 盖挖顺作法的作业程序是： （a）进行局部的交通疏解和施工围挡，施工围护结构； （b）施作盖挖系统覆盖路面，恢复交通； （c）在盖挖系统的保护下顺序的进行车站主体结构的作业； （d）拆除盖挖系统，恢复永久路面。 盖挖逆作法的作业程序为： （a）部分封闭道路交通，施作中间支承柱及边墙围护结构； （b）明挖至顶板底面标高处，浇注顶板，回填覆土并恢复交通； （c）在上部顶盖结构的保护下，继续向下开挖基坑，并施工剩余车站结构。对于车站路口特别繁华，不能中断交通的情况，还有一种方法叫倒边盖挖法，顾名思义，就是先占用一半道路，运用盖挖法施工结构的一侧以及中间柱，然后施工顶板并覆土，恢复路面，最后施工另一半结构。盖挖法与明挖法相比而言，对地面的交通的影响较小。与其它施工方法比较，盖挖法具有以下特点： （a）封闭道路时间比较短暂，而且允许分段实施，一旦路面先期恢复（或盖挖系统完成后），后续施工对地面交通几乎不再产生影响。其中盖挖顺作法对路面干扰较盖挖逆作法小，通过合理组织车行路线，可以保证施工期间路面的交通，车站防水质量也较盖挖逆筑法好。 （b）对周围环境的干扰时间较短，对防止地面沉降及对周围建筑物和地下管线的保护具有良好的效果。 （c）挖土是在顶部封闭状态下进行，大型机械应用受到限制，施工工期较长。 （d）结构的主要受力构件常兼有临时结构和永久