钢筋混凝土结构课程设计范例.docx

第1章 车站主体结构设计1.1 主体结构设计概述1.1.1 设计依据(1) 武汉市轨道交通6号线一期工程设计单项设计第二标段承包合同(2) 武汉轨道交通六号线一期工程初步设计技术要求(3) 武汉市轨道交通六号线一期可行性研究报告（全一册）（北京城建设计研究总院有限责任公司，中交第二公路勘察设计研究院）(4) 武汉市轨道交通6号线一期工程第标段初步勘察工程地质程勘察报告2012年07月（中间成果）(5) 武汉市轨道交通六号线一期工程初步设计文件编制统一规定(6) 武汉市轨道交通6号线一期工程设计总体部下发6号线一期工程初步设计线路第03版2012年9月21号(7) 业主单位所提供的线路及地形、地下管线电子文件(8) 武汉市轨道交通6号线一期工程业主及设计总体提供的其它相关工作联系单、会议纪要等(9) 地铁设计规范（GB50157-2003）(10) 地下铁道工程施工及验收规范（GB50299-1999（2003年版）(11) 建筑结构荷载规范（GB5009-2001（2006年版）(12) 混凝土结构设计规范（GB50010-2010）(13) 混凝土结构工程施工质量验收规范（GB50204-2002）（2011版）其他现行国家、当地、行业有关设计规范与规程1.1.2 设计范围本次毕业设计范围为6号线一期工程江城大道站标准断面结构设计及顶纵梁、中纵梁、底纵梁设计。1.1.3 技术标准(14) 地下结构中的主体结构及其相连的重要构件的设计使用年限为100年。相应结构可靠度理论的设计基准期均采用50年。地下结构的桩墙式围护结构及初期支护在施工阶段按临时构件进行设计，在使用阶段可在刚度折减的基础上考虑其与永久结构共同受力。(15) 地下铁道结构中主要构件的安全等级为一级，在按荷载效应基本组合进行使用阶段承载能力计算时，相应的结构构件重要性系数取1.1，进行施工阶段计算时，构件的重要性系数取1.0。其它构件取1.0。(16) 结构构件在永久荷载和基本荷载组合作用下，应按荷载标准组合或准永久组合并考虑长期作用的影响进行结构构件裂缝验算。裂缝控制等级按三级考虑，迎土面及地表附近干湿交替环境应不大于0.2mm，非迎土面及内部混凝土构件的裂缝宽度均应不大于0.3mm，钢筋混凝土管片内外侧的裂缝宽度应不大于0.2mm。当计及地震、人防或其他偶然荷载作用时，可不验算结构的裂缝宽度。(17) 结构设计应按最不利情况进行抗浮稳定性验算，在进行抗浮稳定验算时，各荷载分项系数均取1.0。在不考虑侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.05；当计及侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.15。当结构抗浮不能满足要求时，应采取相应的工程措施，如压重、顶部压梁或底部抗拔桩等，但不宜采用消浮措施。1.2 车站结构尺寸及材料拟定车站主体结构相关构件的断面尺寸及工程材料如下表所示：表4-1主体结构尺寸及工程材料表类别尺寸（m）混凝土强度等级主体结构顶板0.9C40、P8混凝土中板0.7C35混凝土底板1.0C40、P8混凝土顶纵梁1.02.0C40、P8混凝土中纵梁0.81.0C35混凝土底纵梁1.02.3C40、P8混凝土中柱0.81.2C50、P8混凝土侧墙0.7C40、P8混凝土1.3 荷载及组合1.3.1 荷载种类及组合(18) 荷载种类荷载种类有永久荷载、可变荷载、偶然荷载。结构荷载分类见表4-2。表4-2 地下结构荷载分类表荷载类型荷载名称永久荷载结构自重地层压力结构上部和受影响范围内的设施及建筑物压力水压力及浮力混凝土收缩及徐变作用预加应力设备重量设备基础、建筑做法、建筑止墙等引起的结构附加荷载地基下沉影响力可变荷载基本可变荷载地面车辆荷载及其冲击力地面车辆荷载引起的侧向土压力地下铁道车辆荷载及其冲击力人群荷载其他可变荷载温度变化影响力施工荷载偶然荷载地震荷载人防荷载注：施工荷载包括：设备运输及吊装荷载、施工机具及人群荷载、施工堆载、相邻隧道施工的影响、盾构法的千斤顶顶力及压浆荷载等荷载。(19) 永久荷载1) 结构自重：按实际重量计算，其中钢筋混凝土自重按25kN/m3，素混凝土按22kN/m3。2) 覆土重：粘性土中的竖向地层压力按全覆土压力计算。3) 结构上部和受影响范围内的设施及建筑物压力：在计算结构上部和受影响范围内的设施及建筑物压力时，对已有或已经批准待建的建筑物压力在结构设计中均应考虑。设计中还应包括施工工序、荷载变化、建筑物监控量测等内容。4) 水土侧压力：施工阶段按朗肯公式计算其主动侧土压力，各土层均按水土合算。使用阶段按静止侧土压力计算，水土分算。取地面为计算水位标高。5) 水浮力：明挖车站应根据施工阶段和使用阶段可能发生的地下水位的最不利情况，计算水压力和浮力的大小。取地面为计算水位标高。6) 设备荷载：设备区一般可按8kPa进行设计，但对重型设备（超过8kPa的设备）需依据设备的实际重量、动力影响、安装运输途径等确定其大小与范围，进行结构计算。7) 混凝土收缩作用：根据铁路隧道设计规范及铁路桥涵设计规范的规定,地下结构混凝土收缩的影响可假定用降低温度的方法来计算。对于整体浇筑的钢筋混凝土结构相当于降低温度15：对于分段浇注的混凝土或钢筋混凝土结构相当于降低温度10。(20) 可变荷载8) 施工荷载：考虑施工时可能情况的组合。9) 人群荷载：站台、站厅、楼梯、车站管理人员用房等部位的人群荷载按4kPa的活荷载标准值计。10) 路面活载：地面超载按20kPa计，并考虑扩散后作用在车站结构上。11) 列车荷载：地下站地铁列车荷载应根据所采用的车辆轴重、排列和制动力计算，并考虑通过的重型设备车辆进行验算。12) 温度作用力：可根据武汉地区温度情况及施工条件 ,分别按使用阶段温度变化范围及施工期间混凝土内部峰值温度考虑。(21) 偶然荷载13) 地震荷载：地震基本设防烈度为6度，地下车站抗震等级为三级。14) 人防荷载：车站人防按6级抗力等级设防。(22) 荷载组合本车站地下结构按正常使用阶段，进行强度、刚度和稳定性计算。根据结构在各阶段可能出现的荷载进行最不利组合，对结构进行承载力极限状态和正常使用极限状态验算，荷载的分项系数及组合系数按建筑结构荷载规范取值，取值如表4-3。表4-3 地铁车站结构计算荷载组合表状态及组合荷载种类承载能力极限状态正常使用极限状态基本组合标准组合永久荷载结构自重1.11.351覆土荷载1.11.351侧向土压力1.11.351侧向水压力1.11.351浮力1.11.351设备荷载1.11.351可变荷载人群荷载1.11.41.10.71地面超载1.11.41.10.71地面超载引起的侧向土压力1.11.41.10.71备注用于配筋计算用于抗裂计算1.3.2 主体结构标准断面荷载计算(23) 垂直荷载15) 顶板荷载：顶板垂直荷载由路面活载和垂直土压力组成，方向竖直向下。路面均布活载：垂直土压力：顶板垂直荷载为：标准组合：基本组合：16) 中板荷载：中板垂直荷载由人群荷载与设备荷载组成，方向竖直向下。标准组合：基本组合：17) 底板荷载：底板垂直荷载即为水浮力，方向竖直向上。标准组合：基本组合：18) 主体结构顶板、中板、底板垂直荷载计算表表4-4 主体结构顶板、中板、底板垂直荷载表（单位：）顶板中板底板标准组合62.07112-148.99基本组合85.59316.623-221.250说明：表中正值表示荷载方向为竖直向下，负值表示竖直向上。(24) 侧向荷载。取地面为计算水位标高，采用水土合算。19) 侧向水压力顶板处：标准组合：基本组合：底板处：标准组合：基本组合：20) 侧向土压力表4-5 标准断面处从地面至车站底板土层信息表序号岩土编号岩土名称厚度（m）重度(kN/m3)内摩擦角()粘聚力c（kPa）11-1杂填土4.819.018823-2粘土4.117.881633-2a粘土2.518.6123043-4粉质粘土夹粉土粉砂4.517.5812设土层至地面的距离为h。 当h=2.109 m时，标准组合：基本组合：当h=4.8m时，标准组合：基本组合：当h=8.9m时，标准组合：基本组合：当h=11.4m时，标准组合：基本组合：当h=14.899m时，标准组合：基本组合：1.3.3 车站纵梁荷载计算纵梁计算位置考虑荷载最不利位置，取纵梁两侧相邻顶板半跨荷载之和，即纵梁为两个半跨顶板上部荷载及顶板自重之和。(25) 顶纵梁荷载顶板自重：顶纵梁自重：顶板垂直荷载：标准组合：基本组合：顶纵梁承受的荷载：标准组合标准组合(26) 中纵梁荷载中板自重：中纵梁自重：中板垂直荷载：标准组合：基本组合：中纵梁承受的荷载：标准组合标准组合(27) 底纵梁荷载（荷载为正值时表示荷载方向竖直向下，荷载为负值时表示荷载方向竖直向上）底板自重：底纵梁自重：底板垂直荷载：标准组合：基本组合：底纵梁承受的荷载：标准组合标准组合(28) 主体结构纵梁荷载计算表表4-6主体结构纵梁荷载表（单位：）顶纵梁中纵梁底纵梁标准组合919.15176.2-947.15基本组合1318.209253.158-1406.521说明：表中正值表示荷载方向为竖直向下，负值表示竖直向上。1.4 车站标准断面内力计算1.4.1 计算模型地铁车站是通过顶板将竖向荷载和集中荷载转化为线荷载传递给纵梁，通过纵梁再把线荷载转化为集中荷载和弯矩传递给柱，再由柱将荷载传递给底板纵梁，进而转化为底板的面荷载传递给地基，完成竖向荷载的传递。地铁车站一般为长通道结构，其横向尺寸远小于纵向尺寸，在现行的地铁车站设计中一般简化为平面问题求解。目前通常采用两种简化方法：一种是参照工民建当中无梁楼板的设计方法，即等代框架法；另一种是刚度等效法。(29) 等代框架法等代框架法就是取纵向一个柱跨l范围内的各层梁板、侧墙与立柱，组合为平面框架，忽略纵梁的作用，在求出各等代构件的内力后，将等代框架的计算弯矩以板带分配系数进行分配，确定各板带的内力。在配筋计算时，需要将计算得到的板、墙内力值除以柱跨l，换算得到单位长度的板、墙内力值。但是柱子的内力值不能除以l，而应直接用于配筋计算。(30) 刚度等效法由于地铁车站的长度远大于其宽度，刚度等效法可作为平面应变问题来考虑，故框架结构沿纵向取一延米进行计算。由于中立柱在纵向的不连续性，将柱按照刚度等效的原则换算为“中隔墙”进行计算。然后以等效的墙厚代替柱来进行平面框架有限元计算，所求的“墙”内力即为中柱的内力，并以此进行配筋及强度检算。采用此方法求解时，对板、墙直接以计算所得的内力值进行配筋，而对中柱则将中柱的计算内力值乘以柱跨之后再进行计算。本设计采用刚度等效法。图4-1 采用荷载基本组合时主体结构标准断面计算模型图4-2 采用荷载标准组合时主体结构标准断面计算模型1.4.2 截面特性计算宽度沿纵向取1 m，即B=1 m。(31) 顶板（用beam3来模拟）： C40砼B=1.0 mD =0.8m(32) 中板（用beam3来模拟）：C35砼B=1.0 mD =0.4m(33) 底板（用beam3模拟）：C40砼B=1.0 mD =1.0 m(34) 负一层侧墙（用beam3模拟）：C40砼B=1.0 mD =0.6m(35) 负二层侧墙（用beam3模拟）：C40砼B=1.0 mD =0.7m(36) 柱（用beam3模拟）：C50砼B=1.0 mD=0.0921 m结构和围岩的相互作用用link10来实现，考虑到土体受力特性（不能受拉），将link10的option选项设置为compression only。1.4.3 计算图示(37) 荷载基本组合计算图示图4-3 采用荷载基本组合时车站标准断面内力计算图示(38) 荷载标准组合计算图示图4-4 采用荷载标准组合时车站标准算面内力计算图示1.4.4 采用荷载基本组合时车站标准断面墙板柱计算结果图4-5 变形图（单位：m）图4-6 轴力图（单位：N）图4-7 剪力图（单位：N）图4-8 弯矩图（单位：）1.4.5 采用荷载标准组合时车站标准断面墙板柱计算结果图4-9 变形图（单位：m）图4-10 轴力图（单位：N）图4-11剪力图（单位：N）图4-12 矩图（单位：）1.4.6 车站标准断面控制内力要进行结构断面配筋，选用的弯矩和轴力都是考虑在最不利位置处。对于腋角弯矩进行调幅，弯矩条幅系数是反映连续梁内力重分布能力的参数，本题支柱处弯矩条幅系数控制在30%之内，调幅过后实际配筋内力见表4-7、表4-8。表4-7 采用荷载基本组合时计算所得结构标准断面控制内力表构件弯矩（）轴力（kN）剪力（kN）尺寸 /顶板上缘611.5479.1731.1顶板下缘615.5479.138.6中板上缘201.21419.7140.5中板下缘66.71419.710.9底板上缘559.11344.393.8底板下缘1308.31344.31084.4负一层侧墙迎土面736.1861.3506.0负一层侧墙背土面30861.370.0续表构件弯矩（）轴力（kN）剪力（kN）尺寸 /负二层侧墙迎土面1156.71186.01344.3负二层侧墙背土面771.71186.049.2负一层柱010741.50负二层柱012781.70表4-8 采用荷载标准组合时计算所得结构标准断面控制内力表构件弯矩（）轴力（kN）剪力（kN）尺寸 /顶板上缘427.4333.9498.4顶板下缘430.5333.927.1中板上缘139.7966.898.1中板下缘46.9966.878底板上缘392.1913.664.4底板下缘891913.6745.8负一层侧墙迎土面636.3598.1344.5负一层侧墙背土面20.8598.150.4负二层侧墙迎土面759.9820.3913.6负二层侧墙背土面523.6820.334.4负一层柱010741.50负二层柱012781.701.5 车站结构标准断面配筋及裂缝验算1.5.1 车站墙板配筋及裂缝验算以车站结构标准断面顶板外侧的配筋及裂缝验算为例。计算中采用承载能力极限状态下的结构内力值计算配筋，采用正常使用极限状态下的结构内力值验算裂缝宽度。车站结构标准断面顶板截面尺寸，计算长度，弯矩设计值，轴力设计值，混凝土强度等级C40，采用级钢筋（，）。(39) 偏心距附加偏心距：初始偏心距：(40) 偏心距增大系数所以偏心距增大系数应该修正计算。偏心受压性质对截面曲率的修正系数：则偏心距增大系数：(41) 判断大小偏心计算偏心距：属于大偏心受压构件。(42) 受压区钢筋面积取则受压区钢筋面积：取选用C22150（）。(43) 受拉钢筋面积受压区高度：故。受拉钢筋面积：式中轴向力作用点至受压区钢筋合力点的距离（mm）。所以选用C25150（）。(44) 配筋率验算所以非超筋。所以非少筋。（合格）(45) 斜截面受剪承载力计算箍筋采用级钢筋，混凝土强度等级为C40d/4=8 mm，满足规范要求。(46) 裂缝宽度验算采用正常使用极限状态下的内力值验算裂缝宽度。正常使用极限状态下的弯矩标准值，轴向力标准值。按照迎水面最大裂缝宽度（0.2 mm）、背水面最大裂缝宽度（0.3 mm）的控制要求进行验算。根据混凝土结构设计规范（GB50010-2010），当时需验算裂缝宽度。所以使用阶段的轴向压力偏心距增大系数。轴向压力作用点至纵向手拉钢筋合力点的距离：纵向受拉钢筋合力点至截面受压合力点的距离：按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率：所以取。钢筋混凝土构件受拉区纵向钢筋的应力：裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数：所以取。最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离：受拉区纵向钢筋的等效直径：最大裂缝宽度：裂缝宽度满足要求。车站标准断面墙、板其他截面配筋计算及裂缝验算过程同顶板外侧类似，主要受力筋均采用级钢筋，箍筋均采用级钢筋，其配筋计算及裂缝宽度验算详见表4-9、4-10、4-11。表4-9 标准断面配筋计算及裂缝宽度验算（一）截面位置配筋过程顶板上缘顶板下缘中板上缘中板下缘尺寸混凝土强度等级C40C40C35C35弯矩设计值611.5615.6211.0566.7轴力设计值479.1479.11419.71419.7初始偏心距1306.351314.70161.7266.98偏心距增大系数1.0341.0341.6062.462判断大小偏心受压大偏心大偏心大偏心大偏心受压钢筋面积2661266115201520数量及截面直径7C221507C221504C222004C22200受拉钢筋面积3436343621991784相对受压区高度0.0720.0720.1190.096全部纵筋配筋率0.68%0.68%0.93%0.83%数量及截面直径7C251507C251507C202007C18200剪力设计值731.138.6140.510.9箍筋是否按计算配筋构造配筋构造配筋构造配筋构造配筋箍筋数量及截面直径C12300C12300C12300C12300箍筋面积弯矩标准值427.4430.5139.746.9轴力标准值333.9333.9966.8966.8裂缝宽度验算0.0750.076不需要验算不需要验算表4-10 标准断面配筋计算及裂缝宽度验算（二）截面位置配筋过程底板上缘底板下缘负二层侧墙外侧负二层侧墙内侧尺寸混凝土强度等级C40C40C40C40弯矩设计值559.11308.11156.7771.7轴力设计值1344.31344.311861186初始偏心距449.201006.52998.60673.97偏心距增大系数1.0901.0401.0481.071判断大小偏心受压大偏心大偏心大偏心大偏心受压钢筋面积3436342126612661数量及截面直径7C251509C221007C221507C22150受拉钢筋面积3436441868723436数量及截面直径7C251509C2510014C251507C25150相对受压区高度0.0640.0830.1850.93全部纵筋配筋率0.69%0.79%1.36%0.87%剪力设计值93.81084.41344.349.2箍筋是否按计算配筋构造配筋构造配筋计算配筋构造配筋箍筋数量及截面直径C12300C12300C12100C12100箍筋面积113.1113.1113.1113.1弯矩标准值392.1891.0759.9523.6轴力标准值913.6913.6820.3820.3裂缝宽度验算不需要验算0.1000.1610.139注：负二层侧墙外侧纵向受拉钢筋为双排布筋7C25+7C25，两层钢筋的净距为25 mm。表4-11 标准断面配筋计算及裂缝宽度验算（三）截面位置配筋过程负一层侧墙外侧负一层侧墙内侧尺寸混凝土强度等级C40C40弯矩设计值736.130.0轴力设计值861.3861.3初始偏心距877.9458.13偏心距增大系数1.0351.721判断大小偏心受压大偏心小偏心受压钢筋面积26612661数量及截面直径7C221507C22150受拉钢筋面积34363436数量及截面直径7C251507C25150相对受压区高度0.0930.87%全部纵筋配筋率0.0930.87%剪力设计值506.070.0箍筋是否按计算配筋构造配筋构造配筋箍筋直径及间距C12300C12300箍筋面积113.1113.1弯矩标准值444.820.8轴力标准值598.1598.1裂缝宽度验算0.094不需要验算1.5.2 中柱配筋计算中柱尺寸，混凝土强度等级C50，采用级钢筋（，）。（4-1）式中轴向压力设计值（N）;钢筋混凝土构件的稳定系数；钢筋轴心抗压强度设计值（）；构件截面面积（）；全部纵向钢筋的截面面积（）。(47) 负一层中柱配筋计算对于负一层中柱，计算长度，轴力设计值。线性内插得。因此负一层中柱的配筋：故采用构造配筋：。纵筋选用10C28（）。箍筋选用A12200。配筋率验算：全部纵向受压钢筋的；每一侧纵筋；所以负二层中柱配筋满足要求。(48) 负二层中柱配筋计算对于负二层中柱，计算长度，轴力设计值。线性内插得。因此负二层中柱的配筋：故采用构造配筋：。纵筋选用10C28（）。箍筋选用A12200。配筋率验算：全部纵向受压钢筋的；每一侧纵筋；所以负二层中柱配筋满足要求。1.6 车站纵梁内力计算1.6.1 截面特性取5 跨结构建立车站纵梁受力分析模型。(49) 顶纵梁（用beam3模拟）： C40砼b=1.0 mh =2.0 m(50) 中纵梁（用beam3模拟）：C35砼b =0.8 mh =1.0 m(51) 底纵梁（用beam3模拟）： C40砼b =1.0 mh =2.3 m(52) 中柱（用link10模拟）： C50砼b =0.7 mh=1.2 m结构和围岩的相互作用用link10来实现，考虑到土体受力特性（不能受拉），将link10的option选项设置为compression only。1.6.2 计算模型图4-13 采用荷载基本组合时纵梁内力计算模型图4-14 采用荷载标准组合时纵梁内力计算模型1.6.3 计算图示图4-15 采用荷载基本组合时纵梁内力计算图示图4-16 采用荷载标准组合时纵梁内力计算图示1.6.4 采用荷载基本组合时纵梁内力计算结果图4-17 变形图（单位：m）图4-18 轴力图（单位：N）图4-19 剪力图（单位：N）图4-20 弯矩图（单位：）1.6.5 采用荷载标准组合时纵梁内力计算结果图4-21变形图（单位：m）图4-22 轴力图（单位：N）图4-23 剪力图（单位：N）图4-24 弯矩图（单位：）1.6.6 车站纵梁控制内力要进行结构断面配筋，选用的弯矩和轴力都是考虑在最不利位置处。对于腋角弯矩进行调幅，弯矩条幅系数是反映连续梁内力重分布能力的参数，本题支柱处弯矩条幅系数控制在30%之内，调幅过后实际配筋内力见表4-12、表4-13。表4-12 采用荷载基本组合时纵梁内力表构件弯矩（）轴力（kN）剪力（kN）尺寸 /顶纵梁上缘6373.0104208.12顶纵梁下缘4600.800中纵梁上缘1177.820808.12中纵梁下缘949.8200底纵梁上缘5636.9062.446底纵梁下缘7410.204959.29表4-13 采用荷载标准组合时纵梁内力表构件弯矩（）轴力（kN）剪力（kN）尺寸 /顶纵梁上缘4443.0402933.91顶纵梁下缘3209.000中纵梁上缘819.630562.429中纵梁下缘661.0100底纵梁上缘3931.3058.856底纵梁下缘5166.2103447.291.7 车站纵梁配筋及裂缝验算1.7.1 顶纵梁上缘截面配筋及裂缝验算截面尺寸，,混凝土强度等级C40，采用级钢筋（，）。弯矩设计值。(53) 计算纵向受拉钢筋面积选用10C25+20C28，三排布筋，每两排钢筋间的净距为28mm。（非超筋梁）（非少筋梁）(54) 斜截面受剪承载力计算箍筋采用级钢筋，混凝土强度等级为C40C50，。23) 验算截面限制条件因为，属于一般截面梁，则故满足要求。24) 检查是否需按计算设置箍筋因为故只需计算配置箍筋。25) 设计箍筋选用双肢B14箍筋：取，满足规范要求。，满足规范要求。(55) 裂缝验算混凝土有效配筋率：荷载标准值作用下梁截面钢筋应力：应变不均与系数：最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离：受拉区纵向钢筋的等效直径：最大裂缝宽度：所以满足裂缝要求。1.7.2 车站纵梁配筋及裂缝验算车站纵梁其他截面配筋计算及裂缝验算过程同顶纵梁上缘类似，顶纵梁及底纵梁混凝土强度等级为C40，