地下工程课程设计-地铁车站主体结构设计(地下矩形框架结构)

地下工程课程设计地铁车站主体结构设计（地下矩形框架结构）学院名称土木工程学院班级土木20127班学生姓名学生学号指导教师地下工程本科课程设计目录第一章课程设计任务概述111课程设计目的112设计规范及参考书113课程设计方案1131方案概述1132主要材料314课程设计基本流程4第二章平面结构计算简图及荷载计算5第三章结构内力计算6第四章结构（墙、板、柱）配筋计算7地下工程本科课程设计1第一章课程设计任务概述11课程设计目的初步掌握地铁车站主体结构设计的基本流程；通过课程设计学习，熟悉地下工程“荷载结构”法的有限元计算过程；掌握平面简化模型的计算简图、主动荷载及荷载的组合方式、弹性反力及其如何在计算中体现；通过实际操作，掌握有限元建模、划分单元、施加约束、施加荷载的方法；掌握地下矩形框架结构的内力分布特点，并根据结构内力完成配筋工作。为毕业设计及今后的实际工作做理论和实践上的准备。12设计规范及参考书1、地铁设计规范2、建筑结构荷载规范3、混凝土结构设计规范4、地下铁道（高波主编，西南交通大学出版社）5、混凝土结构设计原理教材6、计算软件基本使用教程相关的参考书（推荐用ANSYS）13课程设计方案131方案概述某地铁车站采用明挖法施工，结构为矩形框架结构，结构尺寸参数详见表12。车站埋深3M，地下水位距地面3M，中柱截面横向尺寸固定为08M（如图11横断面方向），纵向柱间距8M。为简化计算，围岩为均一土体，土体参数详见表11，采用水土分算。路面荷载为，钢筋混凝土重度2/0MKN，中板人群与设备荷载分别取、。荷载组合按3/25MKNCO42/8K表13取用，基本组合用于承载能力极限状态设计，标准组合用于正常使用极限状态设计。要求用电算软件完成结构内力计算，并根据混凝土结构设计规范完成墙、板、柱的配筋。地下工程本科课程设计2图11地铁车站横断面示意图（单位MM）表11地层物理力学参数编号重度/3MKN弹性反力系数/MMPAK内摩擦角/内聚力/KPACA11725020A217525021A31830022A418530023A51935024A619535025A72040026A820540027注饱和重度统一取“表中重度3”。表12结构尺寸参数（单位M）编号跨度L顶板厚H1中板厚H2底板厚H3墙厚T中柱B18070408060808B280750408060808B38080408060808B480850409060808地下工程本科课程设计3B585080409060808B6850804509060808B785080509060808B875070408060808B9750750408060808B1075080408060808（表11表12进行组合，每个人的具体工况请见EXCEL表格）表13荷载组合表组合工况永久荷载系数可变荷载系数基本组合135（12）1407（14）标准组合1010注括号中数值为可变荷载控制时的取值；当永久荷载对结构有利时，基本组合永久荷载系数取10。132主要材料1、混凝土墙、板用C30，柱子C40；弹性模量和泊松比查规范。2、钢筋根据混凝土结构设计规范选用。14课程设计基本流程1、根据提供的尺寸，确定平面计算简图（重点说明中柱如何简化）；2、荷载计算。包括垂直荷载和侧向荷载，采用水土分算；不考虑人防荷载和地震荷载。侧向荷载统一用朗金土压力公式。荷载组合本次课程设计只考虑基本组合和标准组合两种工况。3、有限元建模、施加约束、施加荷载、运行计算以及计算结果的提取。注意土层约束简化为弹簧，满足温克尔假定且只能受压不能受拉，即弹簧轴力为正时应撤掉该弹性链杆重新计算。另要求计算结果必须包括结构变形、弯矩、轴力、剪力。4、根据上述计算结果进行结构配筋。先根据基本组合的计算结果进行承载地下工程本科课程设计4能力极限状态的配筋，然后根据此配筋结果检算正常使用极限状态的裂缝宽度（内力采用标准组合计算结果）是否通过若通过，则完成配筋；若不通过，则调整配筋量，直至检算通过。5、完成计算说明书，并绘制墙、板、柱的配筋图。地下工程本科课程设计5第二章平面结构计算简图及荷载计算21平面结构计算简图211中柱简化由于中柱在纵向上的不连续性，按照抗压刚度等效的原则，将中柱按照刚度等效的方法换算为等效墙来进行计算，然后以等效的墙来代替柱进行内力计算，所求得的“墙”内力即为柱的内力并以此来进行配筋及强度验算。由，即，得。12EA807B70M212计算简图计算简图取中心线，如图21所示。图21平面结构计算图（单位）M22荷载计算1、垂直荷载（1）顶板垂直荷载顶板垂直荷载由路面活载及垂直土压力组成。路面活载120QKPA垂直土压力2071932170IHKPA地下工程本科课程设计6顶板的自重307251QKPA永久荷载控制时123451867QKPA可变荷载控制时4顶板垂直荷载设计值为8670QK顶板（2）中板垂直荷载中板垂直荷载由人群及设备荷载、中板自重组成。中板自重042510QKPA中永久荷载控制时834728KPA（）可变荷载控制时K中板垂直荷载设计值为2150Q中板2、侧向荷载侧向压力的大小与墙体的变形情况有关，在主动土压力和被动土压力之间变化，静止土压力进行计算。内摩擦角24侧压力系数TAN5042侧墙顶板处土压力永久荷载控制1185KPAEQ顶板可变荷载控制02461顶板取顶板处土压力设计值为185EKPA侧墙顶板处水压力标准值103WQ设计值51473KA侧墙底板处土压力永久荷载控制215042135042139EQHKPA地下工程本科课程设计7可变荷载控制212410241293EQHKPA底板处土压力设计值为39EKPA侧墙底板处水压力设计值210765126WQK标准值0A3、水浮力设计值2107635126WQKP标准值0A221荷载计算简图结构所受荷载如下表所示表21基本组合作用在结构上的荷载侧墙顶板处侧墙底板处位置顶板中板底板土压力水压力土压力水压力荷载（）KPA（）1150414721722648554731333917226表22标准组合作用在结构上的荷载侧墙顶板处侧墙底板处位置顶板中板底板土压力水压力土压力水压力荷载（）KPA（）90712127603828351011212760作用在主体结构上的荷载如图22所示。图22荷载计算简图地下工程本科课程设计8第三章结构内力计算31内力计算地基对结构的弹性反力用弹簧代替，由于结构与荷载均对称，结构的中轴在水平方向上没有位移，所以对中轴底端位移进行水平方向约束。使用0UANSYS100计算主体结构横断面的内力。32计算结果321ANSYS内力图结构变形图，以及轴力、剪力、弯矩计算结果如图所示。荷载设计值作用，如图所示314图31基本组合变形图地下工程本科课程设计9图32轴力图（单位）N图33剪力图（单位）N地下工程本科课程设计10图34弯矩图（单位）NM在荷载标准值作用，如图所示358图35标准组合变形图地下工程本科课程设计11图36轴力图（单位）N图37剪力图（单位）N地下工程本科课程设计12图38弯矩图（单位）NM322标准断面结构内力要进行结构断面配筋，断面结构内力值见表31。要进行裂缝宽度验算，断面结构内力值见表32。表31基本组合标准断面结构内力构件弯矩/KNM轴力/KN剪力/KN顶板上缘585503575251671顶板下缘359713575251671中板上缘207179500311258中板下缘31139500311258底板上缘280889365075680底板下缘982479365075680负一层35746467448538侧墙迎土面负二层982478154393651侧墙负一层23536467448538地下工程本科课程设计13背土面负二层543308154393651负一层0103580中柱负二层01106800表32标准组合标准断面结构内力构件弯矩/KNM轴力/KN剪力/KN顶板上缘445162696939565顶板下缘276882696939565中板上缘16238768939174中板下缘2856768939174底板上缘222536962860641底板下缘746636962860641负一层311375806334155侧墙迎土面负二层746636735369628负一层15685806334155侧墙背土面负二层394606735369628负一层0722470中柱负二层0867980地下工程本科课程设计14第四章结构（墙、板、柱）配筋计算41车站顶板、中板、底板、侧墙配筋计算411顶板上缘的配筋计算截面尺寸，107BH50SAM07560HM计算长度，弯矩设计值，轴力设计值0LM8MKN，混凝土等级C30（，），3572NK2143/CF2143/TFN采用HRB400钢筋（，）。2360/YFM50SEM（1）配筋计算验算计算偏心距30/581/597163EMN附加偏心距AX2,02H初始偏心距0637IEM由01195IM初步判断为大偏心受压构件。为充分利用受压区混凝土的抗压强度，设0518B且701651922ISHEAM则受压区钢筋面积210322579143065180518401400SABH选用受拉钢筋9C25（）。2418SM0957SBH满足要求。（2）裂缝宽度验算由需验算裂缝宽度。001654537EMHM0714LH所以偏心距增大系数。S轴向压力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离05106547051964SSEHAM纵向受拉钢筋合力点至截面受压合力点的距离2208718728195064ZE纵向受拉钢筋配筋率4305107SSTETABH按荷载效应的标准组合计算的轴向力269KN地下工程本科课程设计16钢筋混凝土构件受拉区纵向钢筋的应力32269105648149/8KSSNEZNMA裂隙间纵向受拉钢筋应变不均匀系数0650652111045389TKESF最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离37CM受拉区纵向钢筋的等效直径25EQDM所以最大裂缝宽度MAX51908149225370813032EQSKTWCEM满足要求。412其他标准截面的配筋计算及裂缝宽度验算其他截面位置配筋过程同顶板上缘，标准截面配筋计算见表41、42，裂缝宽度验算详见表43。表41偏心距计算及初步判断大小偏心截面位置顶板下缘中板上缘中板下缘底板上缘底板下缘侧墙迎土面负一层侧墙背土面负一层/SAM505050505050500H650350350650650550550/E10061321912327729993104909552624052A23332020233323332020/I10278023912527732326107242572626052/03HM195105105195195165165初步判断破坏类型大偏心大偏心小偏心大偏心大偏心大偏心小偏心地下工程本科课程设计17表42钢筋计算表截面位置顶板下缘中板上缘中板下缘底板上缘底板下缘侧墙迎土面负一层侧墙背土面负一层05ISEHA1327803891220277623261372428226231052SA8538628029444218034147860626871253011MINB14008008001400140012001200选取受压钢筋6C206C166C166C206C206C186C18受压钢筋面积S1884120612061884188415271527S001101370029014500590011014805720029015300610566X7155182002188599423355311305ISEHA72780891223267724232262与比较2S2SXAS2SXAS2SXAS2SXAA12046478395701651008332941311591761119选取受拉钢筋6C206C166C166C229C286C206C20S188412061206228155421884188400027000300003000027000790007400031/SABH000540006000060000540010600009900057根据混凝土结构设计规范（GB500102010），如果，可不0/5EH验算裂缝宽度。中板下缘；0/37145065EH底板上缘；9692侧墙背土面负一层0/40E不需进行裂缝宽度验算。地下工程本科课程设计18表43裂缝宽度验算表截面位置顶板上缘顶板下缘中板上缘底板下缘侧墙迎土负一层侧墙背土面0E165064102666211181072315362658587/LH100010001750100011671167S11107311105SEA195064132666376591372317862683587/ZM556845467826822548004462144992TESABH001300060006001600060012/KN148921990025764163152348717381040502000259059402140387/C37540423640375EQDM252016282025裂缝宽度验算AX/W013201300185019301580157备注1当时，取；当时，取02