地铁车站主体结构设计

1、地铁车站主体结构设计（地下矩形框架结构）西南交通大学地下工程系目录第一章课程设计任务概述31.1课程设计目的31.2设计规范及参考书31.3课程设计方案31.4课程设计的基本流程5第二章平面结构计算简图及荷载计算62.1平面结构计算简图622荷载计算62.3荷载组合7第三章结构内力计算113.1建模与计算11本课程设计采用ANSYS进行建模与计算，结构模型如下图： 113.2基本组合123.2 标准组合15第四章结构（墙、板、柱）配筋计算204.1 车站顶板上缘的配筋计算204.2负一层中柱配筋计算2543 顶纵梁上缘的配筋计算264.4顶纵梁上缘裂缝宽度验算28#第一章课程设计任务概述11课

2、程设计目的初步学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 匸程“荷载一结构”法的有限元计算过程：掌握平面简化模型的计算简图、荷载 分类及荷载的组合方式、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；離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。1.2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）1.3课

3、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 1-1。车站埋深3m,地下水位距地面3m,中柱截面的横向（即垂直于车站纵向） 尺寸固定为0.8m （如图1-1标注），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1-2,采用水土分算。路面荷载为20kN/if,钢筋混凝土 重度/co = 25kN/m3,中板人群与设备荷载分别取4kN/m 8kN/m2 o荷载组合 按表1-3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。纵向（纵梁）计算要求分别计算顶纵梁、中纵梁、底纵梁受力及其配筋。顶 纵梁尺寸:1000mmX

4、1800mm（宽X高）;中纵梁尺寸：1000mmX 1000mm（宽X高）; 底纵梁尺寸：1000mmX2100mm （宽X高）。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、梁、柱的配筋。-II-0O&97000Hi；-图1-1地铁车站横断面示意图（单位：mm）本人所做的计算工况是A2, B26,査表可得其地层物理力学参数如表1-1所示，结构尺寸参数如表1-2所示，荷载组合如表1-3所示。表1-1地层物理力学参数重度弹性反力系数内摩擦角内聚力/ (kN/m3)K (MPa/in)仅。）c(kPa)17.525021注：饱和重度统一取'表中重度+3”表1

5、-2结构尺寸参数（单位:m）跨度L顶板厚hl中板厚h2底板厚h3墙厚T中柱70.80.50. 750. 70. 8 x 0. 7表1-3荷载组合表5组合工况永久荷载可变荷载基本组合1. 35 ( 1. 0)1. 4 x 0. 7标准组合1. 01.0注：括号中数值为荷载有利时取值。1.3.2主要材料1、混凝土：墙、板、梁用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。1.4课程设计的基本流程1、根据提供的尺寸，确定半面计算简图（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静上土压力公

6、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匸况。3、有限元建模、施加约束、施加荷载、运行计算以及计第结果的提取。注 意土层约束简化为弹赞，满足温克尔假定，且只能受床不能受拉，即弹赞轴力为 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 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（内力采用标 准组合计算结果）的裂缝宽度是否通过？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、完成计算书第二章平面结构计算简图及荷载计算21平面结构计算简图地基对结构

7、的弹性反力用弹赞代替，结构纵向长度取1米，采用水土分算, 其平面结构计算简图，如图2-1所示。<?=2ClkPaq252. 5炉zc2-92.77kPa手予予苗令予乡予令手书予苹令爭节手予令令予# o2詡2. TTkPa乂二】3 乙 3S8kP04=132.398kfaq5-l：2.398kPe图2-122 荷载计算2.2.1垂直荷载1、顶板垂直荷载：顶板垂直荷载由路而荷载和垂直土压力组成。路面荷载:Qi = 2QkPa垂直土压力由公式© = 2/為，可得© = 17.5 X 3 = 52.5kN/m32、中板垂直荷载：中板人群荷载：g3 = 4/c/V/m2设备荷载

8、:Q4 = 8kN加23、底板垂直荷载:底板处水浮力:qs = 9.8 X 13.51 = 132.398kN/m22.2.2侧向荷载1、侧向土压力：土的浮重度” =Ysat Yw = 17.5 + 3 - 9.8 = 10.7kN/m3侧向压力系数久=tan2(45。号)=伽？(45* 牛)=0.472土圧力在顶板产生的侧向土压力：s = 0.472 X 52.5 = 24.78kN/m2土压力在底板产生的侧向土压力：e2 = 0.472 X (52.5 + 10.7 X 13.51) = 92.77k/V/m2路面荷载在顶板产生的侧向床力内=0.472 X2O = 9.44RN鬧路而荷载在

9、底板产生的侧向压力勺=0.472 X2O = 9A4kN/m22、侧向水压力侧墙顶板处的水压力为零。侧墙底板处的水压力：e5 = 9.8 X 13.51 = 132.398/c/V/m22.3荷载组合2.3.1基本组合1、顶板垂直荷载：q顶板=1.35 X 52.5 + 1.4 X 0.7 X 20 = 90.475kW/m22、中板垂直荷载：q屮板=1.35 X 8 + 1.4 X 0.7 X 4 = 14.72kN/m23、底板垂直荷载：q底板=1.35 X 132.398 = 178.737kN/m24、顶板侧向荷载：%板=1.35 X (24.78 + 0) + 1.4 X 0.7 X

10、 9.44 = 42.704kN/m25、底板侧向荷载:e底板=1.35 X (92.77 + 132.398) + 1.4 X 0.7 X 9.44=313.228k/V/m26、顶纵梁荷载：纵梁计算位置考虑最不利位置，取纵梁两侧相邻顶板半跨荷载之和，即纵梁 荷载为两个半跨顶板上的荷载及顶板自重之和。顶板垂直荷载设计值：巾=(1.35 X 52.5 + 1.4 X 0.7 X 20) X 7 = 633325kN/m 顶板自重：q门車=1.35 X 25 X 0.8 X 7 = 189kN/m顶纵梁承受的荷载：q 皿=633.325 + 189 = 822.325kN/m7、中纵梁荷载：顶板

11、垂直荷载设计值：g中=(1.35 X 8 + 1.4 X 0.7 X 4) X 7 = 103.04kN/m顶板自重：q自 g = 1.35 X 25 X 0.5 X 7 = 118.125k/V/m顶纵梁承受的荷载：q 中总=103.04 + 118.125 = 221.165k N/m8、底纵梁荷载：顶板垂直荷载设计值：g 底=1.35 X 132.398 x7 = 1251161kN/m顶板自重：q门或 = 1.0 X 25 X 0.75 X 7 = 131.25kN/m顶纵梁承受的荷载：q 展玄=1251.161 一 131.25 = 1119.91k/V/7n2.3.2标准组合1、顶

12、板垂直荷载：= 1.0 X 52.5 + 1.0 x20 = 72.5KN/m22、中板垂直荷载：q 屮板=1.0 X 8 + 1.0 X 4 = YZKN/ni23、底板垂直荷载：q底板=1.0 X 132.398 = 132.398k/V/m24、顶板侧向荷载：e顷板=1.0 X (24.78 +0)4- 1.0 X 9.44 = 34.22/<N/m25、底板侧向荷载:e底板=1.0 X (92.77 + 132.398) + 10 X 9.44 = 234.608kN/m26、顶纵梁荷载：顶板乖直荷载设计值：月=(1.0 X 52.5 + 1.0 X 20) X 7 = 507.

13、5kN/m顶板自重：g 门申=1.0 X 25 X 0.8 X 7 = 140kN/m顶纵梁承受的荷载：q顶门=507.5 + 140 = 647.5kN /m7、中纵梁荷载：顶板垂直荷载设计值：q 中=(1.0 X 8 4-1.0 X 4) X 7 = 84kN/m顶板自重：q门真=1.0 X 25 X 0.5 X 7 = 87.5kN/m顶纵梁承受的荷载:q 中总= 84 + 87.5 = 171.5kN/m8、底纵梁荷载：顶板垂直荷载设计值：q 底=1.0 X 132.398 x7 = 926.786RN/m顶板口重：q门車=1.0 X 25 X 0.75 X 7 = 131.25kN/

14、m顶纵梁承受的荷载：q处总=926.786 一 131.25 = 795.54RN/m11第三章结构内力计算3.1 建模与计算ELEMENTS本课程设计采用ANSYS进行建模与计算，结构模型如下图:ANJAN 14 201414!32!S2行mini 11Il IIIIIHIIIIIIIIHIIIml图31 结构模型图模型中各构件单元截而的尺寸特性如表3-1:表3-1构件单元截而尺寸表截面面积（bxh）/m2惯性矩/m4单元类型材料顶板1 x 0.800 04266667Beam3C30中板1 x 0.5001041667Beam3C30底板1 x 0.750 03515625Beam3C30

15、侧墙1 x 0.7002858333Beam3C30中柱0.7 x 0.80 02986667BeainSC40弹簧1 x 0.5Link 10土3.2基本组合3.2.1横断面变形图结构横断而变形图如图32。JAN 14 201414:48:59DISPLACEMENTSUB =1 riHE=lDMX =.0053744TfrnTnTHTnrff图32基木组合横断面变形图3.2.2横断面轴力图结构横断而轴力图如图33。#E98S 992262 eysmoT 2S99W6 meu! omeTST 6SV68S1 88SQ8- 卜 0C11£TOCK IKY3XII7 gnfnSS3HX

16、S am。TC 匝吕-Rags邸S煤图34基本组合横断而剪力图#323横断面弯矩图结构横断而弯矩如图35°#3.3 标准组合3.3.1横断面变形图结构横断而变形图如图36。15JAN 14 2914 15：00：20DISPIACEME1TT5TEP=L SUB =L TIME=LDM>. =.00574图36标准组合横断而变形图3.2.2横断面轴力图结构横断而轴力图如图37。#1LI1IE STRESSANCAN 14 291415:02:11STEP=1 SUB =1 TIXE=1NI NJ MIU =-869177 EI£M=181MAX -5863ELEM23

17、1-869177-674724-480270-285817-91363-771951-577497-383044-1385905663图37标准组合横断而轴力图323横断面剪力图结构横断面剪力如图38。STEP=1SUB =1TKE=1图38标准组合横断而势力图323横断面弯矩图结构横断而弯矩如图39°19JAN 14 2014 15:03:01LHE STRESSSTEP-1SUB -1TTME=1MI#图39标准组合横断面弯矩图#第四章结构（墙、板、柱）配筋计算耍进行结构断而配筋，选用的弯矩和轴力是在考虑最不利位置处。对于梁端 弯矩采用弯矩调幅系数，弯矩调幅系数是反映连续梁内力重

18、分布能力的参数。调 幅过后实际配筋内力见表4-1表4-1构件弯矩轴力剪力尺寸顶板上缘400. 9828& 564387. 691000*800顶板下缘350. 032286. 564387. 691000*800中板上缘237. 7310"0127. 041000*500中板下缘107. 582100127. 011000*500底板上缘413. 6911030749. 251000*750底板下缘9201030749. 251000*750负一层侧墙迎土面436. 101549.017302. 6631000*700负一层侧墙背土面0549.017302. 6631000*

19、700负二层侧墙迎土面920861.454888. 321000*700负二层侧墙背土面694.113861.454888. 321000*700负一层中柱06489. 860800*700负二层中柱081600800*700顶纵梁上缘464035301000*1800顶纵梁下缘241035301000*1800中纵梁上缘130010201000*1000中纵梁下缘734.1000底纵梁上缘268042001000*2100底纵梁下缘573042001000*21004.1车站顶板上缘的配筋计算截面尺寸 b X h = 1000 X 800 , as = «

20、s = 5 Omni ,计算长度 1° = 7m ,h0 = 800 -50 = 750mm ,弯矩设计值M = 400.98kN ni ,轴力设计值N = 286.564kN m,混凝土等级C30, fc = 14.3/V/mm2,= 2.01N/mm2,采用三级钢筋(fy =fy= 360AT/mm2, Es = 2.0 X 10siV/mm2)«21M400.98 X 1000286.564-=1399.27mm#附加偏心距：ea = max（20mm, 霜）=26mm初始偏心距：e, = eo + ea = 1425mm因为本设计不考虑二阶效应，故不需要计算偏心距增

21、大系数。2、判断大小偏心计算偏心距：e 1425mm > O.3/io = 225mm所以属于大偏心受压构件。3、求受床区钢筋面积&h800e = et + - as = 1425 + 50 = 1775mm? 2$2取g= 0 = 0.518。则受压区钢筋面积:Ne afcbhQb（l 0.5）S= 怎伽-必）286564 x 1775 一 1.0 x 14.3 x 1000 x 75 02 X 0.518 x (1 - 0.5 X 0.5 18)360 X (700 - 50)pmin = max(0.2%, 0.45 X 100%) = 0.2% 取力；=pmln bh =

22、 0.002 X 1000 X 800 = 1600m m 选用7620(4 = 2199mm2)04、求受拉钢筋面积4s受压区高度:X2Ne-f；A9s(hQ-as)#14.3 X 1000750 -75d 碎6564 X 1775 -360 X 1600 X (750 - 50)#=9.75x = 9.75mm < 2a； = lQQmm则受拉区钢筋而积:23#_ NeAsfy(hQ - Gy)e =叼- + a； = 1425 -学+ 50= 1075mm286564X 1075.9As = =1222.4mm2 < pminbh = 16007nm2 s 360 X (75

23、0 - 50)Hmln取人=Pm in bh = 0.002 X 1000 X 750 = 1600mm 2。选用720 (仏=21997H7H2)oAs fv 2199360§ = 4x2= “X-= 0.074 V fb = 0.518、 bh fc 1000 X 75014.3所以非超筋。5. 篩筋计算（1）验算限制条件混凝土等级为C30,所以Pc = 1.0牛=牆=0.75<4,属于一般梁O.250cfcbho = 0.25 x 1.0 x 14.3 X 1000 x 750 = 268）.25kNV = 387.69/JV < 0.25pcfcbhQ 所以，非斜

24、压破坏。（2）、检查是否需要按计算配置篩筋 顶板承受均布荷载，则2= 1.5,轴力N = 286.564kN1.751.75-_ ftbhQ = - X 1.43 X 1000 X 750X + 11.5 + 1=750.75kN >V = 387.69kN只需要构造配筋按构造进行配筋，选取六肢D10篩筋（篩筋直径满足最小直径要求），间距s取 250mme0 = 1399.27mm > O.55/i0 = 412.5mm根据混凝土结构设计规范(GB50010-2002),当e0/h0 > 0.55时需要验算 = =8.75 <14所以使用阶段的轴向圧力偏心距增大系数心=

25、10 o轴向用力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离：h800 一e = Tse()+ = 1.0 X 1399.27 + 50 = 1749.27mm乙乙纵向受拉钢筋合力点至截面受床合力点的茨离：#0.87 - 0.12ho0.87 - 0.12 X (_)1749.27/X 750 = 635.96mm按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率：As2199r叫=诙=0.5 x 1000 X 800 = 0 00549按荷载效应的标准组合计算的轴向力：Nk = 260.776RN钢筋混凝土构件受拉区纵向钢筋的应力：Nk(e 一 z) 260776 X (1749.27 一 635.96)

26、7ask =207.6N/mmzAsz2199 X 635.96裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数：fz0.65 X 2.010 = 1.1 - 0.65- = 1.1 一 _ = -0.046 < 0.2Pte°sk0.00549 X 207.6最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离c = 50mm.受拉区纵向钢筋的等效直径此勺=20mm o故最大裂缝宽度:=1.90 学(1.9c + 0.08)E八Pte)207.6 /20 =1.9 X 0.2 X 1.9 X 50 + 0.08 X 门c = 0145 < 0.2mm2.0 x 10s 0.00549/max&#

27、176;sk25故满足裂缝宽度。地铁结构其他截面位置配筋过程同顶板上缘类似，均选収混凝土等级C30, fc = 143N/mm2, ftk = 2.01N/mm2 f 采用三级钢筋(不,=f； = 360N/mm2, Es = 2.0 X lCN/mm2 )。标准截面配筋计算详见下表4-2及4-3。顶板上缘顶板下缘中板上缘中板下缘底板上缘底板下缘尺寸b xh/mm1000*8001000*8001000*5001000*5001000*7501000*750弯矩设计值/(kN m)400. 98350. 032237. 73107. 582413. 691920轴力设计值/kN286. 564

28、286. 56410701070749. 25749. 25偏心距eQ/mm1399. 271221.479222. 176100. 54552. 141227. 895偏心距增大系数可111111判断大小偏心受压大偏心大偏心大偏心小偏心大偏心大偏心受压例筋面积 i4s/mm2219921991272127218841520数量及截面直径 /mm7D207D205D185D186D204D22受拉钢筋面积力；/1】1】2219921991272127218847125数最及截面直径/mm7D207D205D185D186D207D36剪力设计值/肪387. 69387. 69127. 0412

29、7. 04749. 25749. 25O.25pcfcbho2681. 252681. 251608. 751608. 752502. 52502. 5入+叭+ 0.07N750. 75750. 75450. 45450. 45700.7700.7如何配筋构适构造构造构造构适构造箍筋量六肢D10250六肢D10250六肢D 10250六肢D10250六肢D10250六肢D10250裂缝宽度验算0. 1450. 1230. 127不需要不需要0. 191表4-2负一层侧墙迎土面负一层侧墙背土ini负二层侧墙迎土 面负二层侧墙背土 面尺寸b x h/mm1000*7001000*7001000*7

30、001000*700弯矩设计值/(kN - m)436. 1010920694. 113轴力设计值什N302. 663302. 663888. 32888. 32偏心距eo/mm1440. 8801035. 663730. 72偏心距增大系数耳1111判断大小偏心受压大偏心小偏心大偏心大偏心受压钢筋面积九/mm21608188415201520数量及截面直径/mm8D166D204D224D22受拉钢筋面积&/mm26434431064344310数量及截面直径/mm8D327D288D327D28剪力设计值/kN302. 663302. 663888. 32888. 32O.25pc

31、fcbho2323. 752323. 752323. 752323. 751.75 八 f 石評/!o+O.O7N650. 65650. 65650. 65650. 65如何配筋构造构造计算配筋计算配筋箍筋量六肢D10250六肢D10250六肢D10250六肢D10250裂缝宽度验算0.2不需要0. 1920. 194表4-34.2负一层中柱配筋计算4.2.1负一层中柱中柱尺寸800 X 700 ,轴力设计值N = 6489.86kN,混凝土等级C40, fc = 19.1N/mm2 ,虹=2.39N/mm2，采用三级钢筋(易=©= 360N/mm2 , Es = 2.0 X 105

32、N/nmi2 )。N S 0.9(p (fcA + ©A；)式中，N轴向压力设计值(N);钢筋混凝土构件的稳定系数Q混凝土轴心抗压强度设计值(N/miM )A构件截面面积(mm?)27A；全部纵向钢筋的截面面积(mm2)29#10 _ 4550 b = 8005.69#故取q)= lo因此柱的配筋:y豊：。- 19.1 X800 X 700360#故采用构造配筋:As = pmin bh = 0.002 X 800 X 700 = 1120mm2纵筋选用4根20 (A； = 1256mm2 )o輪筋选用10间距250配筋率验算:=0.224% V=5%_ 4* _1256=T= 80

33、0 X 7004.2.2负二层中柱中柱尺寸800 X 700,轴力设计值N = 8160kN,混凝土等级C40, fc = 19.1N/nmi2, 虹=2.39N/mm2,采用三级钢筋(fy = f； = 360N/mm2, Es = 2.0 X 10sN/mm2 )o 配筋计算过程同负一层中柱配筋。纵筋选用4根20 (A； = 1256mm2 )«箍筋选用 六肢 <D102504.3顶纵梁上缘的配筋计算纵梁上缘b Xh = 1000 X 1800,弯矩设计值M = 4640kN m,混凝土等级 C30, fc = 14.3N/nim2,ftk = 2.01N/mm2,采用三级

34、钢筋(期=fy = 360N/mm2, Es = 2.0 X 105N/mni2 )。cq = 1.0,肌=0.8<1、纵筋计算假定受拉钢筋放2排.设as = 60mni,则h0 = h - as = 1800 - 80 =1740mm o4640 X 106M= o 107«ifcbh2 1 X 14.3 X 1000 x 17402"l = 1-yjl - 2as = 0.114 V « 匕=0.55故可以按照单筋截面配筋。则= 0.5 X (1 + 71-2«s) = 0.943M4640X 106 fyysh0360 X 0.944 X 1

35、74078 3选用 12 40 (As = 1507.92)15079.2 x 1000X 1800|= 0.211 <Eb = 0.544所以非超筋。Asp =p bh15079.21000 X 1800=0.838% > Pmin = 0.2%所以非少筋。2、箍筋计算（1）验算限制条件混凝土等级为C30,所以Pc = 1.0w _ 1740 _ b1000=1.74 V 4,属于 般梁0.25山 frbho = 0.25 X 1.0 X 14.3 X 1000 X 1740 = 6220.5XNV = 3530kN < o.25pcfcbho所以，非斜压破坏。(2) 、检

36、查是否需要按计算配置篩筋顶板承受均布荷载，则2= 1.5,轴力/V = 286.564kN1.75ITiftbho =1 751.43X 1000X1740=1741.74k/V >V = 3530kN需要按计并配置箍筋。（3）设计篩筋八肢610箍筋（篩筋直径满足最小直径要求）Asv = nASVi = 6 X 113.1 = 471mm21.25hQAyfyyV-O.7ftho1.25 X 1740 X 471 X 360”q3530000 -0.7 X 1.43 X 1000 X 1740 = 206 2mm取s = 120mm,篩筋间距满足要求。P伽一 bs =一 0 39% &g