地铁车站主体结构设计

目录

第一章课程设计任务概述....................................2

1.1课程设计目得..............................................................2

1.2设计规范及参考书.........................................................2

1.3课程设计方案.............................................................2

1.4课程设计得基本流程...........................................................4

第二章平面结构计算简图及荷载计算.........................5

2.1平面结构计算简图.........................................................5

2.2.荷载计算.................................................................5

2.3荷载组合......................................................................6

第三章结构内力计算........................................9

3.1建模与计算

................................................................................................................................................................10

本课程设计采用ANSYS进行建模与计算，结构模型如下图：.....................10

3.2基本组合

........................................................................................................................................................10

3.2标准组合....................................................................13

第四章结构（墙、板、柱）配筋计算.........................15

4.1车站顶板上缘得配筋计算................................................16

4.2负一层中柱配筋计算....................................................21

4.3顶纵梁上缘得配筋计算..................................................22

第一章4.4顶纵梁上缘裂缝宽度验算24

第二章课程设计任务概述

1.1课程设计目得

初步掌握地铁车站主体结构设计得基本流程；通过课程设计学习，熟悉地下工

程“荷载一结构”法得有限元计算过程；掌握平面简化模型得计算简图、荷载

分类及荷载得组合方式、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、施加荷载得方法；掌握地下矩形框架结

构得内力分布特点，并根据结构内力完成配筋工作。为毕业设计及今后得实际

工作做理论与实践上得准备。

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得参考书（推荐用ANSYS）

1.3课程设计方案

1.3.1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

l-lo车站埋深3m,地下水位距地面3m,中柱截面得横向（即垂直于车站纵向）

尺寸固定为0、8m（如图1T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，钢筋混凝土重度，中

板人群与设备荷载分别取、。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：1000mmX1800mn（宽X高）；中纵梁尺寸：1000mmX1000mm（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、柱得配筋。

图1-1地铁车站横断面示意图（单位：mm）

本人所做得计算工况就是A2,B26,查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-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

17、525021—

注：饱与重度统一取“表中重度+3”

表1-2结顶板厚hl中板厚h2底板摩h3墙厚T中柱

构尺寸参数

（单位：D1）

跨度L

70、80、50、750、70、8X0、7

表1-3荷载组合表

组合工况永久荷载可变荷载

基本组合1.35(1.0)1.4X0.7

标准组合1、01、0

注：括号中数值为荷载有利时取值。

132主要材料

1、混凝土：墙、板、梁用C30,柱子C40；弹性模量与泊松比查规范。

2.钢筋根据《混凝土结构设计规范》选用。

1.4课程设计得基本流程

1.根据提供得尺寸，确定平面计算简图（重点说明中柱如何简化）；

2.荷载计算。包括垂直荷载与侧向荷载，采用水土分算；不考虑人防荷载与

地震荷载。侧向荷载统一用朗金静止土压力公式。荷载组合本次课程设计只考虑

基本组合与标准组合两种工况。

3、有限元建模、施加约束、施加荷载、运行计算以及计算结果得提取，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。先根据基本组合得计算结果进行承载

能力极限状态得配筋，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）得裂缝宽度就是否通过？若通过，则完成配筋；若不通过，则

调整配筋量，直至检算通过。

第三章5.完成计算书

第四章平面结构计算简图及荷载计算

2.1平面结构计算简图

地基对结构得弹性反力用弹簧代替，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。

ql=20kPa

/圆

d

45

b

.・

66

H禺

sgV

c4=132.398kPae4=l32.398kPa

q5=132.398kPa

图2-1

2.2.荷载计算

2.2.1垂直荷载

1.顶板垂直荷载：顶板垂直荷载由路面荷载与垂直土压力组成。

路面荷载：

3

垂直土压力由公式幻=2哂，可得92=17、5X3=52、5kN/m

2.中板垂直荷载：

中板人群荷载：

设备荷载:

3.底板垂直荷载：

底板处水浮力：

222侧向荷载

1、侧向土压力：

土得浮重度丫=八。「匕，=17、5+3-9、8=10.7kN/m

A=tan2(45°-^\=tan2(45°-^=°^472

侧向压力系数12/k

土压力在顶板产生得侧向土压力：

土压力在底板产生得侧向土压力：

2

g=0、472x(52、5+10、7x13、51)=92、77kN/m

2

路面荷载在顶板产生得侧向压力,3=°、472x20=9、44kN/m

2

路面荷载在底板产生得侧向压力,4=°、472X20=9、44kN/m

2.侧向水压力

侧墙顶板处得水压力为零。

侧墙底板处得水压力：

2.3荷载组合

2.3.1基本组合

1、顶板垂直荷载：

2

q.i板=1、35X52、5+1、4x0、7x20=90、475/c/V/m

2.中板垂直荷载：

2

q中板=1、35x8+1、4x0、7x4=14、72kN/m

3.底板垂直荷载：

2

q底板=1、35x132、398=178、737kN/m

4.顶板侧向荷载：

2

%彳析、（、）、、、、704kN/m

J人口=135x2478+0+14x07x944=42

5.底板侧向荷载：

,底板

=1、35x（92、77+132、398）+1、4x0、7x9、44=313、22SkN/

2

m

6.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与，即纵

梁荷载为两个半跨顶板上得荷载及顶板自重之与。

顶板垂直荷载设计值：

q^=（l、35x52、5+1、4x0、7x20）x7=633、325/cN/m

顶板自重：

q门市=1、35x25x0、8x7=189kN/m

顶纵梁承受得荷载：

1顶总=633、325+189=822、325-N/m

7、中纵梁荷载：

顶板垂直荷载设计值：

q小=（1、35x8+1、4x0、7x4）x7=103、OAkN/m

顶板自重：

9门甲=1、35x25x0、5x7=118>125kN/m

顶纵梁承受得荷载：

q中总=103、04+118、125=221、165/cN/m

8、底纵梁荷载：

顶板垂直荷载设计值：

q底=1、35x132、398x7=1251、161kN/m

顶板自重：

q门巾=1、0x25x0、75x7=131A25kN/m

顶纵梁承受得荷载：

q底总=1251、161-131、25=1119>91kN/m

2.3.2标准组合

1、顶板垂直荷载：

2

板=1、0x52、5+1、0x20=72、5KN/m

2.中板垂直荷载：

2

q中板=1、0x8+1、Qx4=12KN/m

3.底板垂直荷载：

2

q底板=1、0x132、398=132、398/cN/m

4.顶板侧向荷载：

5、底板侧向荷载:

2

e底板=1、°x（92、77+132、398）+1、0x9.44=234、608kN/m

6.顶纵梁荷载：

顶板垂直荷载设计值：

q顶=（1、0x52、5+1、0x20）x7=507、5kN/m

顶板自重：

q门币=1、0x25x0、8x7=140kN/m

顶纵梁承受得荷载：

q顶.=507、5+140=647、5kN/m

7、中纵梁荷载：

顶板垂直荷载设计值：

q小=（1、0x8+1、0X4）X7=8AkN/m

顶板自重：

q门巾=1、0X25X0、5x7=87、5kN/m

顶纵梁承受得荷载：

q中总=84+87、5=171>5kN/m

8、底纵梁荷载：

顶板垂直荷载设计值：

q底=1、0x132、398X7=926>786/cN/m

顶板自重：

q门甲=1、0x25x0、75x7=131>25kN/m

顶纵梁承受得荷载：

q底总=926、786-13k25=795、54kN/m

第五章结构内力计算

3.1建模与计算

本课程设计采用ANSYS进行建模与计算，结构模型如下图:

ELEMENTSAN

图3-1结构模型图

模型中各构件单元截面得尺寸特性如表3-1:

表3-1构件单元截面尺寸表

截面面积（bxh）惯性矩/m4单元类型材料

/m2

顶板1X0、800、04266667Beam3C30

中板1x0、50、01041667Beam3C30

底板1x0、750、03515625Beam3C30

侧墙1X0、70、02858333Bcam3C30

中柱0、7x0、80、02986667Beam3C40

弹簧1XO、5—Link10土

3.2基本组合

3.2.1横断面变形佟

结构横断面变形图如图3-2。

图3-2基本组合横断面变形图

3.2.2横断面轴力图

结构横断面轴力图如图3-3。

LINESTRESS

JAN142014

SUB=1

14:53:02

TIME=1

NI

MIU=-.107E+07

ELEM=43

MAX=5863

ELEM=231

-.107E+07-S894sg

图3-3基本组合横断面轴力图

3.2.3横断面剪力图

结构横断面剪力如图3-4。

LINESTRESS

SUB-1JAN142014

14:54:56

TIME=1

图3-4基本组合横断面剪力图

3.2.3横断面弯矩图

结构横断面弯矩如图3-5。

3.3标准组合

3.3.1横断面变形图

结构横断面变形图如图3-6。

DISPLACEHENTAN

JAN142014

STEP=1

15:0C:20

SUB=1

TIME=1

DHX=.00574

图3-6标准组合横断面变形图

3.2.2横断面轴力图

结构横断面轴力图如图3-7。

LUTESTRESS

JAN142014

STEP=1

SUB-115:01:17

NINJ

Mill=-869177

ELEM-181

MAX=5863

ELEM=231

-869177-674724-480270-285817-91363

-771951-577497-383044-1885905863

图3-7标准组合横断面轴力图

3.2.3横断面剪力图

结构横断面剪力如图3-8。

图3・8标准组合横断面剪力图

323横断面弯矩悭

结构横断面弯矩如图3-9。

LINESTRESS

JAN142314

STEP=1

15:03:01

SUB=1

TIME=1

MIMJ

图3-9标准组合横断面弯矩图

第六章结构（墙、板、柱）配筋计算

要进行结构断面配筋，选用得弯矩与轴力就是在考虑最不利位置处。对于梁

端弯矩采用弯矩调幅系数，弯矩调幅系数就是反映连续梁内力重分布能力得参

数。调幅过后实际配筋内力见表4T

表4・1

构件弯矩轴力剪力尺寸

286.564

顶板上缘400、98387、69

1000*800

286.564

顶板下缘350、032387、69

1000*800

中板上缘237、731070127、041000*500

中板下缘107、5821070127、041000*500

413.691

底板上缘1030749、25

1000*750

底板下缘9201030749、251000*750

负一层侧墙迎土面436.101549、017302.6631000*700

302.663

负一层侧墙背土面0549、017

1000*700

861.454

负二层侧墙迎土面920888、32

1000*700

694.113861.454

负二层侧墙背土面888、32

1000*700

负一层中柱06489、860800*700

负二层中柱081600800*700

顶纵梁上缘4640—35301000*1800

顶纵梁下缘2410—35301000*1800

中纵梁上缘1300—10201000*1000

734.131

中纵梁下缘—1020

1000*1000

底纵梁上缘2680—42001000*2100

底纵梁下缘5730—42001000*2100

4.1车站顶板上缘得配筋计算

截面尺寸，，计算长度，，弯矩设计值，轴力设计值，混凝土等级

,,,采用三级钢筋（，）。

1.求偏心距

M400、98X1000

e°=N=286、564="27mm

附加偏心距：

（h\

e=max20mm,—=26mm

QnI30}

初始偏心距：

S=%+%=14257nm

因为本设计不考虑二阶效应，故不需要计算偏心距增大系数。

2.判断大小偏心

计算偏心距：

e,=1425mm>0、3h0=225mm

所以属于大偏心受压构件。

3.求受压区钢筋面积

h800

e=e+a^=1425+---50=1775mm

fi2,2

取。则受压区钢筋面积:

4

Ne-a怎(1-0、5%)

4(ho-%).

286564x1775-1.0x14、3x1000x7502x0,518x(1-0、5x0、518)

360x(700-50)

<0

P，”n=max[0、2%,0、45尸x100%J=0、2%

,?

取“s=九=°、002x1000x800=1600mm

•2

选用7中20(4=2199mm)。

4.求受拉钢筋面积

受压区高度:

2[Ne-fA(h-a^)]

x=hys0

-l^o-fcb

2(286564x1775-360x1600x(750-50)

=750-175()2

14、3x1000

=9、75

x=9、75mm<2as=100mm

则受拉区钢筋面积:

Ne

4=""

ZyS。一4)

.h.800

e=e,.--4-a,=1425-——+50=1075mm

22

故

286564x107522

4=360x(75。-50)=1222、4mm<pminbh=1600mm

2

取4=Pminbh=0、002x1000x750=1600mm

2

选用7中20(4=2199mm)。

"sfy2199360

S嬴=————x——-=0、074<6人=0、518

1000x75014、3、

所以非超筋。

5.箍筋计算

（1）验算限制条件

混凝土等级为，所以

0c=1、0

hw750

方=而面=°、75<4,属于一般梁

0、25/y/帆=0、25x1、0x14、3x1000x750=2681.25kN

P=387、69/cNvO、25PcfcbhQ

所以，非斜压破坏。

（2）、检查就是否需要按计算配置箍筋

顶板承受均布荷载，则，轴力

1、751、75

2▲1ftb%=3-rTTXI、43x1000x750

=750、75kN>V=387、69kN

只需要构造配筋

按构造进行配筋，选取六肢箍筋（箍筋直径满足最小直径要求），间距s取

250mm

6.裂缝宽度验算

%=1399、27mm>0s55/i0=412^5mm

根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）,当时需要验算裂缝宽度。

Zo7

五”=8、75Vl4

所以使用阶段得轴向压力偏心距增大系数%=1、°。

轴向压力作用点至纵向受拉钢筋合力点得距离：

h800

e-r）seQ+--=10x1399、274-——-50=174927mm

纵向受拉钢筋合力点至截面受压合力点得距离：

z=0、87-0、12—九0

75021

=0、87-0、12xI\x750=635、96mm

、27）

•[1749t

按有效受拉混凝土截面面积计算得纵向受拉钢筋配筋率：

AS2199

p=--ZTT=——--.-__—___=0、00549

t‘Oo0、5hh0、5x1000x800

按荷载效应得标准组合计算得轴向力：

NK=260、776kN

钢筋混凝土构件受拉区纵向钢筋得应力：

N—e-z）260776x（1749、27-635、96）2

skAsz2199x635、96'

裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数：

ftk0、65x2、01

。=1、1一。、65-------=1、1--~~————7=一°、046V0、2

*pteask0、00549X207、6

故取。=0、2。

最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边得距离c=50小小。

受拉区纵向钢筋得等效直径=20mm

故最大裂缝宽度:

(l)max=1'9c+0、08

207、6I20

=1、9x0、2x--------------1N9x50+0、08x

2、Ox10V0700549

=0、145<0、2mm

故满足裂缝宽度。

地铁结构其她截面

位置配筋过程同顶

板上缘类似，均选

取混凝土等级，顶板上缘顶板下缘中板上缘中板下缘底板上缘底板下缘

,,采用三级钢

筋（，）o标准

截面配筋计算详见

下夫4-2乃4-3.

负一层根|墙迎土负一层侧墙背土负二层侧墙迎土负.二层侧墙背土

尺寸力xh/mm1000*800也11000*8)01。源痴001000*500®1000*'5。1fifih*750

尺寸bxh/mm~1000：;7001000*7001000*/%：?691】000*70()

弯矩设计值/（依厂瓶）100、的6.1湎0、。以237、73107、582694.惚

弯矩设计值/（kN,m：092(

>Rfi5644

轴力设计值/kN302.66330她曲1070749、2b749、25

轴方铅计侑/kN888.32888、32

1221479222176552-4

偏心距%/），产

1399、27100、1淞5.S631227、895

偏心距％/"""1440880730、72

偏小柿瑁大系数〃111111

、

霞圈酬龌现I大偏心__.——大偏壮、--大耐心--小偏心_!_-,、--火偏心--

判断大小偏心受耳大伤i心小偏心大偏心大偏心

受压钢筋面积22199219912721272188,1520

161)818841521520

物空魂科微/mm0

7D907D9OADWSD1RAD9(4D99

双里及截四国食/〃少18D66D204D22~4D22

受拉钢筋面积4’/22199219912721272188,7125

64：431064344310

数二量君及那彳苏筋油而皆和径//、m/mm口】

7h9n7D9O5D1«wafiDQf7百

剪力设计值"N387、69387、69127、04127、04749、25749、25

2681.252681.252502.52502.5

0、25良九帅01608、751608、75

1、75

fohhn+4-nHu/7/Mv750、75750、75450、45450、45700、7700、7

2+1/tou、

如何配筋构造构造构造构造构造构造

六肢六肢六肢六肢六肢六肢

箍筋量

D10@250D10@250D10@250D10@250D10@250D10@250

裂缝宽度验算0、1450、1230、127不需要不需要0、191

表4-2

数量及截面直径/机机8D327D288D327D28

302.663302.663

剪力设计值/kN888、32888、32

2323.752323.752323.752323.75

0、250力帆

1、75

2+1。帆+0、07/V650、65650、65650、65650、65

如何配筋构造构造计算配筋计算配筋

六肢六肢六肢六肢

箍筋量

D10@250D10@250010@250D10@250

裂缝宽度验算0、2不需要0、1920、194

表4-3

4.2负一层中柱配筋计算

4.2.1负一层中柱

中柱尺寸，轴力设计值，混凝土等级，，，采用三级钢筋（，）o

N<0,9（p（（A+fyA；）

式中，一轴向压力设计值（）；

中一钢筋混凝土构件得稳定系数

c2

混凝土轴心抗压强度设计值（N/mm）

2

A—构件截面面积（mm）

As--全部纵向钢筋得截面面积（mm2）

,o4550

—==5、69

b800

故取3=1c

因此柱得配筋：

N6489860

^-fcA^-^-19.1X800X700

=------------560------------<0

y

故采用构造配筋：

•7

As—p]ninbh—0、002x800x700—1120mm

纵筋选用4根2()Js=1256mm)。箍筋选用io间距25()

配筋率验算：

■

.AS1256.

p=—=------------------=0、224%<p=5%

〃A800X700匕皿

4.2.2负二层中柱

中柱尺寸同轴力设计值即混凝土等级团，冏团，采用团级钢筋(团，回)。配筋

计算过程同负一层中柱配筋。纵筋选用4根20(团)。箍筋选用六肢团

4.3顶纵梁上缘得配筋计算

纵梁上缘，弯矩设计值，混凝土等级，，，采用三级钢筋(，)c

O

1.纵筋计算

假定受拉钢筋放2排，设，则。

M4640x106

«=-----7=-----------------------2=0、107

"cbh1x14、3x1000x1740

C=i-^l-2as=oN114<.=0、55

故可以按照单筋截面配筋。

则除=°、5x(1+J—%)=0、943

M4640x106

A=--------=--------------------=7853

s-fyYsh0-360x0、944x1740

选用12中40(As=1507、92)

As415079.2360

bhfc1000x180014、3%、

所以非超筋。

AS15079、2

P=bh=1000xl800=°>838%>Pmin=°、2%

所以非少筋。

2.箍筋计算

（1）验算限制条件

混凝土等级为，所以

生=1、0

h

w1740

V=iooo=1>74V4,属于一般梁

0、25/。岫0=0、25x1、0x14、3X1000X1740=6220.5kN

V=3530kN<0y25ficfcbh0

所以，非斜压破坏。

（2）、检查就是否需要按计算配置箍筋

顶板承受均布荷载，则，轴力

1、751、75

TTTf%=1rxiXI、43x1000x1740

=1741、74kN>V=3530kN

需要按计算配置箍筋。

（3）设计箍筋

六肢中1°箍筋（箍筋直径满足最小直径要求）

2

4G•JlVz=HiO4rQAI/1=6x113、1=471mm

1、25h0AsvfyVi、25x1740x471x360

sv-------------=----------------------------------=2062mm

-V-0、7f/o3530000-0.7x1、43x