地下工程课程设计-(地下矩形框架结构)-(1).doc

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2012-7班
学生姓名： 陈铁卫
学生学号： 20120249
指导教师： 孙克国

地下工程本科课程设计
目 录
第一章 课程设计任务概述 1
1.1 课程设计目的 1
1.2 设计规范及参考书 1
1.3 课程设计方案 1
1.3.1 方案概述 1
1.3.2 主要材料 3
1.4 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

第一章 课程设计任务概述
1.1 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。
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1-2。车站埋深3m，地下水位距地面3m，中柱截面横向尺寸固定为0.8m（如图1-1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1-1，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。
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。

图 1-1 地铁车站横断面示意图（单位：mm）

表1-1 地层物理力学参数
编号
重度
弹性反力系数
内摩擦角
内聚力
A1
17
250
20
——
A2
17.5
250
21
——
A3
18
300
22
——
A4
18.5
300
23
——
A5
19
350
24
——
A6
19.5
350
25
——
A7
20
400
26
——
A8
20.5
400
27
——
注：饱和重度统一取“表中重度+3”。
表1-2 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
B1
8
0.7
0.4
0.8
0.6
0.8×0.8
B2
8
0.75
0.4
0.8
0.6
0.8×0.8
B3
8
0.8
0.4
0.8
0.6
0.8×0.8
B4
8
0.85
0.4
0.9
0.6
0.8×0.8
B5
8.5
0.8
0.4
0.9
0.6
0.8×0.8
B6
8.5
0.8
0.45
0.9
0.6
0.8×0.8
B7
8.5
0.8
0.5
0.9
0.6
0.8×0.8
B8
7.5
0.7
0.4
0.8
0.6
0.8×0.8
B9
7.5
0.75
0.4
0.8
0.6
0.8×0.8
B10
7.5
0.8
0.4
0.8
0.6
0.8×0.8
（表1-1~表1-2进行组合，每个人的具体工况请见EXCEL表格）

表1-3 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
1.35（1.2）
1.4×0.7（1.4）
标准组合
1.0
1.0
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1.0。
1.3.2 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。
1.4 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。
第二章 平面结构计算简图及荷载计算
2.1平面结构计算简图
2.1.1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。
2.1.2计算简图
计算简图取中心线，如图2-1所示。

图2-1 平面结构计算图（单位：）
2.2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：
垂直土压力：
顶板的自重：
永久荷载控制时：
可变荷载控制时：
顶板垂直荷载设计值为：
（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：
永久荷载控制时：
可变荷载控制时：
中板垂直荷载设计值为：
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：
侧压力系数：
侧墙顶板处土压力：
永久荷载控制：
可变荷载控制：
取顶板处土压力设计值为：
侧墙顶板处水压力：
标准值：
设计值：
侧墙底板处土压力：
永久荷载控制：

可变荷载控制：

底板处土压力设计值为：
侧墙底板处水压力：
设计值：
标准值：
3、水浮力：
设计值：
标准值：
2.2.1荷载计算简图
结构所受荷载如下表所示：
表2-1基本组合作用在结构上的荷载
位置
顶板
中板
底板
侧墙顶板处
侧墙底板处
土压力
水压力
土压力
水压力
荷载（）（（）
115.04
14.72
-172.26
48.55
4.73
133.39
172.26
表2-2标准组合作用在结构上的荷载
位置
顶板
中板
底板
侧墙顶板处
侧墙底板处
土压力
水压力
土压力
水压力
荷载（）（）
90.7
12
-127.60
38.28
3.5
101.12
127.60
作用在主体结构上的荷载如图2-2所示。
图2-2 荷载计算简图
第三章 结构内力计算
3.1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ANSYS10.0计算主体结构横断面的内力。
3.2计算结果
3.2.1 ANSYS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：

图3-1 基本组合变形图

图3-2 轴力图（单位：）

图3-3 剪力图（单位：）

图3-4 弯矩图（单位：）
在荷载标准值作用，如图所示：

图3-5 标准组合变形图

图3-6 轴力图（单位：）

图3-7 剪力图（单位：）

图3-8 弯矩图（单位：）
3.2.2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3-1。
要进行裂缝宽度验算，断面结构内力值见表3-2。
表3-1基本组合标准断面结构内力
构件
弯矩/
轴力/
剪力/
顶板上缘
585.50
357.52
516.71
顶板下缘
359.71
357.52
516.71
中板上缘
207.17
950.03
112.58
中板下缘
31.13
950.03
112.58
底板上缘
280.88
936.50
756.80
底板下缘
982.47
936.50
756.80
侧墙
迎土面
负一层
357.4
646.74
485.38
负二层
982.47
815.43
936.51
侧墙
背土面
负一层
23.53
646.74
485.38
负二层
543.30
815.43
936.51
中
柱
负一层
0
1035.8
0
负二层
0
1106.80
0
表3-2标准组合标准断面结构内力
构件
弯矩/
轴力/
剪力/
顶板上缘
445.16
269.69
395.65
顶板下缘
276.88
269.69
395.65
中板上缘
162.38
768.93
91.74
中板下缘
28.56
768.93
91.74
底板上缘
222.53
696.28
606.41
底板下缘
746.63
696.28
606.41
侧墙
迎土面
负一层
311.37
580.63
341.55
负二层
746.63
673.53
696.28
侧墙
背土面
负一层
15.68
580.63
341.55
负二层
394.60
673.53
696.28
中
柱
负一层
0
722.47
0
负二层
0
867.98
0

第四章 结构（墙、板、柱）配筋计算
4.1车站顶板、中板、底板、侧墙配筋计算
4.1.1 顶板上缘的配筋计算
截面尺寸，，，计算长度，弯矩设计值，轴力设计值，混凝土等级C30（， ），采用HRB400钢筋（，）。
（1）配筋计算验算
计算偏心距：
附加偏心距：
初始偏心距：
由
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
且
则受压区钢筋面积：

无需设置受压钢筋，按构造配筋。
按最小配筋率设置受压钢筋，
。
选用6C20钢筋（）。

受压区高度
则受拉区钢筋面积：

所以
选用受拉钢筋9C25（）。

满足要求。
（2）裂缝宽度验算
由 需验算裂缝宽度。

所以偏心距增大系数： 。
轴向压力作用点至纵向受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：

纵向受拉钢筋配筋率：

按荷载效应的标准组合计算的轴向力:
钢筋混凝土构件受拉区纵向钢筋的应力:

裂隙间纵向受拉钢筋应变不均匀系数：

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：
所以最大裂缝宽度：

满足要求。
4.1.2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4-1、4-2，裂缝宽度验算详见表4-3。
表4-1 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

50
50
50
50
50
50
50

650
350
350
650
650
550
550

1006.13
219.12
32.77
299.93
1049.09
552.62
40.52

23.33
20
20
23.33
23.33
20
20

1027.80
239.12
52.77
323.26
1072.42
572.62
60.52
/
195
105
105
195
195
165
165
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

表4-2 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

1327.80
389.12
202.77
623.26
1372.42
822.62
310.52

-8538.6
-2802.9
-4442.1
-8034.1
-4786.0
-6268.71
-2530.11

1400
800
800
1400
1400
1200
1200
选取受压钢筋
6C20
6C16
6C16
6C20
6C20
6C18
6C18
受压钢筋面积
1884
1206
1206
1884
1884
1527
1527

0.011
0.137
---
0.029
0.145
0.059
---

0.011
0.148
0.572
0.029
0.153
0.061
0.566

7.15
51.8
200.2
18.85
99.42
33.55
311.3

727.80
89.12
---
23.26
772.42
322.62
---
与比较

1204.64
783.95
-7016.5
100.83
3294.13
1159.17
-611.19
选取受拉钢筋
6C20
6C16
6C16
6C22
9C28
6C20
6C20

1884
1206
1206
2281
5542
1884
1884

0.0027
0.0030
0.0030
0.0027
0.0079
0.0074
0.0031

0.0054
0.0060
0.0060
0.0054
0.0106
0.00099
0.0057

根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010），如果，可不验算裂缝宽度。
中板下缘： ；
底板上缘：；
侧墙背土面负一层：
不需进行裂缝宽度验算。

表4-3 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

1650.64
1026.66
211.18
1072.31
536.26

585.87

10.00
10.00
17.50
10.00
11.67
11.67

1
1
1.073
1
1
1

1950.64
1326.66
376.59
1372.31
786.26

835.87

556.84
546.78
268.22
548.00
446.21

449.92

0.013
0.006
0.006
0.016
0.006

0.01

148.92
199.00
257.64
163.15
234.87

173.81

0.405
0.200
0.259
0.594
0.214

0.387

37.5
40
42
36
40
37.5

25
20
16
28
20
25
裂缝宽度验算
0.132
0.130
0.185
0.193
0.158
0.157
备 注
1.当时，取；当时，取
由表中可得，裂缝宽度满足要求。
4.2中柱的配筋计算
中柱尺寸，轴力设计值为，混凝土等级C40，，，采用HRB400钢筋，，。
中柱的横截面的回转半径：
由，应按长柱进行计算。

式中 ——钢筋混凝土构件的稳定系数；
，查《混规》线性插值，取
柱的配筋：
按构造配筋：

纵筋选用6C18，。
配筋率： 满足要求。其中专业理论知识内容包括：保安理论知识、消防业务知识、职业道德、法律常识、保安礼仪、救护知识。作技能训练内容包括：岗位操作指引、勤务技能、消防技能、军事技能。
二．培训的及要求培训目的
安全生产目标责任书
为了进一步落实安全生产责任制，做到“责、权、利”相结合，根据我公司2015年度安全生产目标的内容，现与财务部签订如下安全生产目标：
一、目标值：
1、全年人身死亡事故为零，重伤事故为零，轻伤人数为零。
2、现金安全保管，不发生盗窃事故。
3、每月足额提取安全生产费用，保障安全生产投入资金的到位。
4、安全培训合格率为100%。
二、本单位安全工作上必须做到以下内容：
1、对本单位的安全生产负直接领导责任，必须模范遵守公司的各项安全管理制度，不发布与公司安全管理制度相抵触的指令，严格履行本人的安全职责，确保安全责任制在本单位全面落实，并全力支持安全工作。
2、保证公司各项安全管理制度和管理办法在本单位内全面实施，并自觉接受公司安全部门的监督和管理。
3、在确保安全的前提下组织生产，始终把安全工作放在首位，当“安全与交货期、质量”发生矛盾时，坚持安全第一的原则。
4、参加生产碰头会时，首先汇报本单位的安全生产情况和安全问题落实情况；在安排本单位生产任务时，必须安排安全工作内容，并写入记录。
5、在公司及政府的安全检查中杜绝各类违章现象。
6、组织本部门积极参加安全检查，做到有检查、有整改，记录全。
7、以身作则，不违章指挥、不违章操作。对发现的各类违章现象负有查禁的责任，同时要予以查处。
8、虚心接受员工提出的问题，杜绝不接受或盲目指挥；
9、发生事故，应立即报告主管领导，按照“四不放过”的原则召开事故分析会，提出整改措施和对责任者的处理意见，并填写事故登记表，严禁隐瞒不报或降低对责任者的处罚标准。
10、必须按规定对单位员工进行培训和新员工上岗教育；
11、严格执行公司安全生产十六项禁令，保证本单位所有人员不违章作业。
三、 安全奖惩：
1、对于全年实现安全目标的按照公司生产现场管理规定和工作说明书进行考核奖励；对于未实现安全目标的按照公司规定进行处罚。
2、每月接受主管领导指派人员对安全生产责任状的落
其中专业理论知识内容包括：保安理论知识、消防业务知识、职业道德、法律常识、保安礼仪、救护知识。作技能训练内容包括：岗位操作指引、勤务技能、消防技能、军事技能。
二．培训的及要求培训目的
安全生产目标责任书
为了进一步落实安全生产责任制，做到“责、权、利”相结合，根据我公司2015年度安全生产目标的内容，现与财务部签订如下安全生产目标：
一、目标值：
1、全年人身死亡事故为零，重伤事故为零，轻伤人数为零。
2、现金安全保管，不发生盗窃事故。
3、每月足额提取安全生产费用，保障安全生产投入资金的到位。
4、安全培训合格率为100%。
二、本单位安全工作上必须做到以下内容：
1、对本单位的安全生产负直接领导责任，必须模范遵守公司的各项安全管理制度，不发布与公司安全管理制度相抵触的指令，严格履行本人的安全职责，确保安全责任制在本单位全面落实，并全力支持安全工作。
2、保证公司各项安全管理制度和管理办法在本单位内全面实施，并自觉接受公司安全部门的监督和管理。
3、在确保安全的前提下组织生产，始终把安全工作放在首位，当“安全与交货期、质量”发生矛盾时，坚持安全第一的原则。
4、参加生产碰头会时，首先汇报本单位的安全生产情况和安全问题落实情况；在安排本单位生产任务时，必须安排安全工作内容，并写入记录。
5、在公司及政府的安全检查中杜绝各类违章现象。
6、组织本部门积极参加安全检查，做到有检查、有整改，记录全。
7、以身作则，不违章指挥、不违章操作。对发现的各类违章现象负有查禁的责任，同时要予以查处。
8、虚心接受员工提出的问题，杜绝不接受或盲目指挥；
9、发生事故，应立即报告主管领导，按照“四不放过”的原则召开事故分析会，提出整改措施和对责任者的处理意见，并填写事故登记表，严禁隐瞒不报或降低对责任者的处罚标准。
10、必须按规定对单位员工进行培训和新员工上岗教育；
11、严格执行公司安全生产十六项禁令，保证本单位所有人员不违章作业。
三、 安全奖惩：
1、对于全年实现安全目标的按照公司生产现场管理规定和工作说明书进行考核奖励；对于未实现安全目标的按照公司规定进行处罚。
2、每月接受主管领导指派人员对安全生产责任状的落

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