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车站结构设计

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目录
第一章 程设计任务概述 2
1、课程设计目的 2
2、设计规范及参考书 2
3、课程设计方案 2
3.1方案概述 2
3.2主要材料 5
4、课程设计基本流程 5
第二章 平面结构计算简图及荷载计算 6
1、中柱的简化 6
2、墙和板的简化 6
3、截面特性 6
4、截面尺寸 7
5、荷载计算 7
5.1车站横断面计算简图 7
5.2荷载基本组合计算 8
5.3荷载标准组合计算 9
第三章 结构内力计算 10
1、有限元建模 10
2、计算结果 10
第四章 结构配筋计算 14
1、车站顶板上缘的配筋计算 14
2、中柱的配筋计算 17
3、准截面配筋计算表 19
4、配筋图 20

第一章 课程设计任务概述
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、地层抗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。
2、 设计规范及参考书
1、《混凝土结构设计规范》
2、《地下铁道》（高波主编，西南交通大学出版社）
3、《混凝土结构设计原理》教材
4、计算软件基本使用教程相关的参考书（推荐用ANSYS）
3、课程设计方案
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1-1。车站埋深3m，地下水位距地面3m，中柱尺寸0.8m×0.8m，纵向柱间距8m。为简化计算，围岩为均一土体，土体参数详见1-2，采用水土分算。路面荷载为（超载系数1.1），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
300
20
——
A2
17.5
300
21
——
A3
18
300
22
——
A4
18.5
300
23
——
A5
19
300
24
——
A6
19.5
300
25
——
A7
20
300
26
——

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
6.5
0.6
0.4
0.6
0.6
0.8×0.8
B2
6.5
0.65
0.4
0.65
0.6
0.8×0.8
B3
6.5
0.7
0.4
0.7
0.6
0.8×0.8
B4
6.5
0.75
0.4
0.75
0.6
0.8×0.8
B5
6.5
0.8
0.4
0.8
0.6
0.8×0.8
B6
7
0.6
0.4
0.65
0.6
0.8×0.8
B7
7
0.65
0.4
0.7
0.6
0.8×0.8
B8
7
0.7
0.4
0.75
0.6
0.8×0.8
B9
7
0.75
0.4
0.8
0.6
0.8×0.8
B10
7
0.8
0.4
0.85
0.6
0.8×0.8
B11
7.5
0.65
0.4
0.7
0.6
0.8×0.8
B12
7.5
0.7
0.4
0.75
0.6
0.8×0.8
B13
7.5
0.75
0.4
0.8
0.6
0.8×0.8
B14
7.5
0.8
0.4
0.85
0.6
0.8×0.8
B15
7.5
0.85
0.4
0.9
0.6
0.8×0.8
B16
8
0.7
0.5
0.75
0.7
0.8×0.8
B17
8
0.7
0.5
0.8
0.7
0.8×0.8
B18
8
0.7
0.5
0.85
0.7
0.8×0.8
B19
8
0.7
0.5
0.9
0.7
0.8×0.8
B20
8
0.7
0.5
0.95
0.7
0.8×0.8
B21
8.5
0.75
0.5
0.75
0.7
0.8×0.8
B22
8.5
0.75
0.5
0.8
0.7
0.8×0.8
B23
8.5
0.75
0.5
0.85
0.7
0.8×0.8
B24
8.5
0.75
0.5
0.9
0.7
0.8×0.8
B25
8.5
0.75
0.5
0.95
0.7
0.8×0.8
B26
9
0.8
0.5
0.75
0.7
0.8×0.8
B27
9
0.8
0.5
0.8
0.7
0.8×0.8
B28
9
0.8
0.5
0.85
0.7
0.8×0.8
B29
9
0.8
0.5
0.9
0.7
0.8×0.8
B30
9
0.8
0.5
0.95
0.7
0.8×0.8

表1-3 荷载组合表
组合工况
永久荷载
可变荷载
水土压力
水浮力
人防荷载
地震荷载
基本组合
1.35
1.4
1.35
1.35
0
0
标准组合
1.0
1.0
1.0
1.0
0
0
3.2 主要材料
1、混凝土：板、墙用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。
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主动土压力公式。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土弹簧，需满足抗压不抗拉的特性，即弹簧轴力不能为正。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）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。

第二章 平面结构计算简图及荷载计算
1、中柱的简化
考虑地铁车站的长度远大于其宽度，可作为平面应变问题来考虑，框架结构沿纵向取一延米来进行计算。由于中立柱在纵上的不连续性，将柱按照刚度等效的原则换算为墙进行计算。然后以等效的墙厚为b的墙代替柱来进行平面框架有限元计算，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。本设计中有：,即,得b=0.08m.
2、墙和板的简化
由于墙和板在空间是连续结构，取其中心线，平面结构如图2-1。

图2-1平面结构简图（单位mm）
3、截面特性
计算宽度沿纵向取1米，即B=1米
1.顶板： C30砼 B=1m h=0.65m
2.中板： C30砼 B=1m h=0.4m
3.底板： C30砼 B=1m h=0.65m
4.侧墙： C30砼 B=1m h= 0.6m
5.柱： C40砼 0.8m×0.8m
6.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，B=1m，h=0.745m

4、截面尺寸
平面尺寸的截面尺寸如下2-2

图2-2横断面尺寸图（单位m）

5、荷载计算
5.1车站横断面计算简图
地基对结构的弹性反力用弹簧替代。作用在主体结构上的荷载如下图2-3所示

图2-3 荷载计算简图

5.2荷载基本组合值计算
1、垂直荷载
（1）顶板垂直荷载：
路面均布荷载：
垂直土压力：
顶板垂直荷载设计值为：
（2） 中板垂直荷载：
2、侧向荷载
本设计采用水土分算

侧压力系数：
侧墙顶板处压力：
侧墙底处埋深：
侧墙底板处土压力：
水压力：
底板处侧压力：
将荷载乘以各分项系数：
顶板处侧压力设计值：
底板处侧压力设计值：
3、水浮力：
4、纵梁荷载：
顶板垂直荷载设计值：
顶板自重：
纵梁承受的荷载：

5.3荷载标准组合
1.垂直荷载
（1）顶板垂直荷载：
顶板垂直荷载标准值：
中板垂直荷载标准值：
2.侧向荷载
侧墙顶板处侧压力：
侧墙底板处土压力：
水压力：
3.水浮力：
4.纵梁荷载纵梁承受的荷载：

第三章 结构内力计算
1、有限元建模
运用ansys计算主体结构横断面的内力
2、计算结果
1基本组合
计算结果如下

图3-1标准断面结构轴力图（基本组合）

图3-2 标准断面结构剪力图（基本组合）

图3-3 标准断面结构弯矩图（基本组合）
2标准断面结构内力（基本组合）
构件
弯矩/(kN.m)
轴力/kN
剪力/kN
尺寸

顶板上缘
355.57
177.86
403.81
1000650
顶板下缘
303.66
177.86
403.81
1000650
中板上缘
238.53
1060
283.26
1000400
中板下缘
40.32
1060
283.26
1000400
底板上缘
270.95
1010
690.43
1000650
底板下缘
1100
1010
690.43
1000650
侧墙迎土面
1100
630.70
896.3
1000600
侧墙背土面
698.19
630.7
896.3
1000600
中柱
0
940.81
0
800800
表3-1 标准断面结构内力表（基本组合）

3 标准组合
计算结果如下

图3-4 标准断面结构轴力图（标准组合）

图3-5 标准断面结构剪力图（标准组合）

图3-6 标准断面结构弯矩图（标准组合）
4标准断面结构内力（标准组合）
构件
弯矩/(kN.m)
轴力/kN
剪力/kN
尺寸

顶板上缘
315.16
129.9
321.17
1000650
顶板下缘
225.61
129.9
321.17
1000650
中板上缘
167.1
778.68
211.695
1000400
中板下缘
265.43
778.68
211.695
1000400
底板上缘
245.81
756
374.51
1000650
底板下缘
862.42
756
374.51
1000650
侧墙迎土面
862.42
546.61
672.17
1000600
侧墙背土面
501
546.61
672.17
1000600
中柱
0
762.55
0
800800
表3-2 基本断面结构内力表（标准组合）
第四章 结构（墙、板、柱）配筋计算

1、车站顶板上缘的配筋计算
截面尺寸
弯矩设计值M=355.16kNm,轴力设计值N=177.68kN,
混凝土等级C30，
钢筋采用HRB335,，
（1）求偏心距：

附加偏心距：（取20mm和h/30偏心方向截面最大尺寸中较大值）
初始偏心距：
（2）求偏心距增大系数：
，所以偏心距增大系数应修正。
偏心受压性质对截面曲率修正系数：

所以取

所以构件长细比相对对截面曲率影响的系数
则偏心距增大系数：

(3)判断大小偏心：
计算偏心距：
所以属于大偏心受压构件。
(4)求受压区钢筋面积

取
则受压区面积
取
选用
（1） 求受拉钢筋面积。
受压区高度
故
则受拉区钢筋面积：
式中————轴向力作用点至受压区钢筋合力作用点距离（mm）

所以，选用受拉钢筋

所以非超筋。

所以非少筋。
（2） 裂缝宽度验算。

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

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受拉钢筋合力作用点的距离：

纵向受拉钢筋合力点到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：

按荷载效应的标准组合计算的轴向力：
钢筋混凝土的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：

最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离：c=40mm
受拉区纵向钢筋的等效直径：
所以最大裂缝宽度：

所以满足裂缝要求。

配筋图如下：

图4-1 底板上缘的配筋图（单位mm）
2、中柱的配筋计算
中柱尺寸800×800，轴力设计值940.81kN，混凝土等级C40，,,采用HRB335级钢筋（）

式中 n——轴向压力设计值（n）；
——钢筋混凝土构件的稳定性系数；
——混凝土轴心抗压强度设计值（）
A——构件截面面积（）
——全部纵向钢筋的截面面积（）

故取（线性插值）
因此 柱的配筋：

故采用构造配筋：

纵筋选用4φ22（箍筋选用ф8＠250）
配筋率验算：

满足条件。
柱的配筋图如下：

图4-2 中柱的配筋图

3、准截面配筋计算表

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

弯矩设计值kN.m
355.57
303.66
238.53
40.32
轴力设计值kN
177.86
177.86
1060
1060
偏心距(mm)
1999.2
1707.3
225
38.04
偏心距增大系数
1.031
1.024
1.155
1.653
判断大小偏心
大偏心
大偏心
大偏心
小偏心
受压钢筋面积(mm2)
1527
1527
1256
1256
数量及截面直径
6φ18
6φ18
4φ20
4φ20
受拉钢筋面积(mm2)
2199
1884
1256
1256
数量及截面直径
7φ20
6φ20
4φ20
4φ20
裂缝宽度验算(mm)
0.193
0.155
0.026
不需验算

截面位置
配筋过程
底板上缘
底板下缘
侧墙迎土面
侧墙背土面
尺寸

弯矩设计值kN.m
270.95
1100
1100
698.19
轴力设计值kN
1010
1010
630.7
630.7
偏心距(mm)
268.3
1089.1
1744.1
1107
偏心距增大系数
1.224
1.058
1.035
1.055
判断大小偏心
大偏心
大偏心
大偏心
大偏心
受压钢筋面积(mm2)
1527
1527
1527
1527
数量及截面直径
6φ18
6φ18
6φ18
6φ18
受拉钢筋面积(mm2)
1527
9652
11310
5542
数量及截面直径
6φ18
12φ32
9φ40
9φ28
裂缝宽度验算 (mm)
不需验算
0.152
0.176
0.186
表4-标准截面配筋计算表

4、配筋图
其他部分的配筋图见下各图

图4-3顶板下缘的配筋图

图4-4 中板上缘的配筋图

图4-5中板下缘的配筋图

图4-6底板上缘的配筋图

图4-7地板下缘的配筋图

图4-8 侧墙迎土面配筋图

图4-9 侧墙背土面配筋图

地铁车站主体结构设计
（地下矩形框架结构）

专业名称： 土木工程
学生姓名： XXX
学 号： XXXX
班 级： 2XXX级土木5班
指导老师： XXX

土木工程学院
2012年7月

西南交通大学地下工程系
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