地铁车站主体结构设计.doc

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21、1 课程设计目得21、2 设计规范及参考书21、3 课程设计方案21、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52、1平面结构计算简图52、2、荷载计算52、3荷载组合6第三章结构内力计算103、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：103、2基本组合103、2 标准组合13第四章结构（墙、板、柱）配筋计算164、1 车站顶板上缘得配筋计算164、2 负一层中柱配筋计算214、3 顶纵梁上缘得配筋计算224、4 顶纵梁上缘裂缝宽度验算24第一章 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1-1。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，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：1000mm1800mm（宽高）；中纵梁尺寸：1000mm1000mm（宽高）；底纵梁尺寸：1000mm2100mm（宽高）。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17、525021-注：饱与重度统一取“表中重度+3”表1-2 结构尺寸参数（单位：m）跨度L顶板厚h1中板厚h2底板厚h3墙厚T中柱70、80、50、750、70、80、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、40、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。5、完成计算书第二章 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。图2-12、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：垂直土压力由公式 , 可得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：2、2、2侧向荷载1、侧向土压力：土得浮重度侧向压力系数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：路面荷载在顶板产生得侧向压力路面荷载在底板产生得侧向压力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、中板垂直荷载： 3、底板垂直荷载：4、顶板侧向荷载：5、底板侧向荷载：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：顶板自重： 顶纵梁承受得荷载： 7、中纵梁荷载：顶板垂直荷载设计值：顶板自重： 顶纵梁承受得荷载： 8、底纵梁荷载：顶板垂直荷载设计值：顶板自重：顶纵梁承受得荷载：2、3、2 标准组合1、顶板垂直荷载：2、中板垂直荷载：3、底板垂直荷载：4、顶板侧向荷载： 5、底板侧向荷载：6、顶纵梁荷载：顶板垂直荷载设计值：顶板自重： 顶纵梁承受得荷载： 7、中纵梁荷载：顶板垂直荷载设计值：顶板自重：顶纵梁承受得荷载：8、底纵梁荷载：顶板垂直荷载设计值：顶板自重：顶纵梁承受得荷载：第三章 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：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（）/m2惯性矩/m4单元类型材料顶板0、04266667Beam3C30中板0、01041667Beam3C30底板0、03515625Beam3C30侧墙0、02858333Beam3C30中柱0、02986667Beam3C40弹簧Link10土3.2 基本组合3、2、1 横断面变形图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。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。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。图3-5 基本组合横断面弯矩图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。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。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3、2、3 横断面弯矩图结构横断面弯矩如图3-9。图3-9 标准组合横断面弯矩图第四章 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4-1表4-1构件弯矩轴力剪力尺寸顶板上缘400、98286、564387、691000*800顶板下缘350、032286、564387、691000*800中板上缘237、731070127、041000*500中板下缘107、5821070127、041000*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*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4640-35301000*1800顶纵梁下缘2410-35301000*1800中纵梁上缘1300-10201000*1000中纵梁下缘734、131-10201000*1000底纵梁上缘2680-42001000*2100底纵梁下缘5730-42001000*21004、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、求偏心距附加偏心距：初始偏心距：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：所以属于大偏心受压构件。3、求受压区钢筋面积取。则受压区钢筋面积：取。选用（）。4、求受拉钢筋面积受压区高度： 则受拉区钢筋面积：故取。选用（）。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,属于一般梁所以，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 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250mm6、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。所以使用阶段得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点得距离：纵向受拉钢筋合力点至截面受压合力点得距离：按有效受拉混凝土截面面积计算得纵向受拉钢筋配筋率：按荷载效应得标准组合计算得轴向力：钢筋混凝土构件受拉区纵向钢筋得应力：裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数：故取。最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边得距离。受拉区纵向钢筋得等效直径。故最大裂缝宽度： 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，采用三级钢筋（，）。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1000*8001000*8001000*5001000*5001000*7501000*750弯矩设计值400、98350、032237、73107、582413、691920轴力设计值286、564286、56410701070749、25749、25偏心距1399、271221、479222、176100、54552、141227、895偏心距增大系数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钢筋面积219921991272127218841520数量及截面直径7D207D205D185D186D204D22受拉钢筋面积219921991272127218847125数量及截面直径7D207D205D185D186D207D36剪力设计值387、69387、69127、04127、04749、25749、252681、252681、251608、751608、752502、52502、5750、75750、75450、45450、45700、7700、7如何配筋构造构造构造构造构造构造箍筋量六肢六肢六肢六肢六肢六肢裂缝宽度验算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面负二层侧墙迎土面负二层侧墙背土面尺寸1000*7001000*7001000*7001000*700弯矩设计值436、1010920694、113轴力设计值302、663302、663888、32888、32偏心距1440、8801035、663730、72偏心距增大系数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1608188415201520数量及截面直径8D166D204D224D22受拉钢筋面积6434431064344310数量及截面直径8D327D288D327D28剪力设计值302、663302、663888、32888、322323、752323、752323、752323、75650、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 六肢 六肢D六肢D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，轴力设计值，混凝土等级，,采用三级钢筋（，）。式中，-轴向压力设计值（）; -钢筋混凝土构件得稳定系数 -混凝土轴心抗压强度设计值（） -构件截面面积（） -全部纵向钢筋得截面面积（）故取。因此柱得配筋：故采用构造配筋：纵筋选用4根20（）。箍筋选用 10间距250配筋率验算：4、2、2 负二层中柱 中柱尺寸，轴力设计值，混凝土等级，,采用级钢筋（，）。配筋计算过程同负一层中柱配筋。纵筋选用4根20（）。箍筋选用 六肢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（，）。 ，。1、纵筋计算假定受拉钢筋放2排，设，则。故可以按照单筋截面配筋。则 选用（）所以非超筋。 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,属于一般梁所以，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 需要按计算配置箍筋。（3）设计箍筋六肢箍筋（箍筋直径满足最小直径要求）取，箍筋间距满足要求。4、4 顶纵梁上缘裂缝宽度验算按有效受拉混凝土截面面积计算得纵向受拉钢筋配筋率：按荷载效应得标准组合计算得弯矩：钢筋混凝土构件受拉区纵向钢筋得应力：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得距离：受拉区纵向钢筋得等效直径：所以最大裂缝宽度： 所以满足裂缝宽度。地铁结构其她界面未知配筋过程同顶纵梁上缘类似，均选取混凝土等级，,采用三级钢筋（，）。标准截面配筋计算详见表4-4。顶纵梁上缘顶纵梁下缘中纵梁上缘中纵梁下缘底纵梁上缘底纵梁下缘尺寸1000*18001000*18001000*10001000*10001000*21001000*2101弯矩设计值464024101300734、131268057300、1070、0560、1030、0580、0450、096相对受压区高度0、1140、0570、1090、0590、0460、101受拉钢筋面积15079、2492661582281492612566数量及截面直径12D408D2810D288D208D2810D400、830、270、490、250、230、59就是否少筋或超筋否否否否否否剪力设计值3530353010201020420042006220、56220、53360、53360、5729372931741、71741、7940、9940、92042、12042、1箍筋量六肢 六肢 六肢 六肢 六肢 六肢 裂缝宽度验算0、2750、2380、2790、220、220、29表4-4