1、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 .21.1 课程设计目的 .21.2 设计规范及参考书 .221.3 课程设计方案 .21.4 课程设计的基本流程 .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 车站顶板上缘的配筋计算 .164.2 负一层中柱配筋计算 .
2、214.3 顶纵梁上缘的配筋计算 .224.4 顶纵梁上缘裂缝宽度验算 .243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、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；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
3、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1-1。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 ，钢筋混凝2/0mkN土重度 ，中板人群与设备荷载分别取 、 。荷载3/25mkNco 48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4
4、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、柱的配筋。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，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 )/3mkN（弹性反力系数 )/(mMPaK内摩擦角 )(内聚力 )(kPa
5、c17.5 250 21 -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）跨度 L 顶板厚 h1 中板厚 h2 底板厚 h3 墙厚 T 中柱7 0.8 0.5 0.75 0.7 0.80.7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） 1.40.7标准组合 1.0 1.0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，确定平面计算简图（重点说明中柱如何简化） ；2、荷载计算。包括
6、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止土压力公式。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（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。
7、5、完成计算书6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的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和垂直土压力组成。路面荷载： 1=20垂直土压力由公式 , 可得2= 2=17.53=52.5/32、中板垂直荷载：中板人群荷载： 3=4/2设备荷载： 4=8/23、底板垂直荷载：7底板处水浮力： 5=9.813.51=132.398/22.2.2 侧向荷载1、侧向土压力：土的浮重度 =17.5+39.8=10.7/3侧向压力
8、系数 =2(452)=2(45212)=0.472土压力在顶板产生的侧向土压力： 1=0.47252.5=24.78/2土压力在底板产生的侧向土压力：2=0.472(52.5+10.713.51)=92.77/2路面荷载在顶板产生的侧向压力 3=0.47220=9.44/2路面荷载在底板产生的侧向压力 4=0.47220=9.44/22、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： 5=9.813.51=132.398/22.3 荷载组合2.3.1 基本组合1、顶板垂直荷载：顶 板 =1.3552.5+1.40.720=90.475/22、中板垂直荷载：中板 =1.358+1.40.
9、74=14.72/23、底板垂直荷载：底板 =1.35132.398=178.737/24、顶板侧向荷载：8顶 板 =1.35(24.78+0)+1.40.79.44=42.704/25、底板侧向荷载：底板 =1.35(92.77+132.398)+1.40.79.44=313.228/26、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： 顶 =(1.3552.5+1.40.720)7=633.325/顶板自重：自重 =1.35250.87=189/顶纵梁承受的荷载：顶总 =633.325+189=8
10、22.325/7、中纵梁荷载：顶板垂直荷载设计值： 中 =(1.358+1.40.74)7=103.04/顶板自重：自重 =1.35250.57=118.125/顶纵梁承受的荷载：中 总 =103.04+118.125=221.165/8、底纵梁荷载：顶板垂直荷载设计值： 底 =1.35132.3987=1251.161/顶板自重： 自重 =1.0250.757=131.25/顶纵梁承受的荷载： 底 总 =1251.161-131.25=1119.91/92.3.2 标准组合1、顶板垂直荷载：顶 板 =1.052.5+1.020=72.5/22、中板垂直荷载：中板 =1.08+1.04=12/
11、23、底板垂直荷载：底板 =1.0132.398=132.398/24、顶板侧向荷载：顶 板 =1.0(24.78+0)+1.09.44=34.22/25、底板侧向荷载：底板 =1.0(92.77+132.398)+1.09.44=234.608/26、顶纵梁荷载：顶板垂直荷载设计值： 顶 =(1.052.5+1.020)7=507.5/顶板自重：自重 =1.0250.87=140/顶纵梁承受的荷载：顶总 =507.5+140=647.5/7、中纵梁荷载：顶板垂直荷载设计值： 中 =(1.08+1.04)7=84/顶板自重： 自重 =1.0250.57=87.5/顶纵梁承受的荷载： 中 总 =
12、84+87.5=171.5/8、底纵梁荷载：10顶板垂直荷载设计值： 底 =1.0132.3987=926.786/顶板自重： 自重 =1.0250.757=131.25/顶纵梁承受的荷载： 底 总 =926.786-131.25=795.54/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：11图 3-1 结构模型图模型中各构件单元截面的尺寸特性如表 3-1：表 3-1 构件单元截面尺寸表截面面积（ ）/m2惯性矩/m 4 单元类型 材料顶板 10.80 0.04266667 Beam3 C30中板 10.5 0.01041667 Beam3
13、 C30底板 10.75 0.03515625 Beam3 C30侧墙 10.7 0.02858333 Beam3 C30中柱 0.70.8 0.02986667 Beam3 C40弹簧 10.5 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。12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。13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。14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。15图 3-5 基本组合横断面弯矩图3.3 标准组
14、合3.3.1 横断面变形图结构横断面变形图如图 3-6。16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。17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。18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。19图 3-9 标准组合横断面弯矩图20第四章 结构（墙、板、柱）配筋计算要进行结构断面配筋，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
15、顶板上缘 400.98 286.564 387.69 1000*800顶板下缘 350.032 286.564 387.69 1000*800中板上缘 237.73 1070 127.04 1000*500中板下缘 107.582 1070 127.04 1000*500底板上缘 413.691 1030 749.25 1000*750底板下缘 920 1030 749.25 1000*750负一层侧墙迎土面 436.101 549.017 302.663 1000*700负一层侧墙背土面 0 549.017 302.663 1000*700负二层侧墙迎土面 920 861.454 888.3
16、2 1000*700负二层侧墙背土面 694.113 861.454 888.32 1000*700负一层中柱 0 6489.86 0 800*700负二层中柱 0 8160 0 800*700顶纵梁上缘 4640 - 3530 1000*1800顶纵梁下缘 2410 - 3530 1000*1800中纵梁上缘 1300 - 1020 1000*1000中纵梁下缘 734.131 - 1020 1000*1000底纵梁上缘 2680 - 4200 1000*2100底纵梁下缘 5730 - 4200 1000*21004.1 车站顶板上缘的配筋计算截面尺寸 ， ，计算长度 ，=1000800=
17、50 0=7，弯矩设计值 ，轴力设计值0=80050=750 =400.98，混凝土等级 ， ， ，=286.564 30=14.3/2 =2.01/2采用三级钢筋（ ， ） 。=360/2 =2.0105/21、求偏心距210=400.981000286.564=1399.27附加偏心距：=max(20， 30)=26初始偏心距： =0+=1425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： =14250.30=225所以属于大偏心受压构件。3、求受压区钢筋面积 =+2=1425+8002 50=1775取 。则受压区钢筋面积：=0.518=120(10
18、.5)(0) =28656417751.014.3100075020.518(10.50.518)360(70050)=387.69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D10s 取 250mm236、裂缝宽度验算 0=1399.270.550=412.5根据混凝土结构设计规范 （GB50010-2002） ，当 时需要验0/00.55 算裂缝宽度。0=70.8=8.75=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 ，所以30 =1.0,属于一般梁=17401000=1.74=3530需要按计算配置箍筋。（3）设计箍筋六肢 箍筋（箍
19、筋直径满足最小直径要求）10=1=6113.1=47121.2500.70= 1.25174047136035300000.71.4310001740=206.2取 ，箍筋间距满足要求。=120= 4711000120=0.39%0.24=0.241.43360=0.095%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的纵向受拉钢筋配筋率：=0.5= 15079.20.51000800=0.0377按荷载效应的标准组合计算的弯矩： =2830钢筋混凝土构件受拉区纵向钢筋的应力：= 0.870= 283010000000.87174015079.2=123.977裂缝间纵向受拉钢筋
20、应变不均匀系数：29=1.10.65=1.1 0.652.010.0377123.977=0.820最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离： =40受拉区纵向钢筋的等效直径： =36所以最大裂缝宽度：=1.9(1.9+0.08)=1.90.820123.9772105(1.950+0.08 400.0377)=0.2750.3所以满足裂缝宽度。地铁结构其他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（30=14.3/2 =2.01/2， ） 。标准截面配筋计算详见表 4-=360/2 =2.0105/24。30表 4-4顶纵梁上 缘 顶纵梁下 缘 中纵梁上 缘
21、中纵梁下 缘 底纵梁上 缘 底纵梁下 缘尺寸 /1000*1800 1000*1800 1000*1000 1000*1000 1000*2100 1000*2101弯矩设计值 /() 4640 2410 1300 734.131 2680 5730 0.107 0.056 0.103 0.058 0.045 0.096相对受压区高度 0.114 0.057 0.109 0.059 0.046 0.101受拉钢筋面积/2 15079.2 4926 6158 2281 4926 12566数量及截面直径 12D40 8D28 10D28 8D20 8D28 10D40(%)0.83 0.27 0.49 0.25 0.23 0.59是否少筋或超筋 否 否 否 否 否 否剪力设计值 / 3530 3530 1020 1020 4200 42000.2506220.5 6220.5 3360.5 3360.5 7293 72930.701741.7 1741.7 940.9 940.9 2042.1 2042.1箍筋量 六肢D10120六肢D10120六肢D10120六肢D10120六肢D10120六肢D10120裂缝宽度验算 0.275 0.238 0.279 0.22 0.22 0.29
