1、.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 .目 录第一章 课程设计任务概述 .11.1 课程设计目的 11.2 设计规范及参考书 11.3 课程设计方案 11.3.1 方案概述 11.3.2 主要材料 31.4 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
2、，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，
3、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2/0mkN，中板人群与设备荷载分别取 、 。荷载组合按3/25mkNco 42/8k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 )
4、/(3mkN弹性反力系数 )/(mMPaK内摩擦角 /内聚力 )/(kPacA1 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 0.80.8B2 8 0.75 0.4 0.8 0.6 0.80.8B3 8 0.8 0.4 0.8 0.6
5、0.80.8B4 8 0.85 0.4 0.9 0.6 0.80.8B5 8.5 0.8 0.4 0.9 0.6 0.80.8B6 8.5 0.8 0.45 0.9 0.6 0.80.8B7 8.5 0.8 0.5 0.9 0.6 0.80.8B8 7.5 0.7 0.4 0.8 0.6 0.80.8B9 7.5 0.75 0.4 0.8 0.6 0.80.8B10 7.5 0.8 0.4 0.8 0.6 0.80.8（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） 1.40.7（1
6、.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
7、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
8、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 。12EA807=b70m2.1.2 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： ）m2.2 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： 120qkPa垂直土压力： 20.71935(21)70. ihkPa顶板的自重： 30.7. qka永久荷载控制时： 1234(+)1.58.67 qka可变荷载控制时： . 4P顶板垂直荷载设计值为： 867=.0 qk顶 板（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
9、成。 中板自重： 0.4251.0qkPa中永久荷载控制时： 8+34.728. kPa（ ）可变荷载控制时： . k中板垂直荷载设计值为： =21.50=.q中 板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： 24侧压力系数： tan(5)0.42侧墙顶板处土压力：永久荷载控制： 11.8.5 kPaeq顶 板可变荷载控制： 02461顶 板取顶板处土压力设计值为： 18.5 ekPa侧墙顶板处水压力：.标准值： 10.35. wqkPa设计值： 1473 侧墙底板处土压力：永久荷载控制： 2(+)(15.04+2.135)
10、0.4213.9 eqh kPa可变荷载控制： 2()() e k底板处土压力设计值为： 2139 ekPa侧墙底板处水压力：设计值： 20.7652.6 wqk标准值： 10Pa3、水浮力：设计值： 20.763512.6 wqk标准值： 10Pa2.2.1 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侧墙顶板处 侧墙底板处位置 顶板 中板 底板土压力 水压力 土压力 水压力荷载（ ）kPa（ ） 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
11、墙底板处.土压力 水压力 土压力 水压力荷载（ ）kPa（ ） 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0uANSYS10.0 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：3-14:图 3-1 基本组合变形图.图 3-2 轴
12、力图（单位： ）N.图 3-3 剪力图（单位： ）N图 3-4 弯矩图（单位： ）Nm在荷载标准值作用，如图 所示：3-58:.图 3-5 标准组合变形图图 3-6 轴力图（单位： ）N.图 3-7 剪力图（单位： ）N.图 3-8 弯矩图（单位： ）Nm3.2.2 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/ ()kNm轴力/ kN剪力/ kN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
13、 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负一层 357.4 646.74 485.38侧墙迎土面 负二层 982.47 815.43 936.51负一层 23.53 646.74 485.38侧墙背土面 负二层 543.30 815.43 936.51负一层 0 1035.8 0中柱 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/ ()kNm轴力/ kN剪力/ kN顶板上缘 445.16 269.69 395.65顶板下缘 276.88 26
14、9.69 395.65.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负一层 311.37 580.63 341.55侧墙迎土面 负二层 746.63 673.53 696.28负一层 15.68 580.63 341.55侧墙背土面 负二层 394.60 673.53 696.28负一层 0 722.47 0中柱 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
15、算截面尺寸 ， ， ，107bh50sam07560hm计算长度 ，弯矩设计值 ，轴力设计值0.lm8. MkN，混凝土等级 C30（ ， ） ，357.2 Nk 2143/cf 21.43/tfN采用 HRB400 钢筋（ ， ） 。 2360/yfm5.0sEm（1）配筋计算验算计算偏心距： 30/58.1/59.7163. eMN附加偏心距： ax(2,0)=2hm初始偏心距： 0637.+.ie由 0=1 195im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 0.518b且 7016519 22isheam则受压区钢筋面积： 2 103 22(.)57.91.430
16、65.18(0.518) =()40. .1400()sAbh 选用受拉钢筋 9C25（ ） 。2418sm 0.9.57sbh满足要求。（2）裂缝宽度验算由 需验算裂缝宽度。0 0165.4 .537.emhm0714.lh所以偏心距增大系数： 。.s轴向压力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离：0.51.065.470519.64 sseha m纵向受拉钢筋合力点至截面受压合力点的距离： 2 200.871.87012650.84 9.4zhe纵向受拉钢筋配筋率：.4180.130.5.7sstetAbh按荷载效应的标准组合计算的轴向力: 269.kN钢筋混凝土构件受拉区纵向钢筋的应力: 3
17、2()269.10(5.4.8)14.9 /86kssNez NmA 裂隙间纵向受拉钢筋应变不均匀系数： 0.650.52111. 0.4538.9tkesf最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离： 37. cm受拉区纵向钢筋的等效直径： 25eqdm所以最大裂缝宽度： max 51.9.08149225 . .370.8. 13032 eqsktwcEm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
18、底板下缘侧墙迎土面负一层侧墙背土面负一层/ sam50 50 50 50 50 50 50.0/ hm650 350 350 650 650 550 550e1006.13 219.12 32.77 299.93 1049.09 552.62 40.52 / a23.33 20 20 23.33 23.33 20 20i1027.80 239.12 52.77 323.26 1072.42 572.62 60.52 /0.3h 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
19、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0.5iseha1327.80 389.12 202.77 623.26 1372.42 822.62 310.52 sA-8538.6 -2802.9 -4442.1 -8034.1 -4786.0 -6268.71 -2530.11 minb1400 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 s1884 1206 1206 1884 1884 1527 1527s0.011 0.137 - 0.029 0.145 0.05
20、9 -0.011 0.148 0.572 0.029 0.153 0.061 0.566x7.15 51.8 200.2 18.85 99.42 33.55 311.30.5iseha727.80 89.12 - 23.26 772.42 322.62 - 与 比较2s 2sxas2sxas2sxas2sxaA1204.64 783.95 -7016.5 100.83 3294.13 1159.17 -611.19 选取受拉钢筋 6C20 6C16 6C16 6C22 9C28 6C20 6C20s1884 1206 1206 2281 5542 1884 18840.0027 0.0030
21、0.0030 0.0027 0.0079 0.0074 0.0031()/sAbh0.0054 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0/.5eh验算裂缝宽度。中板下缘： ；0/=37.1450.6.5eh底板上缘： ；9692侧墙背土面负一层： 0/.=.40.e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0e1650.64 1026.66 211.18 1072.31 536.26 585.87/
22、lh10.00 10.00 17.50 10.00 11.67 11.67s1 1 1.073 1 1 10.5sea1950.64 1326.66 376.59 1372.31 786.26 835.87/ zm556.84 546.78 268.22 548.00 446.21 449.92.tesAbh0.013 0.006 0.006 0.016 0.006 0.012(/) kN148.92 199.00 257.64 163.15 234.87 173.810.405 0.200 0.259 0.594 0.214 0.387/ c37.5 40 42 36 40 37.5eqdm
23、25 20 16 28 20 25裂缝宽度验算 ax/ w0.132 0.130 0.185 0.193 0.158 0.157备 注 1.当 时，取 ；当 时，取0.20.21.01.0由表中可得 ，裂缝宽度满足要求。max.4.2 中柱的配筋计算中柱尺寸 ，轴力设计值为 ，混凝土等级 C40，807106.8 kN， ，采用 HRB400 钢筋，219. /cfNm21./tfNm， 。36y 52/sE中柱的横截面的回转半径： 0.9/.560231iIAm由 ，应按长柱进行计算。0/.71/29.0528li ()cysNf式中 钢筋混凝土构件的稳定系数；，查混规线性插值，取0/671/09.586lb 0.984柱的配筋： 2/.10/(.9084)1.7639 036csyNfAA m 按构造配筋： 2min0.28701 sbhm纵筋选用 6C18， 。=15 sA配筋率： 满足要求。 max0.270.58s
