课程设计-地铁车站主体结构设计（地下矩形框架结构）.docx

资源描述

课程设计-地铁车站主体结构设计（地下矩形框架结构）.docx

《课程设计-地铁车站主体结构设计（地下矩形框架结构）.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《课程设计-地铁车站主体结构设计（地下矩形框架结构）.docx（28页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

课程设计-地铁车站主体结构设计（地下矩形框架结构）.docx

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

第一章课程设计任务概述 2

1.1课程设计目的 2

1.2设计规范及参考书 2

1.3课程设计方案 2

1.4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 5

2.1平面结构计算简图 5

2.2.荷载计算 5

2.3荷载组合 6

第三章结构内力计算 10

3.1 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：

3.2 基本组合 10

3.2标准组合 13

第四章结构（墙、板、柱）配筋计算 16

4.1车站顶板上缘的配筋计算 16

4.2负一层中柱配筋计算 21

4.3顶纵梁上缘的配筋计算 22

4.4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：

1000mm×1800mm（宽×高）；中纵梁尺寸：

1000mm×1000mm（宽×高）；底纵梁尺寸：

1000mm×2100mm（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

弹性反力系数

内摩擦角

内聚力

17.5

250

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

0.8

0.5

0.75

0.7

0.8×0.7

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）

1.4×0.7

标准组合

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。

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2-1

2.2.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：

q1=20kPa

垂直土压力由公式q2=γihi,可得q2=17.5×3=52.5kN/m3

2、中板垂直荷载：

中板人群荷载：

q3=4kN/m2

设备荷载：

q4=8kN/m2

3、底板垂直荷载：

底板处水浮力：

q5=9.8×13.51=132.398kN/m2

2.2.2侧向荷载

1、侧向土压力：

土的浮重度γ'=γsat-γw=17.5+3-9.8=10.7kN/m3

侧向压力系数λ=tan245°-φ2=tan245°-21°2=0.472

土压力在顶板产生的侧向土压力：

e1=0.472×52.5=24.78kN/m2

土压力在底板产生的侧向土压力：

e2=0.472×52.5+10.7×13.51=92.77kN/m2

路面荷载在顶板产生的侧向压力e3=0.472×20=9.44kN/m2

路面荷载在底板产生的侧向压力e4=0.472×20=9.44kN/m2

2、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：

e5=9.8×13.51=132.398kN/m2

2.3荷载组合

2.3.1基本组合

1、顶板垂直荷载：

q顶板=1.35×52.5+1.4×0.7×20=90.475kN/m2

2、中板垂直荷载：

q中板=1.35×8+1.4×0.7×4=14.72kN/m2

3、底板垂直荷载：

q底板=1.35×132.398=178.737kN/m2

4、顶板侧向荷载：

e顶板=1.35×24.78+0+1.4×0.7×9.44=42.704kN/m2

5、底板侧向荷载：

e底板=1.35×92.77+132.398+1.4×0.7×9.44=313.228kN/m2

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：

q顶=（1.35×52.5+1.4×0.7×20）×7=633.325kN/m

顶板自重：

q自重=1.35×25×0.8×7=189kN/m

顶纵梁承受的荷载：

q顶总=633.325+189=822.325kN/m

7、中纵梁荷载：

顶板垂直荷载设计值：

q中=（1.35×8+1.4×0.7×4）×7=103.04kN/m

顶板自重：

q自重=1.35×25×0.5×7=118.125kN/m

顶纵梁承受的荷载：

q中总=103.04+118.125=221.165kN/m

8、底纵梁荷载：

顶板垂直荷载设计值：

q底=1.35×132.398×7=1251.161kN/m

顶板自重：

q自重=1.0×25×0.75×7=131.25kN/m

顶纵梁承受的荷载：

q底总=1251.161-131.25=1119.91kN/m

2.3.2标准组合

1、顶板垂直荷载：

q顶板=1.0×52.5+1.0×20=72.5KN/m2

2、中板垂直荷载：

q中板=1.0×8+1.0×4=12KN/m2

3、底板垂直荷载：

q底板=1.0×132.398=132.398kN/m2

4、顶板侧向荷载：

e顶板=1.0×24.78+0+1.0×9.44=34.22KN/m2

5、底板侧向荷载：

e底板=1.0×92.77+132.398+1.0×9.44=234.608kN/m2

6、顶纵梁荷载：

顶板垂直荷载设计值：

q顶=（1.0×52.5+1.0×20）×7=507.5kN/m

顶板自重：

q自重=1.0×25×0.8×7=140kN/m

顶纵梁承受的荷载：

q顶总=507.5+140=647.5kN/m

7、中纵梁荷载：

顶板垂直荷载设计值：

q中=（1.0×8+1.0×4）×7=84kN/m

顶板自重：

q自重=1.0×25×0.5×7=87.5kN/m

顶纵梁承受的荷载：

q中总=84+87.5=171.5kN/m

8、底纵梁荷载：

顶板垂直荷载设计值：

q底=1.0×132.398×7=926.786kN/m

顶板自重：

q自重=1.0×25×0.75×7=131.25kN/m

顶纵梁承受的荷载：

q底总=926.786-131.25=795.54kN/m

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（b×h）/m2

惯性矩/m4

单元类型

材料

顶板

1×0.80

0.04266667

Beam3

C30

中板

1×0.5

0.01041667

Beam3

C30

底板

1×0.75

0.03515625

Beam3

C30

侧墙

1×0.7

0.02858333

Beam3

C30

中柱

0.7×0.8

0.02986667

Beam3

C40

弹簧

1×0.5

——

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。

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

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

549.017

302.663

1000*700

负二层侧墙迎土面

920

861.454

888.32

1000*700

负二层侧墙背土面

694.113

861.454

888.32

1000*700

负一层中柱

6489.86

800*700

负二层中柱

8160

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*2100

4.1车站顶板上缘的配筋计算

截面尺寸b×h=1000×800，αs=αs‘=50mm，计算长度l0=7m，h0=800-50=750mm，弯矩设计值M=400.98kN∙m，轴力设计值N=286.564kN∙m，混凝土等级C30，fc=14.3N/mm2，ftk=2.01N/mm2，采用三级钢筋（fy=fy'=360N/mm2，Es=2.0×105N/mm2）。

1、求偏心距

e0=MN=400.98×1000286.564=1399.27mm

附加偏心距：

ea=max20mm，h30=26mm

初始偏心距：

ei=e0+ea=1425mm

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：

ei=1425mm>0.3h0=225mm

所以属于大偏心受压构件。

3、求受压区钢筋面积As'

e=ei+h2-as=1425+8002-50=1775mm

取ξ=ξb=0.518。

则受压区钢筋面积：

As'=Ne-α1fcbh02ξb1-0.5ξbfy'h0-as'=286564×1775-1.0×14.3×1000×7502×0.518×（1-0.5×0.518）360×（700-50）<0

ρmin=max0.2%，0.45ftfy×100%=0.2%

取AS'=ρminbh=0.002×1000×800=1600mm2。

选用7Φ20（As'=2199mm2）。

4、求受拉钢筋面积As

受压区高度：

x=h-h02-2[Ne-fy'As'h0-αs]fcb

=750-7502-2[286564×1775-360×1600×（750-50）14.3×1000

=9.75

x=9.75mm<2as'=100mm

则受拉区钢筋面积：

As=Ne'fy（h0-as'）

e'=ei-h2+as'=1425-8002+50=1075mm

故

As=286564×1075360×（750-50）=1222.4mm2<ρminbh=1600mm2

取As=ρminbh=0.002×1000×750=1600mm2。

选用7Φ20（As=2199mm2）。

ξ=Asbh×fyfc=21991000×750×36014.3=0.074<ξb=0.518

所以非超筋。

5、箍筋计算

（1）验算限制条件

混凝土等级为C30，所以

βc=1.0

hwb=7501000=0.75<4,属于一般梁

0.25βcfcbh0=0.25×1.0×14.3×1000×750=2681.25kN

V=387.69kN<0.25βcfcbh0

所以，非斜压破坏。

（2）、检查是否需要按计算配置箍筋

顶板承受均布荷载，则λ=1.5，轴力N=286.564kN

1.75λ+1ftbh0=1.751.5+1×1.43×1000×750

=750.75kN>V=387.69kN

只需要构造配筋

按构造进行配筋，选取六肢D10箍筋（箍筋直径满足最小直径要求），间距s取250mm

6、裂缝宽度验算

e0=1399.27mm>0.55h0=412.5mm

根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002），当e0/h0>0.55时需要验算裂缝宽度。

l0h=70.8=8.75<14

所以使用阶段的轴向压力偏心距增大系数ηs=1.0。

轴向压力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离：

e=ηse0+h2-as=1.0×1399.27+8002-50=1749.27mm

纵向受拉钢筋合力点至截面受压合力点的距离：

z=0.87-0.12h0e2h0

=0.87-0.12×7501749.272×750=635.96mm

按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率：

ρte=As0.5bh=21990.5×1000×800=0.00549

按荷载效应的标准组合计算的轴向力：

NK=260.776kN

钢筋混凝土构件受拉区纵向钢筋的应力：

σsk=NK（e-z）Asz=260776×（1749.27-635.96）2199×635.96=207.6N/mm2

裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数：

ϕ=1.1-0.65ftkρteσsk=1.1-0.65×2.010.00549×207.6=-0.046<0.2

故取ϕ=0.2。

最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离c=50mm。

受拉区纵向钢筋的等效直径deq=20mm。

故最大裂缝宽度：

ωmax=1.9ϕσskEs1.9c+0.08deqρte

=1.9×0.2×207.62.0×1051.9×50+0.08×200.00549=0.145<0.2mm

故满足裂缝宽度。

地铁结构其他截面位置配筋过程同顶板上缘类似，均选取混凝土等级C30，fc=14.3N/mm2，ftk=2.01N/mm2，采用三级钢筋（fy=fy'=360N/mm2，Es=2.0×105N/mm2）。

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b×h/mm

1000*800

1000*500

1000*750

弯矩设计值/（kN∙m）

400.98

350.032

237.73

107.582

413.691

920

轴力设计值/kN

286.564

1070

749.25

偏心距e0/mm

1399.27

1221.479

222.176

100.54

552.14

1227.895

偏心距增大系数η

判断大小偏心受压

大偏心

小偏心

大偏心

受压钢筋面积As/mm2

2199

1272

1884

1520

数量及截面直径/mm

7D20

5D18

6D20

4D22

受拉钢筋面积As'/mm2

2199

1272

1884

7125

数量及截面直径/mm

7D20

5D18

6D20

7D36

剪力设计值/kN

387.69

127.04

749.25

0.25βcfcbh0

2681.25

1608.75

2502.5

1.75λ+1ftbh0+0.07N

750.75

450.45

700.7

如何配筋

构造

箍筋量

六肢D10@250

裂缝宽度验算

0.145

0.123

0.127

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b×h/mm

1000*700

弯矩设计值/（kN∙m）

436.101

920

694.113

轴力设计值/kN

302.663

888.32

偏心距e0/mm

1440.88

1035.663

730.72

偏心距增大系数η

判断大小偏心受压

大偏心

小偏心

大偏心

受压钢筋面积As/mm2

1608

1884

1520

数量及截面直径/mm

8D16

6D20

4D22

受拉钢筋面积As'/mm2

6434

4310

6434

4310

数量及截面直径/mm

8D32

7D28

8D32

7D28

剪力设计值/kN

302.663

888.32

0.25βcfcbh0

2323.75

1.75λ+1ftbh0+0.07N

650.65

如何配筋

构造

计算配筋

箍筋量

六肢

D10@250

六肢

D10@250

六肢

D10@250

六肢

D10@250

裂缝宽度验算

0.2

不需要

0.192

0.194

表4-3

4.2负一层中柱配筋计算

4.2.1负一层中柱

中柱尺寸800×700，轴力设计值N=6489.86kN，混凝土等级C40，fc=19.1N/mm2，ftk=2.39N/mm2,采用三级钢筋（fy=fy'=360N/mm2，Es=2.0×105N/mm2）。

N≤0.9φ（fcA+fy'As'）

式中，N---轴向压力设计值（N）;

Φ---钢筋混凝土构件的稳定系数

fc---混凝土轴心抗压强度设计值（N/mm2）

A---构件截面面积（mm2）

As‘---全部纵向钢筋的截面面积（mm2）

l0b=4550800=5.69

故取φ=1。

因此柱的配筋：

As'=N0.9φ-fcAfy'=64898600.9-19.1×800×700360<0

故采用构造配筋：

As'=ρminbh=0.002×800×700=1120mm2

纵筋选用4根20（As'=1256mm2）。

箍筋选用10间距250

配筋率验算：

ρ'=As'A=1256800×700=0.224%<ρmax'=5%

4.2.2负二层中柱

中柱尺寸800×7

展开阅读全文