地下通道设计.doc

24 地下通道课程设计5/24/2012地地下混凝土课程设计题目：钢筋混凝土地下通道设计学院：土木工程班级：09级（11）班姓名：张逸帆学号：090997指导老师：柳献一、设计题目（1）设计任务1、将某浅埋地下通道结构进行结构设计。2、确定结构构件的截面尺寸。3、确定结构的计算简图。4、各构件的荷载、内力及配筋计算。5、手绘和计算机绘制结构配筋图。（2）基本资料某浅埋地下通道结构尺寸示意图如下所示。1、埋置深度：3.5m。2、地下水位：自然地面以下1.0m。3、土层：粉质粘土，重度、内摩擦角、粘聚力分别为1=18kN/m3，c1=10kN/m2，1=15。土层：淤泥质粘土，重度2=17kN/m3，计算时考虑内摩擦角和粘聚力分别在一定范围内变化：c2=1015kN/m2，2=815。4、土层厚度以埋置深度为界。5、地面超载：30kN/m2。6、水土压力分项系数：1.2。7、地面超载荷载分项系数：1.2。8、混凝土强度等级为C30；重度为25kN/m3 ；弹性模量为1.4104MPa；泊松比为0.167。9、钢筋等级为HPB335。10、地基变形模量为50MPa；泊松比为0.3。（3）计算假定1、结构刚度远大于地基土的刚度。2、不考虑结构侧向位移。3、计算时忽略加腋的影响。4、考虑荷载最不利组合。（4）参考规范1、混凝土结构设计规范GB50010-20102、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-20043、公路桥涵地基与基础设计规范JTGD63-20074、公路桥涵设计通用规范JTG D60-20045、建筑结构制图标准GBT501052001二、荷载计算（1）顶板荷载计算1、覆土压力：q土=ihi=181+18-102.5=38 kN/m22、水压力：q水=ihw=102.5=25 kN/m23、顶板自重： qG= d=250.6=15kN/m24、底面超载： q=30 kN/m2综上所述，q顶=1.238+25+15+30=129.6 kN/m2（2）板底荷载计算q底=q顶+1.2PL=129.6+1.2(20.6+0.4)135.425=149.54 kN/m2（3）地基反力计算地下通道结构刚度远大于地基土的刚度，故假定地基反力为直线分布。q反=q底+1.2d=167.54 kN/m2（4）侧墙荷载计算根据朗肯主动土压力计算方法，计算土中侧向土压力。并且用土水分算法，计算侧向水压力。1、侧向土压力主动土压力Pa=z+qka-2cka其中ka为主动土压力系数ka=tan2(45-2)顶板处土压力Pa1=z+qka-2cka=(181+82.5+70.3+30)ka-2cka =70.1ka-2cka底板处土压力Pa2=z+qka-2cka=(181+82.5+76.3+30)ka-2cka =112.1ka-2cka由于计算时，要考虑内摩擦角和粘聚力分别在一定范围内变化：c2=1015kN/m2，2=815，Ka=0.590.76（正切曲线在045内单调递增）考虑荷载的不利组合土压力与内摩擦角和粘聚力值有关，当使顶板跨中正弯矩最大：c、 值取大值，侧墙水土压力变小当使侧墙跨中正弯矩最大：c、 值取小值，侧墙水土压力变大即求上两式的最大与最小值的问题。当Ka=0.76，c2=10 kN/m2，2=8，主动土压力取最大值： 顶板处土压力Pa1=70.1ka-2cka=35.84 kN/m2 底板处土压力Pa2=112.1ka-2cka=67.76 kN/m2当Ka=0.59，c2=15 kN/m2，2=15，主动土压力取最小值： 顶板处土压力Pa1=70.1ka-2cka=18.32 kN/m2 底板处土压力Pa2=112.1ka-2cka=43.10 kN/m22、侧向水压力顶板处水压力Pw1=wh=0.7102.5=19.6 kN/m2底板处水压力Pw2=wh=0.7108.8=61.6 kN/m2综上所述,最小侧压力为： P侧1=1.2Pa1+Pw1=37.92 kN/m2P侧2=1.2Pa2+Pw2=104.7 kN/m2最大侧压力为： P侧1=1.2Pa1+Pw1=44.44 kN/m2P侧2=1.2Pa2+Pw2=129.36 kN/m2三、内力计算（1）弯矩分配法计算内力1、计算简图地下通道纵向较长，横向较短，结构所受荷载沿纵向的大小近于不变，故在不考虑结构纵向不均匀变形的情况下，将此结构按照平面应变问题处理。沿纵向取单位长度（1m）的截条，当做闭合框架计算，忽略加腋的影响。忽略中隔墙面积稍小于其他墙体，将杆件简化为等截面杆。同时，由于中隔墙刚度相对较小，侧向力并不十分大，认为中隔墙与上下板的连接方式为铰接，即只能承受轴力的二力杆。计算跨度取中轴线中心至中心距离。得，侧墙计算跨度6m，顶板与地板计算跨度为6.2m。在弯矩分配时，不考虑线位移的影响，所以除中隔墙之外所有构件EA认为无穷大，EI=1.410101120.631=252000 kNm2。对中隔墙，EI认为是0，EA=1.410100.61=8400000 kN。由荷载计算可见，顶板荷载和地基反力并不平衡，但由于侧壁摩阻力存在，使其保持平衡。所以在侧壁下设置活动铰支座。同时在中隔墙下，设置铰支座。运用结构力学求解器，其代码如下：设计人：张逸帆最小侧摩阻力：结点,1,-6.2,0结点,2,0,0结点,3,6.2,0结点,4,-6.2,6结点,5,0,6结点,6,6.2,6单元,1,2,1,1,1,1,1,1单元,2,3,1,1,1,1,1,1单元,1,4,1,1,1,1,1,1单元,4,5,1,1,1,1,1,1单元,5,6,1,1,1,1,1,1单元,6,3,1,1,1,1,1,1单元,2,5,1,1,0,1,1,0结点支承,1,1,0,0结点支承,3,3,0,0,0结点支承,2,1,0,0单元荷载2,4,5,3,129.6,0,1,90单元荷载2,1,2,-3,167.54,0,1,90单元荷载,3,5,104.7,37.92,0,1,90单元荷载,6,5,37.92,104.7,0,1,90单元材料性质,1,6,-1,252000,0,0,-1单元材料性质,7,7,8400000,1,0,0,-1最大侧摩阻力：结点,1,-6.2,0结点,2,0,0结点,3,6.2,0结点,4,-6.2,6结点,5,0,6结点,6,6.2,6单元,1,2,1,1,1,1,1,1单元,2,3,1,1,1,1,1,1单元,1,4,1,1,1,1,1,1单元,4,5,1,1,1,1,1,1单元,5,6,1,1,1,1,1,1单元,6,3,1,1,1,1,1,1单元,2,5,1,1,0,1,1,0结点支承,1,1,0,0结点支承,3,2,0,0,0结点支承,2,1,0,0单元荷载2,4,5,3,129.6,0,1,90单元荷载2,1,2,-3,167.54,0,1,90单元荷载,3,5,129.36,44.44,0,1,90单元荷载,6,5,44.44,129.36,0,1,90单元材料性质,1,6,-1,252000,0,0,-1单元材料性质,7,7,8400000,1,0,0,-1其计算简图如下：2、内力计算（最小侧压力）弯矩图剪力图轴力图3、内力计算（最大侧压力）弯矩图剪力图轴力图（2）弹性地基梁计算内力1、计算简图考虑到上部结构与土体共同工作。采用超静定结构的上部刚架结构与弹性地基梁底板作为基本结构。将上部结构与底板分开计算，再按照切口处反力或变形相等，用位移法或力法解出切口处的未知位移或未知力，并绘制出内力图。计算简图如下：（计算跨度、荷载同弯矩分配法计算简图）其结构力学求解器中代码如下：结点,1,-6.2,0结点,2,0,0结点,3,6.2,0结点,4,-6.2,6结点,5,0,6结点,6,6.2,6单元,1,4,1,1,1,1,1,1单元,4,5,1,1,1,1,1,1单元,5,6,1,1,1,1,1,1单元,6,3,1,1,1,1,1,1单元,2,5,1,1,0,1,1,0结点支承,1,4,0,0,0结点支承,3,4,0,0,0单元材料性质,1,4,-1,252000,0,0,-1单元材料性质,5,5,8400000,1,0,0,-12、内力计算该结构的力法方程式简化为：其中，ij的意义为j对应的单位力作用下引起i处的位移。包括两部分的位移，一是在上部刚架上，单位力j引起i处发生的位移ij；二是在单位力j作用下，考虑弹性地基引起的位移引起的i处发生的位移bij。即ij的表达式为：同理，ip也是有两部分组成。如下式，ip是上部刚架在外荷载作用下产生的位移（不包括底板）；而bip是底板按弹性地基梁在外荷载q作用下算出的对应于单位力i 的位移。即ip的表达式为：ij与ip的计算根据结构力学知识，ij与ip可通过图乘法计算。在X1作用下的弯矩图（X1=1）在X2作用下的弯矩图（X2=1）在外荷载作用下的弯矩图(由于侧壁弯矩很小，取最小侧压力，使顶板和底板弯矩最大进行验算)由X1作用下的弯矩图（X1=1）、X2作用下的弯矩图（X2=1）、外荷载作用下的弯矩图，经过图乘法的计算，得：11=3.76EI12=-2.34EI21=-2.34EI22=21.92EI1P=350.53EI2P=-14234EIbij的计算将底板看作弹性地基梁，其柔度指标：=4kb4EI其中，k为地基基床系数，根据基础工程设计原理表1-1 取k=5000KN/m3；b=1m；EI=1.410101120.631=252000 kNm2。因此，=4kb4EI=4150004252000=0.256则l=0.25613=3.328，按照基础工程设计原理中弹性地基梁的分类，按无限长梁计算。弯矩以顺时针方向为正，剪力以向下为正。X1对应的弹性地基梁（梁高0.6m）计算模型为：根据基础工程设计原理表3-4，在集中力偶作用下A点处转角及F点竖向位移为：A=4M03bkDxwf=-2M02bkCX其中Cx=e-x(cosx-sinx)，Dx=e-xcosx均为x的函数，其值可根据x的值按照基础工程设计原理中表3-5 取得。另外，统一刚度的单位，得bk=5000KN/m2=0.02EI。带入公式，得：A1=4M03bkDx=4-10.25630.02EI1+410.25630.02EI-0.036=-3.86EIwf1=-2M02bkCx=-210.25620.02EI-0.206-10.25620.02EI-0.206=2.7EIX2 对应的弹性地基梁（梁高0.6m）计算模型为：根据基础工程设计原理表3-4，在集中力作用下A点处转角及F点竖向位移为：A=-2P02bkAxwf=2P0bkDx其中Ax=e-x(cosx+sinx)，Dx=e-xsinx均为x的函数，其值可根据x的值按照基础工程设计原理中表3-5 取得。另外，统一刚度的单位，得bk=5000KN/m2=0.02EI。带入公式，得：A2=-2P02bkAx=-210.25620.02EI1=-7.02EIwf2=2P0bkDx=210.2560.02EI-0.015=-0.38EI外荷载对应的弹性地基梁（梁高0.6m）计算模型为：其中F=q底132=838.5 kN根据基础工程设计原理表3-4，在集中力作用下A点处转角及F点竖向位移为：A=-2P02bkAxwf=2P0bkDx其中Ax=e-x(cosx+sinx)，Dx=e-xsinx均为x的函数，其值可根据x的值按照基础工程设计原理中表3-5 取得。另外，统一刚度的单位，得bk=5000KN/m2=0.02EI。带入公式，得：A3=-2P02bkAx=-2838.50.26520.02EI1+838.50.26520.02EI-0.0419=-3421.14EIwf=2P0bkDx=2838.50.2650.02EI-0.015+838.50.2650.02EI-0.015=-666.61EI根据上述可求（注意到弯矩、轴向力符号均要改变）：b11=A1=-3.86EIb12=A2=-7.02EIb21=wf1=2.7EIb22=wf2=-0.38EIb1P=A3=-3421.14EIb2P=wf=-666.61EI由此可解出力法方程：解得：X1=287.5KNm；X2=520.1KN上部结构弯矩图如下：下部弹性地基梁受到弯矩和轴力的共同作用，根据基础工程设计原理表3-4，对于半无限长梁，在集中力作用下和弯矩作用下，其弯矩分别为：M集中=-P0BxM弯矩=M0Ax对于无限长梁，在集中力作用下，其弯矩为：M集中=-P04Cx经过计算，中隔墙下最不利弯矩为：Mmax=372.460.2650.1912-862.1140.2651=-277.31 KNm可以看到，相比起用弯矩分配法算得的弯矩，用弹性地基梁法计算的弯矩明显小。在底板的弯矩计算中，尤其的明显，中隔墙下弯矩只有弯矩分配法的一半左右。（3）设计弯矩、剪力、轴力考虑到安全因素，在计算设计弯矩、剪力、轴力，以及之后的配筋过程中，均按照弯矩分配法算得的内力进行计算。易知，最大弯矩均出现在中轴线处。然而，底板与顶板与侧墙与中隔墙现浇在一起。截面刚度相对较大，危险截面一般出现支座边缘。所以，要计算设计弯矩、剪力和轴力。1、顶板与侧墙交点（侧压力最大）：M上=MP-QPb2=-298.97+3750.3=-186.47 KNmM侧=MP-QPb2=-298.97+2050.3=-237.47 KNmQ上=QP-qb2=375.47-104.30.3=344.18 KNQ侧=QP-qb2=-205.03+37.920.3=-193.65 KN2、顶板与中隔墙交点（侧压力最小）：M上=MP-QPb2=-475.53+434.910.2=-388.55 KNmQ上=QP-qb2=434.91-104.30.2=414.05 KN3、底板与侧墙交点（侧压力最大）：M下=MP-QPb2=-377.73+480.920.3=-233.42 KNmM侧=MP-QPb2=-377.73+316.370.3=-282.82 KNmQ下=QP-qb2=-480.92+167.540.3=-430.66 KNQ侧=QP-qb2=316.37-129.360.3=230.09 KN4、底板与中隔墙交点（侧压力最小）：M底=MP-QPb2=-632.68+565.820.2=-519.52 KNmQ上底=QP-qb2=565.82-167.540.2=532.32 KN（4）抗浮验算取1m宽板带，进行验算。Q浮=gv=100010136.6=858 KNQ自重=gv=250010(130.62+5.40.62+5.40.41)=606 KNQ上覆土=gv=（18001+8002.5）13=494 KN所以：K=Q重Q浮=494+606858=1.281.1在安全范围内。四、配筋计算（1）材料参数根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004中规定：C30等级混凝土抗压强度设计值：fcd=13.8N/mm2C30等级混凝土抗拉强度设计值：ftd=1.39N/mm2HPB335等级钢筋强度设计值：fyd=280 N/mm2除中隔墙外均按照压弯构件进行配筋，中隔墙按照受压构件进行配筋。采用对称配筋的形式，示意图如下：（2）跨中正截面配筋计算（除中隔墙外）1、截面尺寸构件AB与CD长度为l=6.2m，构件AD长度为l=6 m。截面高度h600mm。截面宽度b1000mm，考虑到结构为地下建筑物，钢筋保护层厚度一般至少要增大10mm,取保护层厚度40mm，取as55mm。2、确定小偏心还是大偏心对于C30等级混凝土，HPB335等级钢筋，界限相对受压区高度b=0.56控制内力Nb=fcbh0b=13.810005450.56=4289KN在内力计算中得到的轴力都远小于控制内力，构件均认为是大偏心构件。要选取弯矩大而轴力小的情况进行验算。经比较，选出下列情况：对E点，M=249.98KNm；N=168.08KN对F点，M=52.94KNm；N=375.47KN对G点，M=316.34KNm；N=259.78KN3、配筋计算(采用对称配筋)根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范规范第5.3.10条规定，计算偏心受压构件正截面承载力时，对长细比l0/i17.5的构件，应考虑构件在弯矩作用平面内的挠曲对轴向力偏心距的影响，将轴向力对截面重心轴的偏心距e0乘以偏心距增大系数，相关公式如下：其中：e0=MN l0为构件计算长度，对两端固定的构件取0.5l。E截面e0=MN=249.98168.081000=1487.26mm由于l0i17.5，考虑放大系数：1=0.2+2.7e0h0=0.2+2.71487.265451，取12=1.5-0.01l0h0=1.5-0.0131005451，取1=1+11400e/h0(l0h)212=1+114001487.354531005452=1.01e=e0+h2-a=1.011487.4+272.5-55=1719.77mm由于x=Nfcb=16800013.81000=12.17mm17.5，考虑放大系数：1=0.2+2.7e0h0=0.2+2.7141545=0.892=1.5-0.01l0h0=1.5-0.0130005451，取1=1+11400e/h0(l0h)212=1+11400141545300054520.89=1.07e=e0+h2-a=1.07141+272.5-55=368.37mm由于x=Nfcb=37547013.81000=27.21mm2as=110mme=e-h0+as=368.37-545+550mmAs=As=Nefydh0-as17.5，考虑放大系数：1=0.2+2.7e0h0=0.2+2.71216.65451，取12=1.5-0.01l0h0=1.5-0.0131005451，取1=1+11400e/h0(l0h)212=1+114001216.654531005452=1.01e=e0+h2-a=1.011216.6+272.5-55=1466.3mm由于x=Nfcb=25978013.81000=18.82mm17.5的构件，应考虑构件在弯矩作用平面内的挠曲对轴向力偏心距的影响，将轴向力对截面重心轴的偏心距e0乘以偏心距增大系数，相关公式如下：其中：e0=MN l0为构件计算长度，对两端固定的构件取0.5l。BA截面e0=MN=388.55168.081000=2311.7mm由于l0i17.5，考虑放大系数：1=0.2+2.7e0h0=0.2+2.72311.75451，取12=1.5-0.01l0h0=1.5-0.0131005451，取1=1+11400e/h0(l0h)212=1+114002311.754531005452=1.01e=e0+h2-a=1.012311.7+272.5-55=2552.32mm由于x=Nfcb=16808013.81000=12.18mm17.5，考虑放大系数：1=0.2+2.7e0h0=0.2+2.71109.65451，取12=1.5-0.01l0h0=1.5-0.0131005451，取1=1+11400e/h0(l0h)212=1+114001109.654531005452=1.01e=e0+h2-a=1.011109.6+272.5-55=1338.196mm由于x=Nfcb=16808013.81000=12.18mm17.5，考虑放大系数：1=0.2+2.7e0h0=0.2+2.7643.65451，取12=1.5-0.01l0h0=1.5-0.0130005451，取1=1+11400e/h0(l0h)212=1+11400643.654530005452=1.02e=e0+h2-a=1.02643.6+272.5-55=873.97mm由于x=Nfcb=368.6113.81000=26.67mm17.5，考虑放大系数：1=0.2+2.7e0h0=0.2+2.77695451，取12=1.5-0.01l0h0=1.5-0.0130005451，取1=1+11400e/h0(l0h)212=1+1140076954530005452=1.02e=e0+h2-a=1.02769+272.5-55=1001.9mm由于x=Nfcb=368.6113.81000=26.67mm17.5，考虑放大系数：1=0.2+2.7e0h0=0.2+2.7898.55451，取12=1.5-0.01l0h0=1.5-0.0131005451，取1=1+11400e/h0(l0h)212=1+11400898.554531005452=1.01e=e0+h2-a=1.01898.5+272.5-55=1124.98mm由于x=Nfcb=25978013.81000=18.82mm17.5，考虑放大系数：1=0.2+2.7e0h0=0.2+2.71997.85451，取12=1.5-0.01l0h0=1.5-0.0131005451，取1=1+11400e/h0(l0h)212=1+114001997.854531005452=1.01e=e0+h2-a=1.011997.8+272.5-55