地下工程课程设计-地下矩形框架结构-

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: 班级: 学生姓名： 学生学号: 指导教师: 20120249 土木工程学院 十木2012-7班 陈铁卫 孙克匡第一章课程设计任务概述0 1.1 课程设计目的0. 1.2 设计规范及参考书0. 1.3 课程设计方案0. 1.3.1 方案概述0. 1.3.2 主要材料2. 1.4 课程设计基本流程2. 第二章平面结构计算简图及荷载计算4 第三章结构内力计算7 第四章结构（墙、板、柱）配筋计算13第一章课程设计任务概述 3.1 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“荷载一结构”

2、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。 3.2 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） 3.3 课程设计方案 3.3.1 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，

3、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20kN/m2,钢筋混凝土重度co25kN/m3,中板人群与设备荷载分别取4kN/m2、8kN/m2。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。 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 R 重度/(kN/m3) 弹性反力系数 K

4、/(MPa/m) 内摩擦角/ 内聚力c/(kPa) A1 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 R 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 0.8X0.8 B2 8 0.75 0.4 0.8 0.6 0.8X0.8 B3 8 0.8 0.4 0.8 0.6 0.8X0.8 B4 8

5、0.85 0.4 0.9 0.6 0.8X0.8 B5 8.5 0.8 0.4 0.9 0.6 0.8X0.8 B6 8.5 0.8 0.45 0.9 0.6 0.8X0.8 B7 8.5 0.8 0.5 0.9 0.6 0.8X0.8 B8 7.5 0.7 0.4 0.8 0.6 0.8X0.8 B9 7.5 0.75 0.4 0.8 0.6 0.8X0.8 B10 7.5 0.8 0.4 0.8 0.6 0.8X0.8 （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 口变荷载系数 基本组合 1.35(1.2) 1.4X0.7(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。 3.3.2 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。 3.4 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

7、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 平面结构计算简图 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EAiEA2, 即800700=8000b,得b70mm。 计算简图 计算简图取中心线，如图2-1所示。 0二七 T-. g 7。网 L) L%仞 图2-1平面结构计算图(单位：mm) 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：q120kPa 垂直土压力：q2八193.507(2210)70.7kPa 2 顶板的自重：q30.72517.5kPa 永久荷载控制时：qqi1.40.7(q2+q3)1.35138.67kPa 可变荷载控制时：qq11.4(q2+q3)1.2133.

9、84kPa 顶板垂直荷载设计值为：q顶板138.671.3517.5=115.04kPa (2)中板垂直荷载： 中板垂直荷载由人群及设备荷载、中板自重组成。 中板自重：q中0.42510.00kPa 永久荷载控制时：q(8+10)1.35+1.40.7428.22kPa 可变荷载控制时：q181.2+1.4427.2kPa 中板垂直荷载设计值为：q中板=28.221.3510=14.72kPa 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：tan2(45；-)0.422 2 侧墙顶板处土压力： 永久荷载控

10、制：eq顶板115.040.42248.55kPa 可变荷载控制：e,q顶板110.220.42246.51kPa 取顶板处土压力设计值为：e48.55kPa 侧墙顶板处水压力： 标准值：qW1100.353.5kPa 设计化qw1100.351.354.73kPa 侧墙底板处土压力： 永久荷载控制： e2(q+h)(115.04+1212.411.35)0.422133.39kPa 可变荷载控制: e(q+h)(1212.411,2110.22)0,422121.93kPa 底板处土压力设计值为：e133.39kPa 侧墙底板处水压力： 设计化qw21012.761.35172.26kPa

11、标准化qw212,7610127.60kPa 3、水浮力： 设计化qw21012.761.35172.26kPa 标准化qw21012.76127.60kPa 2.2.1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 a 顶板 中板 底板 侧墙顶板处 侧墙底板处 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 顶板 中板 底板 侧墙顶板处 侧墙底板处 土压力 水压力 土压力 水压力 (kPa) 90.7 12 -127.60 38.28 3

12、.5 101.12 127.60 作用在主体结构上的荷载如图2-2所示72.26 133.39k?a 一 mw 13X39皿 48.55klVm *1.i- 二 11MlL .LLLLLJ_JJJJ r 二1=-处,5训也 小 喟I F，一 F 二 172.26k?d 图2-2荷载计算简图第三章结构内力计算 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u0。使用 ANSYS10.0计算主体结构横断面的内力。 计算结果 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3-1

13、、3-4所示： DZSPLkDZSPLkCEZENTCEZENT S：E.F-13UH=工 TTtE=lTTtE=lDEXDEX- -.007145.007145 图3-1基本组合变形图AN OZIOZI320142014 图3-2轴力图（单位：N） - -5350153501- -5202752027- -101056312167101056312167 - -72E3S972E3S9- -31216713405652027B31216713405652027BOCT3201421;D3 LU-IESTRESS STEP-L -门29 LD-IESTRESS 728389728389 93C

14、50193C501 图3-4弯矩图（单位: 在荷载标准值作用，如图3-53-8所示: DLFLEEHE!JT srsr-i5TJ3=4TIX=1 瓯-.C0555 _ 一- - J 乂 _ _/ ,/ - LIKEETOESS jrm卜工 S7EP-1ara也 TIMEl MI HIW=W2471 ELEM=110 MD(=922471 ELEM=219 982471 -1031633279C 1O91C3 图3-6轴力图（单位：N） AN srr?-i TLXE-i酊NJ HUH=-S(EE63ELEXZ HML=-20.3h0195mm 初步判断为大偏心受压构件。 为充分利用受压区混凝土的

15、抗压强度，设b0.518 且eehas1661700501991mm22 则受压区钢筋面积： 屋NeKbb(1.00.5b) Asr八、 fy(has) _357.52103419911.014.3100065020.518(10.50.518) -360(65050) 2 7490.54mm0无需设置受压钢筋，按构造配筋。 按最小配筋率设置受压钢筋， 2 Aminbh0.00210007001400mm2。 选用6c20钢筋(As1884mm2) 轴向压力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离: ese00.5has1.01650.640.5 纵向受拉钢筋合力点至截面受压合力点的距离: 纵向受拉钢

16、筋配筋率: te 0NefyAsh0as1.0357.5210319913601884(65050) ifcbho 1.014.310006502 0.049 1120.0490.05b 受压区高度xh0 0.56532.5mm0.002bh1400mm 选用受拉钢筋 2 9C25(As4418mm)。 才两足要求。 AsA bh 44181884 0.0090.0055 1000700 (2)裂缝宽度验算 eo 1650.64mm0.55h0357.5mm 需验算裂缝宽度。 l0 h 7.0 1014 0.7 所以偏心距增大系数: s1.0。 700501950.64mm 2 z0.870.

17、12h0h0 e 0.870.12 650 1950.64 2 650556.84mm 按荷载效应的标准组合计算的轴向力：Nk269.69kNAsAs Ae0.5bh 4418 0.51000700 0.013 钢筋混凝土构件受拉区纵向钢筋的应力： Nk(ez)269.69103(1950.64556.84)2 sk1148.92N/mm AsZ4418556.84 裂隙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的距离：c37.5mm 受拉区纵向钢筋的等效直径：deq25mmq 所以最大裂缝宽度： skdeq Wmax1.9上1.9c0.08一 Este 148.92

18、25 1.90.40551.937.50.08 2.01050.013 0.132mm0.2mm 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 顶板 下缘 中板 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 ,asas/mm 50 50 50 50 50 50 50 h0/mm 650 350 350 650 650 550 550 e0/mm 1006.13 219.12 32.77 299.93 1049.

19、09 552.62 40.52 ea/mma 23.33 20 20 23.33 23.33 20 20 ei/mm 1027.80 239.12 52.77 323.26 1072.42 572.62 60.52 0.3h0/mm 195 105 105 195 195 165 165 1.1 0.65ftk 1.1 tesk 0.652.01 0.013148.92 0.405 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 顶板 下缘 中板 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 ee0.5has 1327.80 389.

20、12 202.77 623.26 1372.42 822.62 310.52 ( As -8538.6 -2802.9 -4442.1 -8034.1 -4786.0 -6268.71 -2530.11 minbh 1400 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As 1884 1206 1206 1884 1884 1527 1527 s 0.011 0.137 0.029 0.145 0.059 0.011 0.148 0.572 0.029 0.153 0.061 0.566

21、 x 7.15 51.8 200.2 18.85 99.42 33.55 311.3 一 ee0.5has 727.80 89.12 23.26 772.42 322.62 - x与2as比较 x2as 一 x2as 一 x2as x2as x2as x2as 一 x2as As 1204.64 783.95 -7016.5 100.83 3294.13 1159.17 -611.19 选取受拉钢筋 6C20 6C16 6C16 6C22 9C28 6C20 6C20 As 1884 1206 1206 2281 5542 1884 1884 0.0027 0.0030 0.0030 0.00

22、27 0.0079 0.0074 0.0031 (AsAs)/bh 0.0054 0.0060 0.0060 0.0054 0.0106 0.00099 0.0057 根据混凝土结构设计规范(GB50010-2010),如果e0/h00.55,可不验算裂缝宽度。 中板下缘：e0/h0=37.14350=0.1060.55; 底板上缘：e0/h0=319.6650=0.4920.55; 侧墙背土面负一层：e0/h0=27.01600=0.0450.55 不需进行裂缝宽度验算 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 60 1650.64 1026.66 211.18 1072.31 536.26 585.87 l0/h 10.00 10.00 17.50 10.00 11.67 11.67 s 1 1 1.073 1 1 1 ee0.5has 1950.64 1326.66 376.59 1372.31 786.26 835