地铁车站主体结构设计

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21.3 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24第一章 课程设

2、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

3、）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：1000

4、mm×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17.525021-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70.80.50.750.70.8

5、×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1.01.0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

6、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2-12.2.荷载计算2.2.1垂

7、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=ihi , 可得q2=17.5×3=52.5kN/m32、中板垂直荷载：中板人群荷载：q3=4kN/m2设备荷载：q4=8kN/m23、底板垂直荷载：底板处水浮力：q5=9.8×13.51=132.398kN/m22.2.2侧向荷载1、侧向土压力：土的浮重度'=sat-w=17.5+3-9.8=10.7kN/m3侧向压力系数=tan245°-2=tan245°-21°2=0.472土压力在顶板产生的侧向土压力：e1=0.472

8、×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/m22、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/m22.3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/m22、中

9、板垂直荷载： q中板=1.35×8+1.4×0.7×4=14.72kN/m23、底板垂直荷载：q底板=1.35×132.398=178.737kN/m24、顶板侧向荷载：e顶板=1.35×24.78+0+1.4×0.7×9.44=42.704kN/m25、底板侧向荷载：e底板=1.35×92.77+132.398+1.4×0.7×9.44=313.228kN/m26、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

10、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/m7、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=22

11、1.165kN/m8、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/m2.3.2 标准组合1、顶板垂直荷载：q顶板=1.0×52.5+1.0×20=72.5KN/m22、中板垂直荷载：q中板=1.0×8+1.0×4=12KN/m23、底板垂直荷载：q底板=1.0×132.398=132.398kN/m24、顶

12、板侧向荷载： e顶板=1.0×24.78+0+1.0×9.44=34.22KN/m25、底板侧向荷载：e底板=1.0×92.77+132.398+1.0×9.44=234.608kN/m26、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/m7、中纵梁荷载：顶板垂直荷载设计值：q中=(1.0×8+1.0×4

13、)×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/m8、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

14、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1×0.800.04266667Beam3C30中板1×0.50.01041667Beam3C30底板1×0.750.03515625Beam3C30侧墙1×0.70.02858333Beam3C30中柱0.7×0.80.02986667Beam3C40弹簧1×0.5Link10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

15、。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

16、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400.98286.564387.691000*800顶板下缘350.032286.564387.691000*800中板上缘237.731070127.041000*500中板下缘107.5821070127.041000*500底板上缘413.6911030749.251000*750底板下缘9201030749.251000*750负一层侧墙迎土面436.101549.017302.6631000*700负一层侧墙背土面05

17、49.017302.6631000*700负二层侧墙迎土面920861.454888.321000*700负二层侧墙背土面694.113861.454888.321000*700负一层中柱06489.860800*700负二层中柱081600800*700顶纵梁上缘4640-35301000*1800顶纵梁下缘2410-35301000*1800中纵梁上缘1300-10201000*1000中纵梁下缘734.131-10201000*1000底纵梁上缘2680-42001000*2100底纵梁下缘5730-42001000*21004.1 车站顶板上缘的配筋计算 截面尺寸b×h=10

18、00×800，s=s=50mm，计算长度l0=7m，h0=800-50=750mm，弯矩设计值M=400.98kNm，轴力设计值N=286.564kNm，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：e

19、i=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=b=0.518。则受压区钢筋面积： As'=Ne-1fcbh02b1-0.5bfy'h0-as'=286564×1775-1.0×14.3×1000×7502×0.518×(1-0.5×0.518)360×(700-50)<0min=max0.2%，0.45ftfy×100%=0.2%取AS'=minb

20、h=0.002×1000×800=1600mm2。选用720（As'=2199mm2）。4、求受拉钢筋面积As受压区高度： x=h-h02-2Ne-fy'As'h0-sfcb =750-7502-2286564×1775-360×1600×(750-50)14.3×1000 =9.75x=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×

21、1075360×(750-50)=1222.4mm2<minbh=1600mm2取As=minbh=0.002×1000×750=1600mm2。选用720（As=2199mm2）。=Asbh×fyfc=21991000×750×36014.3=0.074<b=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c=1.0hwb=7501000=0.75<4,属于一般梁0.25cfcbh0=0.25×1.0×14.3×1000×750=2681.25kN

22、V=387.69kN<0.25cfcbh0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=1.5，轴力N=286.564 kN 1.75+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250mm6、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

23、=8.75<14所以使用阶段的轴向压力偏心距增大系数s=1.0。轴向压力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离：e=se0+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：te=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

24、的应力：sk=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：=1.1-0.65ftktesk=1.1-0.65×2.010.00549×207.6=-0.046<0.2故取=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： max=1.9skEs1.9c+0.08deqte =1.9×0.2×207.62.0×1051.9×50+0.08

25、×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/mm1000*8001000*8001000*5001000*5001000*7501000*750弯矩设计值/(kNm)400.98350.032237.73107.582413.691920

26、轴力设计值/kN286.564286.56410701070749.25749.25偏心距e0/mm1399.271221.479222.176100.54552.141227.895偏心距增大系数111111判断大小偏心受压大偏心大偏心大偏心小偏心大偏心大偏心受压钢筋面积As/mm2219921991272127218841520数量及截面直径/mm7D207D205D185D186D204D22受拉钢筋面积As'/mm2219921991272127218847125数量及截面直径/mm7D207D205D185D186D207D36剪力设计值/kN387.69387.69127.

27、04127.04749.25749.250.25cfcbh02681.252681.251608.751608.752502.52502.51.75+1ftbh0+0.07N750.75750.75450.45450.45700.7700.7如何配筋构造构造构造构造构造构造箍筋量六肢D10250六肢D10250六肢D10250六肢D10250六肢D10250六肢D10250裂缝宽度验算0.1450.1230.127不需要不需要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/mm1000*7001000*7001000*7001000*7

28、00弯矩设计值/(kNm)436.1010920694.113轴力设计值/kN302.663302.663888.32888.32偏心距e0/mm1440.8801035.663730.72偏心距增大系数1111判断大小偏心受压大偏心小偏心大偏心大偏心受压钢筋面积As/mm21608188415201520数量及截面直径/mm8D166D204D224D22受拉钢筋面积As'/mm26434431064344310数量及截面直径/mm8D327D288D327D28剪力设计值/kN302.663302.663888.32888.320.25cfcbh02323.752323.75232

29、3.752323.751.75+1ftbh0+0.07N650.65650.65650.65650.65如何配筋构造构造计算配筋计算配筋箍筋量六肢 D10250六肢 D10250六肢D10250六肢D10250裂缝宽度验算0.2不需要0.1920.194表4-34.2 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）。N0.9（fcA+fy'As')式中

30、，N-轴向压力设计值（N）; -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=1。因此柱的配筋：As'=N0.9-fcAfy'=64898600.9-19.1×800×700360<0故采用构造配筋：As'=minbh=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：'=As'A=1256800

31、15;700=0.224%<max'=5%4.2.2 负二层中柱 中柱尺寸800×700，轴力设计值N=8160kN，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）。配筋计算过程同负一层中柱配筋。纵筋选用4根20（As'=1256mm2）。箍筋选用 六肢102504.3 顶纵梁上缘的配筋计算纵梁上缘b×h=1000×1800,弯矩设计值M=4640kNm，混凝土等级C30，fc=14.3N/mm2，ftk=2.01N/mm

32、2,采用三级钢筋（fy=fy'=360N/mm2，Es=2.0×105N/mm2）。 1=1.0，1=0.8。1、纵筋计算假定受拉钢筋放2排，设s=60mm，则h0=h-s=1800-80=1740mm。s=M1fcbh2=4640×1061×14.3×1000×17402=0.107=1-1-2s=0.114<b=0.55故可以按照单筋截面配筋。则 s=0.5×1+1-2s=0.943As=Mfysh0=4640×106360×0.944×1740=7853选用1240（As=1507.9

33、2）=Asbh×fyfc=15079.21000×1800×36014.3=0.211<b=0.544所以非超筋。 =Asbh=15079.21000×1800=0.838%>min=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C30，所以c=1.0hwb=17401000=1.74<4,属于一般梁0.25cfcbh0=0.25×1.0×14.3×1000×1740=6220.5kNV=3530kN<0.25cfcbh0所以，非斜压破坏。（2）、检查是否需要按计算配置箍筋顶

34、板承受均布荷载，则=1.5，轴力N=286.564 kN 1.75+1ftbh0=1.751.5+1×1.43×1000×1740 =1741.74kN>V=3530kN需要按计算配置箍筋。（3）设计箍筋六肢10箍筋（箍筋直径满足最小直径要求）ASV=nASV1=6×113.1=471mm2s1.25h0ASVfyVV-0.7fth0=1.25×1740×471×3603530000-0.7×1.43×1000×1740=206.2mm取s=120mm，箍筋间距满足要求。min=ASVbs=4711000×120=0.39%>0.24f