地下工程地铁车站设计

1、北京建筑工程学院课程设计专用纸1. 工程概况1.1地面现状及规划条件、交通状况，周围地下管线、地面、地下建（构）筑物情况及其与本工程结构的关系，设计地面标高、结构埋深、设计水位，破坏棱体范围内建、构筑物的基础形式、尺寸及基地压力北京轨道交通9号线丰台科技园站位于五圈路与万寿路南延道路交叉口的南侧，车站位于路中，跨路口设置。车站的周边目前多为荒地，基本无影响车站主体及附属设施的地面建筑、控制性管线及地下构筑物。车站现状地面标高约为47.2m，车站顶板覆土3.2 m，底板埋深16.08m，底板底标高为31.04m左右。车站主体采用明挖法施工。1.2 工程地质、水文地质情况及地层参数车站场区范围上覆

2、新近沉积层及第四纪晚更新世冲洪积层。场地地质条件和计算参数见表1。整个车站主要位于中粗砂、圆砾卵石层中，地质条件较好，现状地下水埋置较深，在基坑面以下约11m，现状水位36.2m，抗浮设防水位取41.0m。1 / 26北京建筑工程学院课程设计专用纸1.3带地质柱状图的结构断面1.4 变形缝或诱导缝最大间距本站纵向共设置3道变形缝，变形缝最大间距60m。2. 设计依据依据的规范、规程：（1）地铁设计规范（GB50157-2003）（2）建筑结构荷载规范（GB500092001）（3）混凝土结构设计规范（GB50010-2002）（4）铁路工程抗震设计规范（GB50111-2006）（5）人民防空

3、工程设计规范 GB50225-2005（6）建筑抗震设计规范（GB50011-2001）3. 设计标准3.1 结构的安全等级及构件的重要性系数车站结构的安全等级为一级，构件的重要性系数取1.1。3.2 结构的抗震设防烈度及抗震等级车站结构的抗震设防烈度为8度，抗震等级为三级。3.3 人防防护等级及防护部位车站结构的人防防护等级为五级，车站主体结构全部设防。3.4 结构的抗裂标准混凝土构件的裂缝宽度（迎土面）应不大于0.2mm，混凝土构件的裂缝宽度（非迎土面2 / 26北京建筑工程学院课程设计专用纸及内部混凝土构件） 均应不大于0.3mm，地震、人防或其他偶然荷载作用时，不验算结构的裂缝宽度。3

4、.5 结构抗浮设防水位及抗浮安全系数，最不利设计水位（含最高水位和最低水位） 车站结构的抗浮设防水位为41.0m。在不考虑土层与结构侧壁摩阻力时，结构抗浮安全 系数即结构自重及覆土重Fs与水浮力Fw之比为：Fs/Fw1.395，大于1.05，满足抗浮要求。最不利设计水位的最高水位取抗浮设防水位41.0m，最低水位取降水后水位（底板以下1m）。3.6 地面沉降、结构变形、周围建（构）筑物安全的控制标准根据北京九号线初步设计技术要求和本站特点，车站基坑变形控制保护等级为二级，应控制车站基坑外地面最大沉降量48mm(0.3%H)，围护结构最大水平位移50mm(0.4%H及50mm中较小者)，H为基坑

5、开挖深度。3.7 防火标准车站结构的防火等级为一级。3.8 结构环境类别及耐侵蚀系数车站结构迎土面的环境类别为二类，非迎土面及内部混凝土构件的环境类别为一类。耐侵蚀系数不小于0.8。4. 计算原则（1）构件根据承载能力极限状态及正常使用极限状态的要求，分别进行承载能力的计算和稳定、变形及裂缝宽度验算。（2）结构设计应按极限承载力状态和正常使用极限状态分别进行荷载效应组合，并取各自的最不利组合进行结构设计。（3）受弯构件的最大挠度不应超过Lo/400。5. 结构尺寸及材料拟定5.1 主体结构混凝土强度等级、钢筋种类、型钢种类，材料设计强度混凝土强度等级：主体结构顶板、顶板梁、底板、底板梁、侧墙及

6、端墙：C30防水混凝土，抗渗标号S10 主体结构楼板及楼板梁：C30主体结构柱：C40钢筋：HPB235和HRB335级钢筋钢板、型钢：Q235钢3 / 26北京建筑工程学院课程设计专用纸5.2 主体结构尺寸、中柱实际尺寸及计算折合尺寸（以断面图示出）中柱为700×900mm矩形柱，纵向柱距9.75m，按面积等效为墙的厚度=700×900÷9750=65mm5.3 受力主筋混凝土保护层厚度底板、顶板、边墙：迎水面50mm，背水面40mm楼板及梁：30mm柱：40mm4 / 26北京建筑工程学院课程设计专用纸6 计算工况 及计算简图6.1 近期使用阶段（低水位+主动

7、土压力状况）的计算简图6.2 远期使用阶段（设防水位+静止土压力状况）的计算简图5 / 26北京建筑工程学院课程设计专用纸6.3人防工况的计算简图6.4地震工况的计算简图（右侧水平弹簧代表水平地震作用下地层的水平抗力，此抗力不能大于地层的被动土压力）6 / 26北京建筑工程学院课程设计专用纸7与计算简图相对应的荷载计算与荷载组合7.1荷载计算（土压力、水压力、水浮力、地面超载、活荷载、施工荷载、结构自重、楼板做法及吊钩荷载、重型设备在楼面上的布置、人防荷载、地震作用、其他结构产生的附加荷载、荷载系数及动力系数等）顶板上覆土重：h（-土容重；h-地面至计算点竖直距离） 侧土压力：Kh（K-土侧压

8、力系数）水压力、水浮力：10h（h-设防水位至计算点竖直距离） 7.2 荷载组合系数表荷载分项系数表7.3 荷载组合计算过程表2结构设计所考虑的荷载按如下方法计算： （1）永久荷载3a结构自重按实际重量计算，混凝土容重为25kN/m；b覆土压力按实际覆土深度、物理力学参数及地下水位情况计算； c浮力按设防水位进行计算；d设备区楼面荷载按8kPa计算，超过8kPa按设备实际重量及其运输路线计算。 （2）可变荷载a路面车辆荷载按汽-超20计算，在顶板以上覆土较薄处按实际荷载及其分布计算，并考虑荷载冲击作用；覆土较厚时（本站情况）按20kPa均布荷载计算，并不计动力作用的影响； b人群荷载按4kPa

9、计算；c楼板施工荷载按10kPa计算，超过10kPa按实际荷载计算。 （3） 偶然荷载a地震荷载按设防烈度8度计； b人防抗力等级为五级。（4） 基本荷载组合（单位：KN/m） a恒载+活载（近期使用阶段） 顶板荷载q顶3.0×20×1.3520×1.41097 / 26北京建筑工程学院课程设计专用纸侧墙荷载q侧顶 (3.0×20×1.3520×1.4)×0.3538.15q侧中上(3.0+4.2)×20×1.3520×1.4×0.3567.13q侧中下(3.0+4.2)×2

10、0×1.3520×1.4×0.238.36q侧底(15.8×20×1.3520×1.4)×0.290.92b恒载+活载+水（长期使用阶段）顶板荷载q顶3.0×20×1.3520×1.4109侧墙荷载q侧顶(3.0×20×1.3520×1.4)×0.443.6q侧中上6.2×20（7.2-6.2）×(20-10)×1.3520×1.4×0.483.56 q侧中下6.2×20（7.2-6.2）

11、5;(20-10)×1.3520×1.4×0.2552.225 q侧底6.2×20(15.8-6.2)×(20-10)×1.3520×1.4×0.4130 q侧水max (15.8-6.2)×10×1.35129.6底板荷载q侧水 (15.8-6.2)×10×1.35129.6c恒载+人防荷载（1）核武器爆炸作用下的结构荷载计算：首先根据人民防空工程设计规范（GB50225-2005）中的相关规定计算可得 顶盖均布等效静荷载标准值：q144.11外墙均布等效静荷载标准值：q2

12、20.88底板均布等效静荷载标准值：q3133.68再进行荷载组合计算：顶板荷载 q顶3.0×20×1.2144.11×1.0 216.11侧墙荷载 q侧顶3.0×20×1.2×0.420.88 ×1.049.68q侧中上（3.0+4.2）×20×1.2×0.420.88×1.088.08 q侧中下（3.0+4.2）×20×1.2×0.2520.88×1.062.88 q侧底15.8×20×1.2×0.420.88&

13、#215;1.0172.56 底板荷载q侧133.68×1.0133.68（2）常规武器非直接命中时的结构荷载计算：首先根据人民防空工程设计规范（GB50225-2005）中的相关规定计算可得： 顶盖均布等效静荷载标准值：q近边跨47.53 q中跨31.66 q远边跨20.13外墙均布等效静荷载标准值：q24.07底板均布等效静荷载标准值：q33.49再进行荷载组合计算：顶板荷载q顶近边3.0×20×1.247.53×1.0119.538 / 26北京建筑工程学院课程设计专用纸q顶中3.0×20×1.231.66×1.010

14、3.66q顶远边3.0×20×1.220.13×1.092.13侧墙荷载q侧顶3.0×20×1.2×0.44.07×1.0 32.87q侧中上（3.0+4.2）×20×1.2×0.44.07×1.073.19 q侧中下（3.0+4.2）×20×1.2×0.254.07×1.047.27 q侧底15.8×20×1.2×0.44.07×1.0155.75底板荷载q侧3.49×1.03.49d地震工况下

15、的的结构荷载计算：根据建筑抗震设计规范（GB50011-2001），地下结构构件的地震作用效应和其他荷载效应的基本组合公式应按下式计算：S=G·SGE+EH·SEHK+Ev·SEvKG重力荷载分项系数，一般情况应采用1.2，当重力荷载效应对构件承载能力有利时，不应大于1.0；SGE重力荷载代表值的效应，有吊车时，尚应包括悬吊物重力标准值的效应； EH、Ev分别为水平、竖向地震作用分项系数，仅计算水平地震作用时，EH=1.3，Ev=0；SEHK水平地震作用标准值的效应；SEvK竖向地震作用标准值的效应。计算地震作用时，建筑的重力荷载代表值应取结构和结构配件自重标准值

16、和各可变荷载组合值之和。在本算例中，可变荷载按等效均布荷载计算的楼面活荷载进行计算，计算值取4KPa，组合值系数取0.5。顶盖均布等效静荷载代表值：q3.0×20×1.272据铁路工程抗震设计规范（GB50111-2006）8.1.3，结构上的水平地震力按下式计算：FihE =·Ag·miFihE 计算质点的水平地震力（kN）； 水平地震作用修正系数，岩石地基取0.20，非岩石地基取0.25；2Ag 地震动峰值加速度（m/s），北京为0.2g；2mi 计算质点的质量（m/s）；E 地震修正后的土内摩擦角；顶板处土体摩擦等效集中弯矩代表值：M顶0.25&#

17、215;0.2×3.0×20×10×1.5×1.358.5（KN·m）外墙水平地震力均布等效静荷载代表值：F1hE0.25×0.2×1.13×0.7×1×30×10×1.315.425（单元长度1.13m）F2hE0.25×0.2×0.964×0.67×1×30×10×1.313.159（单元长度0.964m）9 / 26北京建筑工程学院课程设计专用纸顶板水平地震力集中荷载代表值：F顶hE0.25

18、×0.2×19.3×0.8×1×30×10×1.3301.08中板水平地震力集中荷载代表值：F楼hE0.25×0.2×19.3×0.5×1×30×10×1.3188.175底板水平地震力集中荷载代表值：F底hE0.25×0.2×19.3×0.8×1×30×10×1.3310.08结构上的水平地震力据地铁工程抗震设计规范（GB50111-2006）6.1.5计算： 外墙地震主动土压力均布等

19、效静荷载代表值：q土AC1.3×E·h·KEa2o1.3×20×h×tg(45-E/2 )1.3×20×h×0.393830.716473.7194 式中 )q土CB1.3×E·h·KEa2o1.3×20×h×tg(45-E/2 )1.3×20×h×0.2546.8102.7 (式中3E 地震修正后的土重度（kN/m）；KEa 地震主动土压力系数；E 地震修正后的土内摩擦角；8. 结构内力及变形计算8.1 计算理论及

20、计算模型计算采用荷载结构模型进行。有以下几点需要注意的地方：（1）纵梁立柱体系的地铁车站横断面符合平面应变原则，可以将横断面等效为宽度为单位长度的梁体系进行平面计算。根据有限元计算原理，将组成结构的各段梁柱分成梁单元，各单元之间以节点相连。划分单元时单元长度不宜过大，否则将导致计算结果误差增大。对于明挖车站的计算，单元长度可取1米左右；（2）根据结构力学原理，侧墙与顶板、楼板及底板连接处相交区域需要施加刚域，刚域长度取相邻结构单元的1/2厚度。此外，柱子与板之间不需要施加刚域；（3）对于车站底板弹簧刚度大小取所在土层垂直基床系数，侧墙弹簧刚度大小取所在土层水平基床系数（注意单位量纲统一）；3（

21、4）非人防工况下梁柱材料比重取25×1.35=33.75KN/m，人防工况下梁柱材料比重取325×1.2=30KN/m；（5）围护桩作为临时结构，在计算模型中不包括。（6）计算模型中的底板弹簧为仅能承受压力的弹簧。8.2 计算过程或采用的计算程序采用SAP84 6.0进行平面有限元计算。8.3内力与变形的计算结果（1）近期使用阶段基本组合内力图10 / 26北京建筑工程学院课程设计专用纸11 / 26北京建筑工程学院课程设计专用纸12 / 26北京建筑工程学院课程设计专用纸13 / 26北京建筑工程学院课程设计专用纸（3）人防工况（低水位+恒载+人防荷载）14 / 26北京

22、建筑工程学院课程设计专用纸15 / 26北京建筑工程学院课程设计专用纸北京建筑工程学院课程设计专用纸17 / 26北京建筑工程学院课程设计专用纸18 / 268.4.1.3正常使用阶段楼板梁计算结果 均布荷载=22×2.5+22×3.4=129.8KN·m19 / 2620 / 2621 / 2622 / 26北京建筑工程学院课程设计专用纸9混凝土结构构件设计9.1结果强度计算（采用内力设计值）及结构抗裂计算（采用内力标准值）9.1.1正常使用阶段（找出各构件的控制内力，再进行配筋计算）9.1.1.1正常使用阶段车站板的相关计算顶板跨中（按正截面受弯构件矩形截面计

23、算）：M=644.7KN·m 保护层厚度c=40mm=50mm 则， =800-50=750mm由混凝土强度等级和钢筋等级，查表得，=14.3N/ , =300 N/ , =1.43 N/ ,由表得， =1.0， =0.550 求截面抵抗矩系数=0.118=1- =0.084< =0.550 , 可以。=0.5(1+ )=0.958故 = mm² 选用625 ， =2945 （选筋时应用满足有关间距、直径及根数等的构造要求）验算适用条件：= =0.2% ,可以。9.1.1.2正常使用阶段、人防工况车站楼板、底板的相关计算楼板与底板的计算原理与顶板相同。具体配筋见下表3

24、，配筋图见下图。9.1.1.3 正常使用阶段、人防工况车站侧墙的相关计算(按矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算)轴向力对截面重心的重心距， =附加偏心距， =20mm初始偏心距， = =1060.38mm偏心受压构件截面曲率修正系数， =长细比 =18.86, 15<18.86<30偏心受压构件受压长细比对截面曲率的影响系数： =1.15-0.01 =0.96=1+=9.27 =1.15偏心距e= + =1506.66= ）mm²23 / 26北京建筑工程学院课程设计专用纸=mm²选用628钢筋,实际面积为3695mm²验算裂缝宽度：= /bh=3695/(1000×700)=0.005 <0.01 取0