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~~ 地下通道课程设计 5/24/2012设计人：张逸帆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①：粉质粘土，重度、内摩擦角、粘聚力分别为γ1=18kN/m3，c1=10kN/m2，φ1=15°。土层②：淤泥质粘土，重度γ2=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=10~15kN/m2，φ2=8~15°。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1.4×104MPa；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》——JTGD62-20043、《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》——JTGD60-20045、《建筑结构制图标准》——GBT50105—2001二、荷载计算（1）顶板荷载计算1、覆土压力：q土=γi2、水压力：q水=γi3、顶板自重：qG=γd=25×0.6=15kN/m4、底面超载：q=30kN/m2综上所述，q顶=1.2×38+25+15+30（2）板底荷载计算q底=q顶+1.2×PL（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（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P其中ka为主动土压力系数顶板处土压力P=底板处土压力P=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=10~15kN/m2，φ2=8~15°，Ka=0.59~0.76（正切曲线在0~45°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，①当使顶板跨中正弯矩最大：c、ϕ值取大值，侧墙水土压力变小②当使侧墙跨中正弯矩最大：c、ϕ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。①当Ka=0.76，c2=10kN/m2，φ2=8°，主动土压力取最大值：顶板处土压力Pa1=70.1底板处土压力Pa2=112.1②当Ka=0.59，c2=15kN/m2，φ2=15°，主动土压力取最小值：顶板处土压力Pa1=70.1底板处土压力Pa2=112.12、侧向水压力顶板处水压力Pw1=ψ底板处水压力Pw2=ψ综上所述,最小侧压力为：P侧1=P侧2=最大侧压力为：P侧1=P侧2=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=1.4×1010×112×0.63×1=252000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：①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,-1②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）①弯矩图②剪力图③轴力图3、内力计算（最大侧压力）①弯矩图②剪力图③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，δij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δ’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δij的表达式为：同理，Δip也是有两部分组成。如下式，Δ’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Δip的表达式为：①δ’ij与Δ’ip的计算根据结构力学知识，δ’ij与Δ’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：δ’11=δ’12=-δ’21=-δ’22=Δ’1P=Δ’2P=-②bij的计算将底板看作弹性地基梁，其柔度指标：α=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=1.4×1010×112×因此，α=4则αl=0.256×13=3.328>π，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：θw其中Cx=e-αx(cosαx另外，统一刚度的单位，得bk=5000KN/m2=0.02EI。带入公式，得：θwX2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：θw其中Ax=e-αx(cosαx另外，统一刚度的单位，得bk=5000KN/m2=0.02EI。带入公式，得：θw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：θw其中Ax=e-αx(cosαx另外，统一刚度的单位，得bk=5000KN/m2=0.02EI。带入公式，得：θw根据上述可求（注意到弯矩、轴向力符号均要改变）：bbbbbb由此可解出力法方程：解得：X1=287.5KN·m；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：MM对于无限长梁，在集中力作用下，其弯矩为：M经过计算，中隔墙下最不利弯矩为：Mmax=372.460.265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=MPM侧=MPQ上=Q侧=2、顶板与中隔墙交点（侧压力最小）：M上=MPQ上=3、底板与侧墙交点（侧压力最大）：M下=MPM侧=MPQ下=Q侧=4、底板与中隔墙交点（侧压力最小）：M底=MPQ上底=（4）抗浮验算取1m宽板带，进行验算。Q浮=Q自重=Q上覆土=所以：K=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》——JTGD62-2004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=280N/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=6m。截面高度h＝600mm。截面宽度b＝1000mm，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ｃ＝40mm，取as＝55mm。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ξb控制内力Nb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=249.98KN·m；N=168.08KN对F点，M=52.94KN·m；N=375.47KN对G点，M=316.34KN·m；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/i>17.5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η，相关公式如下：其中：el0为构件计算长度，对两端固定的构件取0.5l。①E截面e由于l0ζ1ζ2ηe=由于x=eA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9.1.12条规定，轴心受压构件和偏心受压构件全部纵筋配筋率不得小于0.5%；同时，一侧钢筋配筋率不得小于0.2%。所以，受拉区和受压区配筋率都取0.25%。A实际配筋取φ20@200，AS=1570.8mm2。②F截面e由于l0ζζ2ηe=由于x=eA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9.1.12条规定，轴心受压构件和偏心受压构件全部纵筋配筋率不得小于0.5%；同时，一侧钢筋配筋率不得小于0.2%。所以，受拉区和受压区配筋率都取0.25%。A实际配筋取φ20@200，AS=1570.8mm2。③G截面e由于l0ζ1ζ2ηe=由于x=eA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9.1.12条规定，轴心受压构件和偏心受压构件全部纵筋配筋率不得小于0.5%；同时，一侧钢筋配筋率不得小于0.2%。所以，受拉区和受压区配筋率都取0.25%。A实际配筋取φ22@200，AS=1900.67mm2。（3）节点正截面配筋计算1、截面尺寸构件AB与CD长度为l=6.2m，构件AD长度为l=6m。截面高度h＝600mm。截面宽度b＝1000mm，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ｃ＝40mm，取as＝55mm。2、确定小偏心还是大偏心由于由计算简图算出的内力为节点处内力，而实际的不利截面是侧墙边缘处的截面，对应此截面的弯矩即为设计弯矩，在之前已经求出。对于C30等级混凝土，HPB335等级钢筋，界限相对受压区高度ξb控制内力Nb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BA点，M=388.55KN·m；N=168.08KN对AB点，M=186.47KN·m；N=168.08KN对AD点，M=237.47KN·m；N=368.61KN对DA点，M=283.82KN·m；N=368.61KN对DC点，M=233.42KN·m；N=259.78KN对CD点，M=519.78KN·m；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/i>17.5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η，相关公式如下：其中：el0为构件计算长度，对两端固定的构件取0.5l。①BA截面e由于l0ζ1ζ2ηe=由于x=eA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9.1.12条规定，轴心受压构件和偏心受压构件全部纵筋配筋率不得小于0.5%；同时，一侧钢筋配筋率不得小于0.2%。所以，受拉区和受压区配筋率都取0.25%。A实际配筋取φ20@100，AS=3141.6mm2。②AB截面e由于l0ζ1ζ2ηe=由于x=eA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9.1.12条规定，轴心受压构件和偏心受压构件全部纵筋配筋率不得小于0.5%；同时，一侧钢筋配筋率不得小于0.2%。所以，受拉区和受压区配筋率都取0.25%。A实际配筋取φ20@200，AS=1570mm2。③AD截面e由于l0ζ1ζ2ηe=由于x=eA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9.1.12条规定，轴心受压构件和偏心受压构件全部纵筋配筋率不得小于0.5%；同时，一侧钢筋配筋率不得小于0.2%。所以，受拉区和受压区配筋率都取0.25%。A实际配筋取φ20@200，AS=1570mm2。④DA截面e由于l0ζ1ζ2ηe=由于x=eA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9.1.12条规定，轴心受压构件和偏心受压构件全部纵筋配筋率不得小于0.5%；同时，一侧钢筋配筋率不得小于0.2%。所以，受拉区和受压区配筋率都取0.25%。A实际配筋取φ20@200，AS=1570mm2。⑤DC截面e由于l0ζ1ζ2ηe=由于x=eA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9.1.12条规定，轴心受压构件和偏心受压构件全部纵筋配筋率不得小于0.5%；同时，一侧钢筋配筋率不得小于0.2%。所以，受拉区和受压区配筋率都取0.25%。A实际配筋取φ22@200，AS=1900.67mm2。⑥CD截面e由于l0ζ1ζ2ηe=由于x=eA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9.1.12条规定，轴心受压构件和偏心受压构件全部纵筋配筋率不得小于0.5%；同时，一侧钢筋配筋率不得小于0.2%。所以，受拉区和受压区配筋率都取0.25%。A实际配筋取φ22@100，AS=3801mm2。（4）斜截面抗剪配筋计算跨中剪力值较小（≈0KN），可不做斜截面承载力验算。对于节点剪力，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5.2.9条规定：最大剪力为V结构所有截面处剪力均满足要求。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5.2.10条规定：V≤0.5×上式中1.25为板式受弯构件提高系数.除中隔板底部剪力略大于475.4KN之外，其他截面均满足要求。但考虑到，配筋采用弯矩分配法。计算时，比较保守。同时，参考弹性地基梁计算中隔板底部的内力，认为也满足要求。由此说明断面厚度足够，不用配置箍筋。（5）中隔板配筋计算对于轴心受压构件，其承载力为：N≤0.9其中，由于构件的l0/i=18<28,，所以φ=1。实际轴心压力N=856.5KN远小于混凝土自身抗压承载力NU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9.1.12条规定，轴心受压构件全部纵筋配筋率不得小于0.5%；同时，一侧钢筋配筋率不得小于0.2%。所以，受拉区和受压区配筋率都取0.25%。A采用对称配筋，左右两侧各实际配筋取φ18@200，AS=1272mm2。五、构造说明（1）混凝土保护层厚度地下结构的特点是外侧与土、水相接触，内测相对湿度较高。故受力钢筋保护层厚度最小厚度比地面机构增加5~10mm。本结构设计中c=40mm。（2）横向受力钢筋为便于施工，将横向受力钢筋与纵向分布钢筋制成焊网。①外侧横向钢筋制成