钢筋混凝土地下通道课程设计

~~ 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×（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=底板处土压力Pa2=②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=底板处土压力Pa2=2、侧向水压力顶板处水压力Pw1=底板处水压力Pw2=综上所述,最小侧压力为：P侧1P侧2最大侧压力为：P侧1P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=252000kN·m2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,2,0,00结点,3,6.22,0结点,4,-6..2,6结点,5,0,66结点,6,6.22,6单元,1,4,11,1,1,,1,1,11单元,4,5,11,1,1,,1,1,11单元,5,6,11,1,1,,1,1,11单元,6,3,11,1,1,,1,1,11单元,2,5,11,1,0,,1,1,00结点支承,1,44,0,0,,0结点支承,3,44,0,0,,0单元材料性质,11,4,-11,2520000,0,,0,-1单元材料性质,55,5,844000000,1,0,,0,-12、内力计算该结构的力法方程程式简化为：：其中，δij的意意义为j对应的单位位力作用下引引起i处的位移。包括两部分的位移移，一是在上上部刚架上，单单位力j引起i处发生的位位移δ’ij；二是在在单位力j作用下，考虑虑弹性地基引引起的位移引引起的i处发生的位位移bij。即δij的表达式式为：同理，Δip也是是有两部分组组成。如下式，Δ’ipp是上部刚架架在外荷载作作用下产生的的位移（不包包括底板）；；而bip是底板按弹性性地基梁在外外荷载q作用下算出出的对应于单单位力i的位移。即Δip的表达式为：：①δ’ij与Δ’ip的的计算根据结构力学知识识，δ’ij与Δ’ip可通过图图乘法计算。在X1作用下的弯弯矩图（X11=1）在X2作用下的弯弯矩图（X22=1）在外荷载作用下的弯弯矩图(由于侧壁弯矩很很小，取最小小侧压力，使使顶板和底板板弯矩最大进进行验算)由X1作用下的弯矩矩图（X1=1）、X2作用下的弯弯矩图（X2=1）、外外荷载作用下下的弯矩图，经经过图乘法的的计算，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地基梁，其柔柔度指标：α=其中，k为地基基基床系数，根根据《基础工工程设计原理理》表1-11取k=50000KN/mm3；b=1m；EI=1.4×1010×112×因此，α=4kb则αl=0.256×13=3.328>π，按照《基础工程程设计原理》中中弹性地基梁梁的分类，按按无限长梁计计算。弯矩以顺时针方向向为正，剪力力以向下为正正。X1对应的弹性地地基梁（梁高高0.6m）计计算模型为：：根据《基础工程设设计原理》表表3-4，在集集中力偶作用用下A点处转角及及F点竖向位移移为：θw其中Cx=e-αx(cosαx-sinαx)，Dx=e-αxcosαx均为αx的函另外，统一刚度的的单位，得bbk=50000KN/mm2=0.02EEI。带入公式，得：θwX2对应的弹性性地基梁（梁梁高0.6mm）计算模型型为：根据《基础工程设设计原理》表表3-4，在集集中力作用下下A点处转角及及F点竖向位移移为：θw其中Ax=e-αx(cosαx+sinαx)，Dx=e-αxsinαx均为αx的函另外，统一刚度的的单位，得bbk=50000KN/mm2=0.02EEI。带入公式，得：θw外荷载对应的弹性性地基梁（梁梁高0.6mm）计算模型型为：其中F=q根据《基础工程设设计原理》表表3-4，在集集中力作用下下A点处转角及及F点竖向位移移为：θw其中Ax=e-αx(cosαx+sinαx)，Dx=e-αxsinαx均为αx的函另外，统一刚度的的单位，得bbk=50000KN/mm2=0.02EEI。带入公式，得：θw根据上述可求（注注意到弯矩、轴轴向力符号均要改变）：bbbbbb由此可解出力法方方程：解得：X1=2887.5KNN·m；X2=5200.1KN上部结构弯矩图如如下：下部弹性地基梁受受到弯矩和轴轴力的共同作作用，根据《基基础工程设计计原理》表33-4，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，在在集中力作用用下，其弯矩矩为：M经过计算，中隔墙墙下最不利弯弯矩为：Mmax=372.46可以看到，相比起起用弯矩分配配法算得的弯弯矩，用弹性性地基梁法计计算的弯矩明明显小。在底底板的弯矩计计算中，尤其其的明显，中中隔墙下弯矩矩只有弯矩分分配法的一半半左右。（3）设计弯矩、剪力、轴轴力考虑到安全因素，在在计算设计弯弯矩、剪力、轴轴力，以及之之后的配筋过过程中，均按按照弯矩分配配法算得的内内力进行计算算。易知，最大弯矩均均出现在中轴轴线处。然而而，底板与顶顶板与侧墙与与中隔墙现浇浇在一起。截截面刚度相对对较大，危险险截面一般出出现支座边缘缘。所以，要计算设计计弯矩、剪力力和轴力。1、顶板与侧墙交点点（侧压力最最大）：M上=MM侧=MQ上Q侧2、顶板与中隔墙交交点（侧压力力最小）：M上=MQ上3、底板与侧墙交点点（侧压力最最大）：M下=MM侧=MQ下Q侧4、底板与中隔墙交交点（侧压力力最小）：M底=MQ上底（4）抗浮验算取1m宽板带，进行行验算。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《公路钢筋混混凝土及预应应力混凝土桥桥涵设计规范范》——JTTGD622-20044中规定：C30等级混凝土土抗压强度设设计值：fcd=13.8NN/mm2C30等级混凝土土抗拉强度设设计值：ftd=1.39NN/mm2HPB335等级级钢筋强度设设计值：fyd=2800N/mm2除中隔墙外均按照照压弯构件进进行配筋，中中隔墙按照受受压构件进行行配筋。采用对称配筋的形形式，示意图图如下：（2）跨中正截面配筋计计算（除中隔隔墙外）1、截面尺寸构件AB与CD长长度为l=66.2m，构构件AD长度为l=66m。截面高度h＝6000mm。截面宽度b＝10000mm，考虑到结构为地下下建筑物，钢钢筋保护层厚厚度一般至少少要增大10mmm,取保护护层厚度ｃ＝＝40mm，取as＝55mm。2、确定小偏心还是是大偏心对于C30等级混混凝土，HPPB335等级钢钢筋，界限相相对受压区高高度ξb=0.5控制内力Nb在内力计算中得到到的轴力都远远小于控制内内力，构件均均认为是大偏偏心构件。要选取弯矩大而轴轴力小的情况况进行验算。经比较，选出下列列情况：对E点，M=249..98KN··m；N=1688.08KNN对F点，M=52.994KN·m；N=3755.47KNN对G点，M=316..34KN··m；N=2599.78KNN3、配筋计算(采用用对称配筋))根据《公路钢筋混混凝土及预应应力混凝土桥桥涵设计规范范》规范第5.33.10条规规定，计算偏偏心受压构件件正截面承载载力时，对长长细比l0/i>177.5的构件件，应考虑构构件在弯矩作作用平面内的的挠曲对轴向向力偏心距的的影响，将轴轴向力对截面面重心轴的偏偏心距e0乘以偏心距距增大系数ηη，相关公式式如下：其中：el00为构件计算算长度，对两两端固定的构构件取0.55l。①E截面e由于l0÷i>17.5，考虑放大ζ1=0.2+2.7×ζ2=1.5-0.01×ηe=由于x=eA根据《公路钢筋混混凝土及预应应力混凝土桥桥涵设计规范范》规范第9.11.12条规规定，轴心受受压构件和偏偏心受压构件件全部纵筋配配筋率不得小小于0.5%%；同时，一一侧钢筋配筋筋率不得小于于0.2%。所所以，受拉区区和受压区配配筋率都取00.25%。A实际配筋取φ200@200，AS=15700.8mm22。②F截面e由于l0÷i>17.5，考虑放大ζζ2=1.5-0.01×ηe=由于x=eA根据《公路钢筋混混凝土及预应应力混凝土桥桥涵设计规范范》规范第9.11.12条规规定，轴心受受压构件和偏偏心受压构件件全部纵筋配配筋率不得小小于0.5%%；同时，一一侧钢筋配筋筋率不得小于于0.2%。所所以，受拉区区和受压区配配筋率都取00.25%。A实际配筋取φ200@200，AS=15700.8mm22。③G截面e由于l0÷i>17.5，考虑放大ζ1=0.2+2.7×ζ2=1.5-0.01×ηe=由于x=eA根据《公路钢筋混混凝土及预应应力混凝土桥桥涵设计规范范》规范第9.11.12条规规定，轴心受受压构件和偏偏心受压构件件全部纵筋配配筋率不得小小于0.5%%；同时，一一侧钢筋配筋筋率不得小于于0.2%。所所以，受拉区区和受压区配配筋率都取00.25%。A实际配筋取φ222@200，AS=1900..67mm2。（3）节点正截面配筋计计算1、截面尺寸构件AB与CD长长度为l=66.2m，构构件AD长度为l=66m。截面高度h＝6000mm。截面宽度b＝10000mm，考虑到结构为地下下建筑物，钢钢筋保护层厚厚度一般至少少要增大100mm,取保保护层厚度ｃｃ＝40mmm，取as＝55mm。2、确定小偏心还是是大偏心由于由计算简图算算出的内力为为节点处内力力，而实际的的不利截面是是侧墙边缘处处的截面，对对应此截面的的弯矩即为设设计弯矩，在在之前已经求求出。对于C30等级混混凝土，HPPB335等级钢钢筋，界限相相对受压区高高度ξb=0.5控制内力Nb在内力计算中得到到的轴力都远远小于控制内内力，构件均均认为是大偏偏心构件。要选取弯矩大而轴轴力小的情况况进行验算。经比较，选出下列列情况：对BA点，M=3888.55KKN·m；N=1688.08KNN对AB点，M=1886.47KKN·m；N=1688.08KNN对AD点，M=2337.47KKN·m；N=368..61KN对DA点，M=2883.82KKN·m；N=368..61KN对DC点，M=2333.42KKN·m；N=259..78KN对CD点，M=5119.78KKN·m；N=259..78KN3、配筋计算(采用用对称配筋))根据《公路钢筋混混凝土及预应应力混凝土桥桥涵设计规范范》规范第5.33.10条规规定，计算偏偏心受压构件件正截面承载载力时，对长长细比l0/i>177.5的构件件，应考虑构构件在弯矩作作用平面内的的挠曲对轴向向力偏心距的的影响，将轴轴向力对截面面重心轴的偏偏心距e0乘以偏心距距增大系数ηη，相关公式式如下：其中：el00为构件计算算长度，对两两端固定的构构件取0.55l。①BA截面e由于l0÷i>17.5，考虑放大ζ1=0.2+2.7×ζ2=1.5-0.01×ηe=由于x=eA根据《公路钢筋混混凝土及预应应力混凝土桥桥涵设计规范范》规范第9.11.12条规规定，轴心受受压构件和偏偏心受压构件件全部纵筋配配筋率不得小小于0.5%%；同时，一一侧钢筋配筋筋率不得小于于0.2%。所所以，受拉区区和受压区配配筋率都取00.25%。A实际配筋取φ200@100，AS=3141..6mm2。②AB截面e由于l0÷i>17.5，考虑放大ζ1=0.2+2.7×ζ2=1.5-0.01×ηe=由于x=eA根据《公路钢筋混混凝土及预应应力混凝土桥桥涵设计规范范》规范第9.11.12条规规定，轴心受受压构件和偏偏心受压构件件全部纵筋配配筋率不得小小于0.5%%；同时，一一侧钢筋配筋筋率不得小于于0.2%。所所以，受拉区区和受压区配配筋率都取00.25%。A实际配筋取φ200@200，AS=1570mmm2。③AD截面e由于l0÷i>17.5，考虑放大ζ1=0.2+2.7×ζ2=1.5-0.01×ηe=由于x=eA根据《公路钢筋混混凝土及预应应力混凝土桥桥涵设计规范范》规范第9.11.12条规规定，轴心受受压构件和偏偏心受压构件件全部纵筋配配筋率不得小小于0.5%%；同时，一一侧钢筋配筋筋率不得小于于0.2%。所所以，受拉区区和受压区配配筋率都取00.25%。A实际配筋取φ200@200，AS=1570mmm2。④DA截面e由于l0÷i>17.5，考虑放大ζ1=0.2+2.7×ζ2=1.5-0.01×ηe=由于x=eA根据《公路钢筋混混凝土及预应应力混凝土桥桥涵设计规范范》规范第9.11.12条规规定，轴心受受压构件和偏偏心受压构件件全部纵筋配配筋率不得小小于0.5%%；同时，一一侧钢筋配筋筋率不得小于于0.2%。所所以，受拉区区和受压区配配筋率都取00.25%。A实际配筋取φ200@200，AS=1570mmm2。⑤DC截面e由于l0÷i>17.5，考虑放大ζ1=0.2+2.7×ζ2=1.5-0.01×ηe=由于x=eA根据《公路钢筋混混凝土及预应应力混凝土桥桥涵设计规范范》规范第9.11.12条规规定，轴心受受压构件和偏偏心受压构件件全部纵筋配配筋率不得小小于0.5%%；同时，一一侧钢筋配筋筋率不得小于于0.2%。所所以，受拉区区和受压区配配筋率都取00.25%。A实际配筋取φ222@200，AS=1900..67mm2。⑥CD截面e由于l0÷i>17.5，考虑放大ζ1=0.2+2.7×ζ2=1.5-0.01×ηe=由于x=eA根据《公路钢筋混混凝土及预应应力混凝土桥桥涵设计规范范》规范第9.11.12条规规定，轴心受受压构件和偏偏心受压构件件全部纵筋配配筋率不得小小于0.5%%；同时，一一侧钢筋配筋筋率不得小于于0.2%。所所以，受拉区区和受压区配配筋率都取00.25%。A实际配筋取φ222@100，AS=3801mmm2。（4）斜截面抗剪配筋计计算跨中剪力值较小（≈≈0KN），可可不做斜截面面承载力验算算。对于节点剪力，根根据《公路钢钢筋混凝土及及预应力混凝凝土桥涵设计计规范》规范范第5.2..9条规定：：最大剪力为V结构所有截面处剪剪力均满足要要求。根据《公路钢筋混混凝土及预应应力混凝土桥桥涵设计规范范》规范第5.22.10条规规定：V≤0.5×上式中1.25为板式受弯弯构件提高系系数.除中隔板底部剪力力略大于4775.4KNN之外，其他他截面均满足足要求。但考考虑到，配筋筋采用弯矩分分配法。计算算时，比较保保守。同时，参参考弹性地基基梁计算中隔隔板底部的内内力，认为也也满足要求。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件，其承载力力为：N≤0.9其中，由于构件的的l0/i=188<28,，所所以φ=1。实际轴心压力N=856..5KN远小小于混凝土自自身抗压承载载力NU=0.9×1×13.8×400×1000=4968KN，按最小根据《公路钢筋混混凝土及预应应力混凝土桥桥涵设计规范范》规范第9.11.12条规规定，轴心受受压构件全部部纵筋配筋率率不得小于00.5%；同同时，一侧钢钢筋配筋率不不得小于0..2%。所以以，受拉区和和受压区配筋筋率都取0..25%。A采用对称配筋，左左右两侧各实实际配筋取φφ18@200，AS=1272mmm2。五、构造说明（1）混凝土保护护层厚度地下结构的特点是是外侧与土、水水相接触，内内测相对湿度度较高。故受受力钢筋保护护层厚度最小厚度比地面机构构增加5~110mm。本结构设计中c==40mm