地鐵車站主體結構設計

1、地鐵車站主體結構設計（地下矩形框架結構）西南交通大學地下工程系目錄第一章課程設計任務概述21.1 課程設計目的21.2 設計規(guī)范及參考書21.3 課程設計方案21.4 課程設計的基本流程4第二章平面結構計算簡圖及荷載計算52.1平面結構計算簡圖52.2.荷載計算52.3荷載組合6第三章結構內力計算103.1建模與計算10本課程設計采用ANSYS進行建模與計算，結構模型如下圖：103.2基本組合103.2 標準組合13第四章結構（墻、板、柱）配筋計算164.1 車站頂板上緣的配筋計算164.2 負一層中柱配筋計算214.3 頂縱梁上緣的配筋計算224.4 頂縱梁上緣裂縫寬度驗算24第一章 課程設

2、計任務概述1.1 課程設計目的初步掌握地鐵車站主體結構設計的基本流程；通過課程設計學習，熟悉地下工程“荷載結構”法的有限元計算過程；掌握平面簡化模型的計算簡圖、荷載分類及荷載的組合方式、彈性反力及其如何在計算中體現(xiàn)；通過實際操作，掌握有限元建模、劃分單元、施加約束、施加荷載的方法；掌握地下矩形框架結構的內力分布特點，并根據(jù)結構內力完成配筋工作。為畢業(yè)設計及今后的實際工作做理論和實踐上的準備。1.2 設計規(guī)范及參考書1、地鐵設計規(guī)范2、建筑結構荷載規(guī)范3、混凝土結構設計規(guī)范4、地下鐵道（高波主編，西南交通大學出版社）5、混凝土結構設計原理教材6、計算軟件基本使用教程相關的參考書（推薦用ANSYS

3、）1.3 課程設計方案方案概述某地鐵車站采用明挖法施工，結構為矩形框架結構，結構尺寸參數(shù)詳見表1-1。車站埋深3m，地下水位距地面3m，中柱截面的橫向（即垂直于車站縱向）尺寸固定為0.8m（如圖1-1標注），縱向柱間距8m。為簡化計算，圍巖為均一土體，土體參數(shù)詳見表1-2，采用水土分算。路面荷載為，鋼筋混凝土重度，中板人群與設備荷載分別取、。荷載組合按表1-3取用，基本組合用于承載能力極限狀態(tài)設計，標準組合用于正常使用極限狀態(tài)設計?？v向（縱梁）計算要求分別計算頂縱梁、中縱梁、底縱梁受力及其配筋。頂縱梁尺寸：1000mm×1800mm（寬×高）；中縱梁尺寸：1000mm

4、15;1000mm（寬×高）；底縱梁尺寸：1000mm×2100mm（寬×高）。要求用電算軟件完成結構內力計算，并根據(jù)混凝土結構設計規(guī)范完成墻、板、梁、柱的配筋。圖 1-1 地鐵車站橫斷面示意圖（單位：mm）本人所做的計算工況是A2,B26，查表可得其地層物理力學參數(shù)如表1-1所示,結構尺寸參數(shù)如表1-2所示，荷載組合如表1-3所示。表1-1 地層物理力學參數(shù)重度彈性反力系數(shù)內摩擦角內聚力17.525021-注：飽和重度統(tǒng)一取“表中重度+3”表1-2 結構尺寸參數(shù)（單位：m）跨度L頂板厚h1中板厚h2底板厚h3墻厚T中柱70.80.50.750.70.8×

5、;0.7表1-3 荷載組合表組合工況永久荷載可變荷載基本組合1.35（1.0）1.4×0.7標準組合1.01.0注：括號中數(shù)值為荷載有利時取值。主要材料1、混凝土：墻、板、梁用C30，柱子C40；彈性模量和泊松比查規(guī)范。2、鋼筋根據(jù)混凝土結構設計規(guī)范選用。1.4 課程設計的基本流程1、根據(jù)提供的尺寸，確定平面計算簡圖（重點說明中柱如何簡化）；2、荷載計算。包括垂直荷載和側向荷載，采用水土分算；不考慮人防荷載和地震荷載。側向荷載統(tǒng)一用朗金靜止土壓力公式。荷載組合本次課程設計只考慮基本組合和標準組合兩種工況。3、有限元建模、施加約束、施加荷載、運行計算以及計算結果的提取。注意土層約束簡化

6、為彈簧，滿足溫克爾假定，且只能受壓不能受拉，即彈簧軸力為正時，應撤掉該“彈性鏈桿”重新計算。另要求計算結果必須包括結構變形、彎矩、軸力、剪力。4、根據(jù)上述計算結果進行結構配筋。先根據(jù)基本組合的計算結果進行承載能力極限狀態(tài)的配筋，然后根據(jù)此配筋結果檢算正常使用極限狀態(tài)（內力采用標準組合計算結果）的裂縫寬度是否通過？若通過，則完成配筋；若不通過，則調整配筋量，直至檢算通過。5、完成計算書第二章 平面結構計算簡圖及荷載計算2.1平面結構計算簡圖地基對結構的彈性反力用彈簧代替，結構縱向長度取1米，采用水土分算，其平面結構計算簡圖，如圖2-1所示。圖2-12.2.荷載計算垂直荷載1、頂板垂直荷載：頂板垂

7、直荷載由路面荷載和垂直土壓力組成。路面荷載：q1=20kPa垂直土壓力由公式q2=ihi , 可得q2=17.5×3=52.5kN/m32、中板垂直荷載：中板人群荷載：q3=4kN/m2設備荷載：q4=8kN/m23、底板垂直荷載：底板處水浮力：q5=9.8×13.51=132.398kN/m2側向荷載1、側向土壓力：土的浮重度'=sat-w=17.5+3-9.8=10.7kN/m3側向壓力系數(shù)=tan245°-2=tan245°-21°2=0.472土壓力在頂板產生的側向土壓力：e1=0.472×52.5=24.78kN/m

8、2土壓力在底板產生的側向土壓力：e2=0.472×52.5+10.7×13.51=92.77kN/m2路面荷載在頂板產生的側向壓力e3=0.472×20=9.44kN/m2路面荷載在底板產生的側向壓力e4=0.472×20=9.44kN/m22、側向水壓力側墻頂板處的水壓力為零。側墻底板處的水壓力：e5=9.8×13.51=132.398kN/m22.3荷載組合2.3.1 基本組合1、頂板垂直荷載：q頂板=1.35×52.5+1.4×0.7×20=90.475kN/m22、中板垂直荷載： q中板=1.35×

9、;8+1.4×0.7×4=14.72kN/m23、底板垂直荷載：q底板=1.35×132.398=178.737kN/m24、頂板側向荷載：e頂板=1.35×24.78+0+1.4×0.7×9.44=42.704kN/m25、底板側向荷載：e底板=1.35×92.77+132.398+1.4×0.7×9.44=313.228kN/m26、頂縱梁荷載：縱梁計算位置考慮最不利位置，取縱梁兩側相鄰頂板半跨荷載之和，即縱梁荷載為兩個半跨頂板上的荷載及頂板自重之和。頂板垂直荷載設計值：q頂=(1.35×5

10、2.5+1.4×0.7×20)×7=633.325kN/m頂板自重： q自重=1.35×25×0.8×7=189kN/m頂縱梁承受的荷載： q頂總=633.325+189=822.325kN/m7、中縱梁荷載：頂板垂直荷載設計值：q中=(1.35×8+1.4×0.7×4)×7=103.04kN/m頂板自重： q自重=1.35×25×0.5×7=118.125kN/m頂縱梁承受的荷載： q中總=103.04+118.125=221.165kN/m8、底縱梁荷載：頂板垂

11、直荷載設計值：q底=1.35×132.398×7=1251.161kN/m頂板自重：q自重=1.0×25×0.75×7=131.25kN/m頂縱梁承受的荷載：q底總=1251.161-131.25=1119.91kN/m2.3.2 標準組合1、頂板垂直荷載：q頂板=1.0×52.5+1.0×20=72.5KN/m22、中板垂直荷載：q中板=1.0×8+1.0×4=12KN/m23、底板垂直荷載：q底板=1.0×132.398=132.398kN/m24、頂板側向荷載： e頂板=1.0×

12、24.78+0+1.0×9.44=34.22KN/m25、底板側向荷載：e底板=1.0×92.77+132.398+1.0×9.44=234.608kN/m26、頂縱梁荷載：頂板垂直荷載設計值：q頂=(1.0×52.5+1.0×20)×7=507.5kN/m頂板自重： q自重=1.0×25×0.8×7=140kN/m頂縱梁承受的荷載： q頂總=507.5+140=647.5kN/m7、中縱梁荷載：頂板垂直荷載設計值：q中=(1.0×8+1.0×4)×7=84kN/m頂板自重：

13、q自重=1.0×25×0.5×7=87.5kN/m頂縱梁承受的荷載：q中總=84+87.5=171.5kN/m8、底縱梁荷載：頂板垂直荷載設計值：q底=1.0×132.398×7=926.786kN/m頂板自重：q自重=1.0×25×0.75×7=131.25kN/m頂縱梁承受的荷載：q底總=926.786-131.25=795.54kN/m第三章 結構內力計算3.1 建模與計算本課程設計采用ANSYS進行建模與計算，結構模型如下圖：圖3-1 結構模型圖模型中各構件單元截面的尺寸特性如表3-1：表3-1 構件單元截

14、面尺寸表截面面積（b×h）/m2慣性矩/m4單元類型材料頂板1×0.800.04266667Beam3C30中板1×0.50.01041667Beam3C30底板1×0.750.03515625Beam3C30側墻1×0.70.02858333Beam3C30中柱0.7×0.80.02986667Beam3C40彈簧1×0.5Link10土3.2 基本組合3.2.1 橫斷面變形圖結構橫斷面變形圖如圖3-2。圖3-2 基本組合橫斷面變形圖3.2.2 橫斷面軸力圖結構橫斷面軸力圖如圖3-3。圖3-3 基本組合橫斷面軸力圖3.2.

15、3 橫斷面剪力圖結構橫斷面剪力如圖3-4。圖3-4 基本組合橫斷面剪力圖3.2.3 橫斷面彎矩圖結構橫斷面彎矩如圖3-5。圖3-5 基本組合橫斷面彎矩圖3.3 標準組合3.3.1 橫斷面變形圖結構橫斷面變形圖如圖3-6。圖3-6 標準組合橫斷面變形圖3.2.2 橫斷面軸力圖結構橫斷面軸力圖如圖3-7。圖3-7 標準組合橫斷面軸力圖3.2.3 橫斷面剪力圖結構橫斷面剪力如圖3-8。圖3-8 標準組合橫斷面剪力圖3.2.3 橫斷面彎矩圖結構橫斷面彎矩如圖3-9。圖3-9 標準組合橫斷面彎矩圖第四章 結構（墻、板、柱）配筋計算要進行結構斷面配筋，選用的彎矩和軸力是在考慮最不利位置處。對于梁端彎矩采用

16、彎矩調幅系數(shù)，彎矩調幅系數(shù)是反映連續(xù)梁內力重分布能力的參數(shù)。調幅過后實際配筋內力見表4-1表4-1構件彎矩軸力剪力尺寸頂板上緣400.98286.564387.691000*800頂板下緣350.032286.564387.691000*800中板上緣237.731070127.041000*500中板下緣107.5821070127.041000*500底板上緣413.6911030749.251000*750底板下緣9201030749.251000*750負一層側墻迎土面436.101549.017302.6631000*700負一層側墻背土面0549.017302.6631000*70

17、0負二層側墻迎土面920861.454888.321000*700負二層側墻背土面694.113861.454888.321000*700負一層中柱06489.860800*700負二層中柱081600800*700頂縱梁上緣4640-35301000*1800頂縱梁下緣2410-35301000*1800中縱梁上緣1300-10201000*1000中縱梁下緣734.131-10201000*1000底縱梁上緣2680-42001000*2100底縱梁下緣5730-42001000*21004.1 車站頂板上緣的配筋計算 截面尺寸b×h=1000×800，s=s=50mm

18、，計算長度l0=7m，h0=800-50=750mm，彎矩設計值M=400.98kNm，軸力設計值N=286.564kNm，混凝土等級C30，fc=14.3N/mm2，ftk=2.01N/mm2，采用三級鋼筋（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因為本設計不考慮二階效應，故不需要計算偏心距增大系數(shù)。2、判斷大小偏心計算偏心距：ei=1425mm>0.3h0=22

19、5mm所以屬于大偏心受壓構件。3、求受壓區(qū)鋼筋面積As'e=ei+h2-as=1425+8002-50=1775mm取=b=0.518。則受壓區(qū)鋼筋面積： 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'=minbh=0.002×1000

20、15;800=1600mm2。選用720（As'=2199mm2）。4、求受拉鋼筋面積As受壓區(qū)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則受拉區(qū)鋼筋面積：As=Ne'fy(h0-as')e'=ei-h2+as'=1425-8002+50=1075mm故As=286564×1075360×(750-50

21、)=1222.4mm2<minbh=1600mm2取As=minbh=0.002×1000×750=1600mm2。選用720（As=2199mm2）。=Asbh×fyfc=21991000×750×36014.3=0.074<b=0.518所以非超筋。5、箍筋計算（1）驗算限制條件混凝土等級為C30，所以c=1.0hwb=7501000=0.75<4,屬于一般梁0.25cfcbh0=0.25×1.0×14.3×1000×750=2681.25kNV=387.69kN<0.25cf

22、cbh0所以，非斜壓破壞。（2）、檢查是否需要按計算配置箍筋頂板承受均布荷載，則=1.5，軸力N=286.564 kN 1.75+1ftbh0=1.751.5+1×1.43×1000×750 =750.75kN>V=387.69kN只需要構造配筋按構造進行配筋，選取六肢D10箍筋（箍筋直徑滿足最小直徑要求），間距s取250mm6、裂縫寬度驗算e0=1399.27mm>0.55h0=412.5mm根據(jù)混凝土結構設計規(guī)范（GB50010-2002），當e0/h0>0.55 時需要驗算裂縫寬度。l0h=70.8=8.75<14所以使用階段的軸向壓

23、力偏心距增大系數(shù)s=1.0。軸向壓力作用點至縱向受拉鋼筋合力點的距離：e=se0+h2-as=1.0×1399.27+8002-50=1749.27mm縱向受拉鋼筋合力點至截面受壓合力點的距離： 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積計算的縱向受拉鋼筋配筋率：te=As0.5bh=21990.5×1000×800=0.00549按荷載效應的標準組合計算的軸向力：NK=260.776kN鋼筋混凝土構件受拉區(qū)縱向鋼筋的應力：sk=NK(e-z)Asz=260

24、776×(1749.27-635.96)2199×635.96=207.6N/mm2裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數(shù)：=1.1-0.65ftktesk=1.1-0.65×2.010.00549×207.6=-0.046<0.2故取=0.2。最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離c=50mm。受拉區(qū)縱向鋼筋的等效直徑deq=20mm。故最大裂縫寬度： max=1.9skEs1.9c+0.08deqte =1.9×0.2×207.62.0×1051.9×50+0.08×200.00549=0.145

25、<0.2mm故滿足裂縫寬度。地鐵結構其他截面位置配筋過程同頂板上緣類似，均選取混凝土等級C30，fc=14.3N/mm2，ftk=2.01N/mm2，采用三級鋼筋（fy=fy'=360N/mm2，Es=2.0×105N/mm2）。標準截面配筋計算詳見下表4-2及4-3。頂板上緣頂板下緣中板上緣中板下緣底板上緣底板下緣尺寸b×h/mm1000*8001000*8001000*5001000*5001000*7501000*750彎矩設計值/(kNm)400.98350.032237.73107.582413.691920軸力設計值/kN286.564286.56

26、410701070749.25749.25偏心距e0/mm1399.271221.479222.176100.54552.141227.895偏心距增大系數(shù)111111判斷大小偏心受壓大偏心大偏心大偏心小偏心大偏心大偏心受壓鋼筋面積As/mm2219921991272127218841520數(shù)量及截面直徑/mm7D207D205D185D186D204D22受拉鋼筋面積As'/mm2219921991272127218847125數(shù)量及截面直徑/mm7D207D205D185D186D207D36剪力設計值/kN387.69387.69127.04127.04749.25749.250

27、.25cfcbh02681.252681.251608.751608.752502.52502.51.75+1ftbh0+0.07N750.75750.75450.45450.45700.7700.7如何配筋構造構造構造構造構造構造箍筋量六肢D10250六肢D10250六肢D10250六肢D10250六肢D10250六肢D10250裂縫寬度驗算0.1450.1230.127不需要不需要0.191 表4-2負一層側墻迎土面負一層側墻背土面負二層側墻迎土面負二層側墻背土面尺寸b×h/mm1000*7001000*7001000*7001000*700彎矩設計值/(kNm)436.1010

28、920694.113軸力設計值/kN302.663302.663888.32888.32偏心距e0/mm1440.8801035.663730.72偏心距增大系數(shù)1111判斷大小偏心受壓大偏心小偏心大偏心大偏心受壓鋼筋面積As/mm21608188415201520數(shù)量及截面直徑/mm8D166D204D224D22受拉鋼筋面積As'/mm26434431064344310數(shù)量及截面直徑/mm8D327D288D327D28剪力設計值/kN302.663302.663888.32888.320.25cfcbh02323.752323.752323.752323.751.75+1ftbh

29、0+0.07N650.65650.65650.65650.65如何配筋構造構造計算配筋計算配筋箍筋量六肢 D10250六肢 D10250六肢D10250六肢D10250裂縫寬度驗算0.2不需要0.1920.194表4-34.2 負一層中柱配筋計算負一層中柱 中柱尺寸800×700，軸力設計值N=6489.86kN，混凝土等級C40，fc=19.1N/mm2，ftk=2.39N/mm2,采用三級鋼筋（fy=fy'=360N/mm2，Es=2.0×105N/mm2）。N0.9（fcA+fy'As')式中，N-軸向壓力設計值（N）; -鋼筋混凝土構件的穩(wěn)定

30、系數(shù) fc-混凝土軸心抗壓強度設計值（N/mm2） A-構件截面面積（mm2） As-全部縱向鋼筋的截面面積（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故采用構造配筋：As'=minbh=0.002×800×700=1120mm2縱筋選用4根20（As'=1256mm2）。箍筋選用 10間距250配筋率驗算：'=As'A=1256800×700=0.224%<max'=

31、5%4.2.2 負二層中柱 中柱尺寸800×700，軸力設計值N=8160kN，混凝土等級C40，fc=19.1N/mm2，ftk=2.39N/mm2,采用三級鋼筋（fy=fy'=360N/mm2，Es=2.0×105N/mm2）。配筋計算過程同負一層中柱配筋。縱筋選用4根20（As'=1256mm2）。箍筋選用 六肢102504.3 頂縱梁上緣的配筋計算縱梁上緣b×h=1000×1800,彎矩設計值M=4640kNm，混凝土等級C30，fc=14.3N/mm2，ftk=2.01N/mm2,采用三級鋼筋（fy=fy'=360N/m

32、m2，Es=2.0×105N/mm2）。 1=1.0，1=0.8。1、縱筋計算假定受拉鋼筋放2排，設s=60mm，則h0=h-s=1800-80=1740mm。s=M1fcbh2=4640×1061×14.3×1000×17402=0.107=1-1-2s=0.114<b=0.55故可以按照單筋截面配筋。則 s=0.5×1+1-2s=0.943As=Mfysh0=4640×106360×0.944×1740=7853選用1240（As=1507.92）=Asbh×fyfc=15079.21

33、000×1800×36014.3=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、箍筋計算（1）驗算限制條件混凝土等級為C30，所以c=1.0hwb=17401000=1.74<4,屬于一般梁0.25cfcbh0=0.25×1.0×14.3×1000×1740=6220.5kNV=3530kN<0.25cfcbh0所以，非斜壓破壞。（2）、檢查是否需要按計算配置箍筋頂板承受均布荷載，則=1.5，軸力N=286.564

34、kN 1.75+1ftbh0=1.751.5+1×1.43×1000×1740 =1741.74kN>V=3530kN需要按計算配置箍筋。（3）設計箍筋六肢10箍筋（箍筋直徑滿足最小直徑要求）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，箍筋間距滿足要求。min=ASVbs=4711000×120=0.39%>0.24ftf