地下工程課程設計(地下矩形框架結構)

1、地 下 工 程 課 程 設 計地鐵車站主體結構設計（地下矩形框架結構）學院名稱： 土木工程學院 班 級： 土木2012-7班 學生姓名： 陳鐵衛(wèi) 學生學號： 指導教師： 孫克國 目 錄第一章 課程設計任務概述11.1 課程設計目的11.2 設計規(guī)范及參考書11.3 課程設計方案11.3.1 方案概述11.3.2 主要材料31.4 課程設計基本流程4第二章 平面結構計算簡圖及荷載計算5第三章 結構內力計算6第四章 結構（墻、板、柱）配筋計算7第一章 課程設計任務概述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

2、化模型的計算簡圖、主動荷載及荷載的組合方式、彈性反力及其如何在計算中體現；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）1.3 課程設計方案1.3.1 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，結構尺寸參數詳見表1-2。車站埋深3m，地下水位距地面

3、3m，中柱截面橫向尺寸固定為0.8m（如圖1-1橫斷面方向），縱向柱間距8m。為簡化計算，圍巖為均一土體，土體參數詳見表1-1，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。要求用電算軟件完成結構內力計算，并根據混凝土結構設計規(guī)范完成墻、板、柱的配筋。圖 1-1 地鐵車站橫斷面示意圖（單位：mm）表1-1 地層物理力學參數編號重度彈性反力系數內摩擦角內聚力A11725020A217.525021A31830022A418.530023A51935024A619.535025A72

4、040026A820.540027注：飽和重度統(tǒng)一取“表中重度+3”。表1-2 結構尺寸參數（單位：m）編號跨度L頂板厚h1中板厚h2底板厚h3墻厚T中柱B180.70.40.80.60.80.8B280.750.40.80.60.80.8B380.80.40.80.60.80.8B480.850.40.90.60.80.8B58.50.80.40.90.60.80.8B68.50.80.450.90.60.80.8B78.50.80.50.90.60.80.8B87.50.70.40.80.60.80.8B97.50.750.40.80.60.80.8B107.50.80.40.80.60.

5、80.8（表1-1表1-2進行組合，每個人的具體工況請見EXCEL表格）表1-3 荷載組合表組合工況永久荷載系數可變荷載系數基本組合1.35（1.2）1.40.7（1.4）標準組合1.01.0注：括號中數值為可變荷載控制時的取值；當永久荷載對結構有利時，基本組合永久荷載系數取1.0。1.3.2 主要材料1、混凝土：墻、板用C30，柱子C40；彈性模量和泊松比查規(guī)范。2、鋼筋根據混凝土結構設計規(guī)范選用。1.4 課程設計基本流程1、根據提供的尺寸，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)一用朗金土壓力公式。荷

6、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、根據上述計算結果進行結構配筋。先根據基本組合的計算結果進行承載能力極限狀態(tài)的配筋，然后根據此配筋結果檢算正常使用極限狀態(tài)的裂縫寬度（內力采用標準組合計算結果）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、完成計算說明書，并繪制墻、板、柱的配筋圖。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2

7、.1.1中柱簡化由于中柱在縱向上的不連續(xù)性，按照抗壓剛度等效的原則，將中柱按照剛度等效的方法換算為等效墻來進行計算，然后以等效的墻來代替柱進行內力計算，所求得的“墻”內力即為柱的內力并以此來進行配筋及強度驗算。由，即，得。2.1.2計算簡圖 計算簡圖取中心線，如圖2-1所示。圖2-1 平面結構計算圖（單位：）2.2荷載計算1、垂直荷載（1）頂板垂直荷載：頂板垂直荷載由路面活載及垂直土壓力組成。路面活載： 垂直土壓力：頂板的自重：永久荷載控制時：可變荷載控制時：頂板垂直荷載設計值為：（2）中板垂直荷載：中板垂直荷載由人群及設備荷載、中板自重組成。 中板自重： 永久荷載控制時：可變荷載控制時：中板

8、垂直荷載設計值為：2、側向荷載側向壓力的大小與墻體的變形情況有關，在主動土壓力和被動土壓力之間變化，靜止土壓力進行計算。內摩擦角： 側壓力系數：側墻頂板處土壓力：永久荷載控制： 可變荷載控制： 取頂板處土壓力設計值為：側墻頂板處水壓力：標準值：設計值：側墻底板處土壓力：永久荷載控制：可變荷載控制：底板處土壓力設計值為：側墻底板處水壓力：設計值：標準值：3、水浮力：設計值：標準值：2.2.1荷載計算簡圖結構所受荷載如下表所示：表2-1基本組合作用在結構上的荷載位置頂板中板底板側墻頂板處側墻底板處土壓力水壓力土壓力水壓力荷載（）（）115.0414.72-172.2648.554.73133.39

9、172.26表2-2標準組合作用在結構上的荷載位置頂板中板底板側墻頂板處側墻底板處土壓力水壓力土壓力水壓力荷載（）（）90.712-127.6038.283.5101.12127.60作用在主體結構上的荷載如圖2-2所示。圖2-2 荷載計算簡圖第三章 結構內力計算3.1內力計算地基對結構的彈性反力用彈簧代替，由于結構與荷載均對稱，結構的中軸在水平方向上沒有位移，所以對中軸底端位移進行水平方向約束。使用ANSYS10.0計算主體結構橫斷面的內力。3.2計算結果3.2.1 ANSYS內力圖結構變形圖，以及軸力、剪力、彎矩計算結果如圖所示。荷載設計值作用，如圖所示：圖3-1 基本組合變形圖圖3-2

10、軸力圖（單位：）圖3-3 剪力圖（單位：）圖3-4 彎矩圖（單位：）在荷載標準值作用，如圖所示：圖3-5 標準組合變形圖圖3-6 軸力圖（單位：）圖3-7 剪力圖（單位：）圖3-8 彎矩圖（單位：）3.2.2標準斷面結構內力要進行結構斷面配筋，斷面結構內力值見表3-1。要進行裂縫寬度驗算，斷面結構內力值見表3-2。表3-1基本組合標準斷面結構內力構件彎矩/軸力/剪力/頂板上緣585.50357.52516.71頂板下緣359.71357.52516.71中板上緣207.17950.03112.58中板下緣31.13950.03112.58底板上緣280.88936.50756.80底板下緣98

11、2.47936.50756.80側墻迎土面負一層357.4646.74485.38負二層982.47815.43936.51側墻背土面負一層23.53646.74485.38負二層543.30815.43936.51中柱負一層01035.80負二層01106.800表3-2標準組合標準斷面結構內力構件彎矩/軸力/剪力/頂板上緣445.16269.69395.65頂板下緣276.88269.69395.65中板上緣162.38768.9391.74中板下緣28.56768.9391.74底板上緣222.53696.28606.41底板下緣746.63696.28606.41側墻迎土面負一層311

12、.37580.63341.55負二層746.63673.53696.28側墻背土面負一層15.68580.63341.55負二層394.60673.53696.28中柱負一層0722.470負二層0867.980第四章 結構（墻、板、柱）配筋計算4.1車站頂板、中板、底板、側墻配筋計算4.1.1 頂板上緣的配筋計算截面尺寸，計算長度，彎矩設計值，軸力設計值，混凝土等級C30（， ），采用HRB400鋼筋（，）。（1）配筋計算驗算計算偏心距： 附加偏心距： 初始偏心距：由初步判斷為大偏心受壓構件。為充分利用受壓區(qū)混凝土的抗壓強度，設且 則受壓區(qū)鋼筋面積：無需設置受壓鋼筋，按構造配筋。按最小配筋率

13、設置受壓鋼筋，。選用6C20鋼筋（）。受壓區(qū)高度則受拉區(qū)鋼筋面積：所以 選用受拉鋼筋9C25（）。滿足要求。（2）裂縫寬度驗算 由 需驗算裂縫寬度。所以偏心距增大系數： 。軸向壓力作用點至縱向受拉鋼筋合力點的距離： 縱向受拉鋼筋合力點至截面受壓合力點的距離：縱向受拉鋼筋配筋率：按荷載效應的標準組合計算的軸向力:鋼筋混凝土構件受拉區(qū)縱向鋼筋的應力:裂隙間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數：最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離：受拉區(qū)縱向鋼筋的等效直徑：所以最大裂縫寬度：滿足要求。4.1.2其他標準截面的配筋計算及裂縫寬度驗算其他截面位置配筋過程同頂板上緣，標準截面配筋計算見表4-1、4-2，裂縫寬

14、度驗算詳見表4-3。表4-1 偏心距計算及初步判斷大小偏心截面位置頂板下緣中板上緣中板下緣底板上緣底板下緣側墻迎土面負一層側墻背土面負一層505050505050506503503506506505505501006.13219.1232.77299.931049.09552.62 40.52 23.33202023.3323.3320201027.80239.1252.77323.261072.42572.62 60.52 /195105105195195165165初步判斷破壞類型大偏心大偏心小偏心大偏心大偏心大偏心小偏心表4-2 鋼筋計算表 截面位置頂板下緣中板上緣中板下緣底板上緣底板下

15、緣側墻迎土面負一層側墻背土面負一層1327.80389.12202.77623.261372.42822.62 310.52 -8538.6-2802.9-4442.1-8034.1-4786.0-6268.71 -2530.11 14008008001400140012001200選取受壓鋼筋6C206C166C166C206C206C186C18受壓鋼筋面積18841206120618841884152715270.0110.137-0.0290.1450.059-0.0110.1480.5720.0290.1530.0610.5667.1551.8200.218.8599.4233.55

16、311.3727.8089.12-23.26772.42322.62 - 與比較1204.64783.95-7016.5100.833294.131159.17 -611.19 選取受拉鋼筋6C206C166C166C229C286C206C2018841206120622815542188418840.00270.00300.00300.00270.00790.00740.00310.00540.00600.00600.00540.01060.000990.0057根據混凝土結構設計規(guī)范（GB 50010-2010），如果，可不驗算裂縫寬度。中板下緣： ；底板上緣：；側墻背土面負一層：不需進行裂縫寬度驗算。表4-3 裂縫寬度驗算表 截面位置頂板上緣頂板下緣中板上緣底板下緣側墻迎土負一層側墻背土面1650.641026.66211.181072.31536.26 585.8710.0010.0017.5010.0011.6711.67111.0731111950.641326.66376.591372.31786.26 835.87556.84546.78268.22548.00446.21 449.920.0130.0060.0060.0160.006 0.01148.92199.00257.6416