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1、 地 下 工 程 课 程 设 计地铁车站主体结构设计（地下矩形框架结构）学院名称： 土木工程学院 班 级： 土木2012-7班 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 地下工程本科课程设计 目 录第一章 课程设计任务概述11.1 课程设计目的11.2 设计规范及参考书11.3 课程设计方案11.3.1 方案概述11.3.2 主要材料31.4 课程设计基本流程4第二章 平面结构计算简图及荷载计算5第三章 结构内力计算6第四章 结构（墙、板、柱）配筋计算7第一章 课程设计任务概述1.1 课程设计目的初步掌握地铁车站主体结构设计的基本流程；通过课程设计学习，熟悉地下工程“荷载结构”法的有限元计算过程；掌
2、握平面简化模型的计算简图、主动荷载及荷载的组合方式、弹性反力及其如何在计算中体现；通过实际操作，掌握有限元建模、划分单元、施加约束、施加荷载的方法；掌握地下矩形框架结构的内力分布特点，并根据结构内力完成配筋工作。为毕业设计及今后的实际工作做理论和实践上的准备。1.2 设计规范及参考书1、地铁设计规范2、建筑结构荷载规范3、混凝土结构设计规范4、地下铁道（高波主编，西南交通大学出版社）5、混凝土结构设计原理教材6、计算软件基本使用教程相关的参考书（推荐用ANSYS）1.3 课程设计方案1.3.1 方案概述某地铁车站采用明挖法施工，结构为矩形框架结构，结构尺寸参数详见表1-2。车站埋深3m，地下水
3、位距地面3m，中柱截面横向尺寸固定为0.8m（如图1-1横断面方向），纵向柱间距8m。为简化计算，围岩为均一土体，土体参数详见表1-1，采用水土分算。路面荷载为，钢筋混凝土重度，中板人群与设备荷载分别取、。荷载组合按表1-3取用，基本组合用于承载能力极限状态设计，标准组合用于正常使用极限状态设计。要求用电算软件完成结构内力计算，并根据混凝土结构设计规范完成墙、板、柱的配筋。图 1-1 地铁车站横断面示意图（单位：mm）表1-1 地层物理力学参数编号重度弹性反力系数内摩擦角内聚力A11725020A217.525021A31830022A418.530023A51935024A619.53502
4、5A72040026A820.540027注：饱和重度统一取“表中重度+3”。表1-2 结构尺寸参数（单位：m）编号跨度L顶板厚h1中板厚h2底板厚h3墙厚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
5、.60.80.8（表1-1表1-2进行组合，每个人的具体工况请见EXCEL表格）表1-3 荷载组合表组合工况永久荷载系数可变荷载系数基本组合1.35（1.2）1.40.7（1.4）标准组合1.01.0注：括号中数值为可变荷载控制时的取值；当永久荷载对结构有利时，基本组合永久荷载系数取1.0。1.3.2 主要材料1、混凝土：墙、板用C30，柱子C40；弹性模量和泊松比查规范。2、钢筋根据混凝土结构设计规范选用。1.4 课程设计基本流程1、根据提供的尺寸，确定平面计算简图（重点说明中柱如何简化）；2、荷载计算。包括垂直荷载和侧向荷载，采用水土分算；不考虑人防荷载和地震荷载。侧向荷载统一用朗金土压力
6、公式。荷载组合本次课程设计只考虑基本组合和标准组合两种工况。3、有限元建模、施加约束、施加荷载、运行计算以及计算结果的提取。注意土层约束简化为弹簧，满足温克尔假定且只能受压不能受拉，即弹簧轴力为正时应撤掉该弹性链杆重新计算。另要求计算结果必须包括结构变形、弯矩、轴力、剪力。4、根据上述计算结果进行结构配筋。先根据基本组合的计算结果进行承载能力极限状态的配筋，然后根据此配筋结果检算正常使用极限状态的裂缝宽度（内力采用标准组合计算结果）是否通过？若通过，则完成配筋；若不通过，则调整配筋量，直至检算通过。5、完成计算说明书，并绘制墙、板、柱的配筋图。第二章 平面结构计算简图及荷载计算2.1平面结构计
7、算简图2.1.1中柱简化由于中柱在纵向上的不连续性，按照抗压刚度等效的原则，将中柱按照刚度等效的方法换算为等效墙来进行计算，然后以等效的墙来代替柱进行内力计算，所求得的“墙”内力即为柱的内力并以此来进行配筋及强度验算。由，即，得。2.1.2计算简图 计算简图取中心线，如图2-1所示。图2-1 平面结构计算图（单位：）2.2荷载计算1、垂直荷载（1）顶板垂直荷载：顶板垂直荷载由路面活载及垂直土压力组成。路面活载： 垂直土压力：顶板的自重：永久荷载控制时：可变荷载控制时：顶板垂直荷载设计值为：（2）中板垂直荷载：中板垂直荷载由人群及设备荷载、中板自重组成。 中板自重： 永久荷载控制时：可变荷载控制
8、时：中板垂直荷载设计值为：2、侧向荷载侧向压力的大小与墙体的变形情况有关，在主动土压力和被动土压力之间变化，静止土压力进行计算。内摩擦角： 侧压力系数：侧墙顶板处土压力：永久荷载控制： 可变荷载控制： 取顶板处土压力设计值为：侧墙顶板处水压力：标准值：设计值：侧墙底板处土压力：永久荷载控制：可变荷载控制：底板处土压力设计值为：侧墙底板处水压力：设计值：标准值：3、水浮力：设计值：标准值：2.2.1荷载计算简图结构所受荷载如下表所示：表2-1基本组合作用在结构上的荷载位置顶板中板底板侧墙顶板处侧墙底板处土压力水压力土压力水压力荷载（）（）115.0414.72-172.2648.554.7313
9、3.39172.26表2-2标准组合作用在结构上的荷载位置顶板中板底板侧墙顶板处侧墙底板处土压力水压力土压力水压力荷载（）（）90.712-127.6038.283.5101.12127.60作用在主体结构上的荷载如图2-2所示。图2-2 荷载计算简图第三章 结构内力计算3.1内力计算地基对结构的弹性反力用弹簧代替，由于结构与荷载均对称，结构的中轴在水平方向上没有位移，所以对中轴底端位移进行水平方向约束。使用ANSYS10.0计算主体结构横断面的内力。3.2计算结果3.2.1 ANSYS内力图结构变形图，以及轴力、剪力、弯矩计算结果如图所示。荷载设计值作用，如图所示：图3-1 基本组合变形图图
10、3-2 轴力图（单位：）图3-3 剪力图（单位：）图3-4 弯矩图（单位：）在荷载标准值作用，如图所示：图3-5 标准组合变形图图3-6 轴力图（单位：）图3-7 剪力图（单位：）图3-8 弯矩图（单位：）3.2.2标准断面结构内力要进行结构断面配筋，断面结构内力值见表3-1。要进行裂缝宽度验算，断面结构内力值见表3-2。表3-1基本组合标准断面结构内力构件弯矩/轴力/剪力/顶板上缘585.50357.52516.71顶板下缘359.71357.52516.71中板上缘207.17950.03112.58中板下缘31.13950.03112.58底板上缘280.88936.50756.80底板
11、下缘982.47936.50756.80侧墙迎土面负一层357.4646.74485.38负二层982.47815.43936.51侧墙背土面负一层23.53646.74485.38负二层543.30815.43936.51中柱负一层01035.80负二层01106.800表3-2标准组合标准断面结构内力构件弯矩/轴力/剪力/顶板上缘445.16269.69395.65顶板下缘276.88269.69395.65中板上缘162.38768.9391.74中板下缘28.56768.9391.74底板上缘222.53696.28606.41底板下缘746.63696.28606.41侧墙迎土面负一
12、层311.37580.63341.55负二层746.63673.53696.28侧墙背土面负一层15.68580.63341.55负二层394.60673.53696.28中柱负一层0722.470负二层0867.980第四章 结构（墙、板、柱）配筋计算4.1车站顶板、中板、底板、侧墙配筋计算4.1.1 顶板上缘的配筋计算截面尺寸，计算长度，弯矩设计值，轴力设计值，混凝土等级C30（， ），采用HRB400钢筋（，）。（1）配筋计算验算计算偏心距： 附加偏心距： 初始偏心距：由初步判断为大偏心受压构件。为充分利用受压区混凝土的抗压强度，设且 则受压区钢筋面积：无需设置受压钢筋，按构造配筋。按最
13、小配筋率设置受压钢筋，。选用6C20钢筋（）。受压区高度则受拉区钢筋面积：所以 选用受拉钢筋9C25（）。满足要求。（2）裂缝宽度验算 由 需验算裂缝宽度。所以偏心距增大系数： 。轴向压力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离： 纵向受拉钢筋合力点至截面受压合力点的距离：纵向受拉钢筋配筋率：按荷载效应的标准组合计算的轴向力:钢筋混凝土构件受拉区纵向钢筋的应力:裂隙间纵向受拉钢筋应变不均匀系数：最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离：受拉区纵向钢筋的等效直径：所以最大裂缝宽度：满足要求。4.1.2其他标准截面的配筋计算及裂缝宽度验算其他截面位置配筋过程同顶板上缘，标准截面配筋计算见表4-1、4-2
14、，裂缝宽度验算详见表4-3。表4-1 偏心距计算及初步判断大小偏心截面位置顶板下缘中板上缘中板下缘底板上缘底板下缘侧墙迎土面负一层侧墙背土面负一层505050505050506503503506506505505501006.13219.1232.77299.931049.09552.62 40.52 23.33202023.3323.3320201027.80239.1252.77323.261072.42572.62 60.52 /195105105195195165165初步判断破坏类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 钢筋计算表 截面位置顶板下缘中板上缘中板下缘底板上
15、缘底板下缘侧墙迎土面负一层侧墙背土面负一层1327.80389.12202.77623.261372.42822.62 310.52 -8538.6-2802.9-4442.1-8034.1-4786.0-6268.71 -2530.11 14008008001400140012001200选取受压钢筋6C206C166C166C206C206C186C18受压钢筋面积18841206120618841884152715270.0110.137-0.0290.1450.059-0.0110.1480.5720.0290.1530.0610.5667.1551.8200.218.8599.423
16、3.55311.3727.8089.12-23.26772.42322.62 - 与比较1204.64783.95-7016.5100.833294.131159.17 -611.19 选取受拉钢筋6C206C166C166C229C286C206C2018841206120622815542188418840.00270.00300.00300.00270.00790.00740.00310.00540.00600.00600.00540.01060.000990.0057根据混凝土结构设计规范（GB 50010-2010），如果，可不验算裂缝宽度。中板下缘： ；底板上缘：；侧墙背土面负一层
17、：不需进行裂缝宽度验算。表4-3 裂缝宽度验算表 截面位置顶板上缘顶板下缘中板上缘底板下缘侧墙迎土负一层侧墙背土面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 0.01148.92199.00257.64163.15234.87 173.810.4050.2000.2590.5940.214 0.38737.54042364037.5252016282025裂缝宽度验算0.1320.1300.1850.1930.1580.157备 注1.当时，取；当时，取由表中可得，裂缝宽度满足要求。4.2中柱的配筋计算中柱尺寸，轴力设计值为，混凝土等级C40，采用HRB400钢筋，。中柱的横截面的回转半径： 由，应按长柱进行计算。式中 钢筋混凝土构件的稳定系数； ，查混规线性插值，取柱的配筋：按构造配筋：纵筋选用6C18，。配筋率： 满足要求。19
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