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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 20120249 指導教師 孫克國 地下工程本科課程設計 目 錄 第一章 課程設計任務概述 1 1 1 課程設計目的 1 1 2 設計規(guī)范及參考書 1 1 3 課程設計方案 1 1 3 1 方案概述 1 1 3 2 主要材料 3 1 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 地下工程本科課程設計 0 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 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2 0mkN 中板人群與設備荷載分別取 荷載組合按3 25mkNco 42 8k 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 地下工程本科課程設計 1 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 3mkN 彈性反力系數 mMPaK內摩擦角 內聚力 kPac A1 17 250 20 A2 17 5 250 21 A3 18 300 22 A4 18 5 300 23 A5 19 350 24 A6 19 5 350 25 A7 20 400 26 A8 20 5 400 27 注 飽和重度統一取 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 B1 8 0 7 0 4 0 8 0 6 0 8 0 8 B2 8 0 75 0 4 0 8 0 6 0 8 0 8 B3 8 0 8 0 4 0 8 0 6 0 8 0 8 B4 8 0 85 0 4 0 9 0 6 0 8 0 8 地下工程本科課程設計 2 B5 8 5 0 8 0 4 0 9 0 6 0 8 0 8 B6 8 5 0 8 0 45 0 9 0 6 0 8 0 8 B7 8 5 0 8 0 5 0 9 0 6 0 8 0 8 B8 7 5 0 7 0 4 0 8 0 6 0 8 0 8 B9 7 5 0 75 0 4 0 8 0 6 0 8 0 8 B10 7 5 0 8 0 4 0 8 0 6 0 8 0 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 4 0 7 1 4 標準組合 1 0 1 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 側向荷載統一用朗金土壓力公式 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 地下工程本科課程設計 3 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 地下工程本科課程設計 4 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 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 12EA 807 b 70m 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 m 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 120qkPa 垂直土壓力 20 71935 21 70 ihkPa 地下工程本科課程設計 5 頂板的自重 30 7251 qkPa 永久荷載控制時 1234 518 67 qkPa 可變荷載控制時 4 頂板垂直荷載設計值為 867 0 qk 頂 板 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 0 4251 0qkPa 中 永久荷載控制時 8 34 728 kPa 可變荷載控制時 k 中板垂直荷載設計值為 2 150 q 中 板 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 24 側壓力系數 tan 5 0 42 側墻頂板處土壓力 永久荷載控制 11 8 5 kPaeq 頂 板 可變荷載控制 02461 頂 板 取頂板處土壓力設計值為 18 5 ekPa 側墻頂板處水壓力 標準值 10 3 wq 設計值 51473 ka 側墻底板處土壓力 永久荷載控制 2 1 04 2 13 0 4213 9 eqh kPa 地下工程本科課程設計 6 可變荷載控制 2 12 410 2 412 93 eqh kPa 底板處土壓力設計值為 39 ekPa 側墻底板處水壓力 設計值 210 76512 6 wqk 標準值 0a 3 水浮力 設計值 210 763512 6 wqkP 標準值 0a 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 側墻頂板處 側墻底板處位置 頂板 中板 底板 土壓力 水壓力 土壓力 水壓力 荷載 kPa 115 04 14 72 172 26 48 55 4 73 133 39 172 26 表 2 2 標準組合作用在結構上的荷載 側墻頂板處 側墻底板處位置 頂板 中板 底板 土壓力 水壓力 土壓力 水壓力 荷載 kPa 90 7 12 127 60 38 28 3 5 101 12 127 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 地下工程本科課程設計 7 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0 u 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 3 14 圖 3 1 基本組合變形圖 地下工程本科課程設計 8 圖 3 2 軸力圖 單位 N 圖 3 3 剪力圖 單位 N 地下工程本科課程設計 9 圖 3 4 彎矩圖 單位 Nm 在荷載標準值作用 如圖 所示 3 58 圖 3 5 標準組合變形圖 地下工程本科課程設計 10 圖 3 6 軸力圖 單位 N 圖 3 7 剪力圖 單位 N 地下工程本科課程設計 11 圖 3 8 彎矩圖 單位 Nm 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 kNm 軸力 kN剪力 kN 頂板上緣 585 50 357 52 516 71 頂板下緣 359 71 357 52 516 71 中板上緣 207 17 950 03 112 58 中板下緣 31 13 950 03 112 58 底板上緣 280 88 936 50 756 80 底板下緣 982 47 936 50 756 80 負一層 357 4 646 74 485 38側墻 迎土面 負二層 982 47 815 43 936 51 側墻 負一層 23 53 646 74 485 38 地下工程本科課程設計 12 背土面 負二層 543 30 815 43 936 51 負一層 0 1035 8 0中 柱 負二層 0 1106 80 0 表 3 2 標準組合標準斷面結構內力 構件 彎矩 kNm 軸力 kN剪力 kN 頂板上緣 445 16 269 69 395 65 頂板下緣 276 88 269 69 395 65 中板上緣 162 38 768 93 91 74 中板下緣 28 56 768 93 91 74 底板上緣 222 53 696 28 606 41 底板下緣 746 63 696 28 606 41 負一層 311 37 580 63 341 55側墻 迎土面 負二層 746 63 673 53 696 28 負一層 15 68 580 63 341 55側墻 背土面 負二層 394 60 673 53 696 28 負一層 0 722 47 0中 柱 負二層 0 867 98 0 地下工程本科課程設計 13 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 107bh 50sam 07560hm 計算長度 彎矩設計值 軸力設計值0 lm8 MkN 混凝土等級 C30 357 2 Nk 2143 cf 21 43 tfN 采用 HRB400 鋼筋 2360 yfm 5 0sEm 1 配筋計算驗算 計算偏心距 30 58 1 59 7163 eMN 附加偏心距 ax 2 0 2h 初始偏心距 0637 iem 由 0 1 195im 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 0 518b 且 7016519 22isheam 則受壓區(qū)鋼筋面積 2 10 3 22 57 91 43065 18 0 518 40 cbbsysNfAham 無需設置受壓鋼筋 按構造配筋 按最小配筋率設置受壓鋼筋 2min0 21704 sAbhm 選用 6C20 鋼筋 84 s 地下工程本科課程設計 14 3002 211 57 21096184 50 494 yssscNefAhab 49 1400 sAbh 選用受拉鋼筋 9C25 2418sm 0 9 57sbh 滿足要求 2 裂縫寬度驗算 由 需驗算裂縫寬度 0 0165 4 537 emhm 0714 lh 所以偏心距增大系數 s 軸向壓力作用點至縱向受拉鋼筋合力點的距離 0 51 065 470519 64 sseha m 縱向受拉鋼筋合力點至截面受壓合力點的距離 2 20 871 872 8 1950 64ze 縱向受拉鋼筋配筋率 4 30 5 107sstetAbh 按荷載效應的標準組合計算的軸向力 269 kN 地下工程本科課程設計 15 鋼筋混凝土構件受拉區(qū)縱向鋼筋的應力 3 2 269 10 5 64 8 14 9 8kssNez NmA 裂隙間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數 0 650 652111 0 4538 9tkesf 最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離 37 cm 受拉區(qū)縱向鋼筋的等效直徑 25eqdm 所以最大裂縫寬度 max 51 9 08149225 370 8 13032 eqsktwcEm 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 sam 50 50 50 50 50 50 500h 650 350 350 650 650 550 550 e 1006 13 219 12 32 77 299 93 1049 09 552 62 40 52 a 23 33 20 20 23 33 23 33 20 20 i 1027 80 239 12 52 77 323 26 1072 42 572 62 60 52 0 3hm195 105 105 195 195 165 165 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 地下工程本科課程設計 16 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 下緣 側墻迎 土面負 一層 側墻背 土面負 一層0 5iseha 1327 80 389 12 202 77 623 26 1372 42 822 62 310 52 sA 8538 6 2802 9 4442 1 8034 1 4786 0 6268 71 2530 11 minb 1400 800 800 1400 1400 1200 1200 選取受壓鋼筋 6C20 6C16 6C16 6C20 6C20 6C18 6C18 受壓鋼筋面積 s1884 1206 1206 1884 1884 1527 1527s 0 011 0 137 0 029 0 145 0 059 0 011 0 148 0 572 0 029 0 153 0 061 0 566x 7 15 51 8 200 2 18 85 99 42 33 55 311 3 0 5iseha 727 80 89 12 23 26 772 42 322 62 與 比較 2s 2sxa s 2sxa s 2sxa s 2sxaA 1204 64 783 95 7016 5 100 83 3294 13 1159 17 611 19 選取受拉鋼筋 6C20 6C16 6C16 6C22 9C28 6C20 6C20s 1884 1206 1206 2281 5542 1884 1884 0 0027 0 0030 0 0030 0 0027 0 0079 0 0074 0 0031 sAbh 0 0054 0 0060 0 0060 0 0054 0 0106 0 00099 0 0057 根據 混凝土結構設計規(guī)范 GB 50010 2010 如果 可不0 5eh 驗算裂縫寬度 中板下緣 0 37 1450 6 5eh 底板上緣 9692 側墻背土面負一層 0 40 e 不需進行裂縫寬度驗算 地下工程本科課程設計 17 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0e 1650 64 1026 66 211 18 1072 31 536 26 585 87 lh 10 00 10 00 17 50 10 00 11 67 11 67s 1 1 1 073 1 1 10 5sea 1950 64 1326 66 376 59 1372 31 786 26 835 87 zm 556 84 546 78 268 22 548 00 446 21 449 92 tesAbh 0 013 0 006 0 006 0 016 0 006 0 012 kN 148 92 199 00 257 64 163 15 234 87 173 81 0 405 0 200 0 259 0 594 0 214 0 387 c 37 5 40 42 36 40 37 5eqdm 25 20 16 28 20 25 裂縫寬度驗算 ax w0 132 0 130 0 185 0 193 0 158 0 157 備 注 1 當 時 取 當 時 取0 2 0 2 1 0 1 0 由表中可得 裂縫寬度滿足要求 max 4 2 中柱的配筋計算 中柱尺寸 軸力設計值為 混凝土等級 C40 807 106 8 kN 采用 HRB400 鋼筋 219 cfN 21 tfNm 36y 52 sE 中柱的橫截面的回轉半徑 0 9 560231iIAm 由 應按長柱進行計算 0 71 29 0528 li cysNf 式中 鋼筋混凝土構件的穩(wěn)定系數 查 混規(guī) 線性插值 取0 671 09 586lb 0 984 柱的配筋 地下工程本科課程設計 18 2 0 91068 9084 1 07639 036csyNfAA m 按構造配筋 2min0 28701 sbhm 縱筋選用 6C18 15 sA 配筋率 滿足要求 max0 270 58s