地铁车站主体结构设计.docx
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地铁车站主体结构设计
地铁车站主体结构设计
(地下矩形框架结构)
西南交通大学地下工程系
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;掌握平面简化模型的计算简图、荷载分类及荷载的组合方式、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1-1。
车站埋深3m,地下水位距地面3m,中柱截面的横向(即垂直于车站纵向)尺寸固定为0.8m(如图1-1标注),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1-2,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。
纵向(纵梁)计算要求分别计算顶纵梁、中纵梁、底纵梁受力及其配筋。
顶纵梁尺寸:
1000mm×1800mm(宽×高);中纵梁尺寸:
1000mm×1000mm(宽×高);底纵梁尺寸:
1000mm×2100mm(宽×高)。
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、梁、柱的配筋。
图1-1地铁车站横断面示意图(单位:
mm)
本人所做的计算工况是A2,B26,查表可得其地层物理力学参数如表1-1所示,结构尺寸参数如表1-2所示,荷载组合如表1-3所示。
表1-1地层物理力学参数
重度
弹性反力系数
内摩擦角
内聚力
17.5
250
21
-
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)
跨度L
顶板厚h1
中板厚h2
底板厚h3
墙厚T
中柱
7
0.8
0.5
0.75
0.7
0.8×0.7
表1-3荷载组合表
组合工况
永久荷载
可变荷载
基本组合
1.35(1.0)
1.4×0.7
标准组合
1.0
1.0
注:
括号中数值为荷载有利时取值。
1.3.2主要材料
1、混凝土:
墙、板、梁用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课程设计的基本流程
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静止土压力公式。
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(内力采用标准组合计算结果)的裂缝宽度是否通过?
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、完成计算书
第二章平面结构计算简图及荷载计算
2.1平面结构计算简图
地基对结构的弹性反力用弹簧代替,结构纵向长度取1米,采用水土分算,其平面结构计算简图,如图2-1所示。
图2-1
2.2.荷载计算
2.2.1垂直荷载
1、顶板垂直荷载:
顶板垂直荷载由路面荷载和垂直土压力组成。
路面荷载:
垂直土压力由公式,可得
2、中板垂直荷载:
中板人群荷载:
设备荷载:
3、底板垂直荷载:
底板处水浮力:
2.2.2侧向荷载
1、侧向土压力:
土的浮重度
侧向压力系数
土压力在顶板产生的侧向土压力:
土压力在底板产生的侧向土压力:
路面荷载在顶板产生的侧向压力
路面荷载在底板产生的侧向压力
2、侧向水压力
侧墙顶板处的水压力为零。
侧墙底板处的水压力:
2.3荷载组合
2.3.1基本组合
1、顶板垂直荷载:
2、中板垂直荷载:
3、底板垂直荷载:
4、顶板侧向荷载:
5、底板侧向荷载:
6、顶纵梁荷载:
纵梁计算位置考虑最不利位置,取纵梁两侧相邻顶板半跨荷载之和,即纵梁荷载为两个半跨顶板上的荷载及顶板自重之和。
顶板垂直荷载设计值:
顶板自重:
顶纵梁承受的荷载:
7、中纵梁荷载:
顶板垂直荷载设计值:
顶板自重:
顶纵梁承受的荷载:
8、底纵梁荷载:
顶板垂直荷载设计值:
顶板自重:
顶纵梁承受的荷载:
2.3.2标准组合
1、顶板垂直荷载:
2、中板垂直荷载:
3、底板垂直荷载:
4、顶板侧向荷载:
5、底板侧向荷载:
6、顶纵梁荷载:
顶板垂直荷载设计值:
顶板自重:
顶纵梁承受的荷载:
7、中纵梁荷载:
顶板垂直荷载设计值:
顶板自重:
顶纵梁承受的荷载:
8、底纵梁荷载:
顶板垂直荷载设计值:
顶板自重:
顶纵梁承受的荷载:
第三章结构内力计算
3.1建模与计算
本课程设计采用ANSYS进行建模与计算,结构模型如下图:
图3-1结构模型图
模型中各构件单元截面的尺寸特性如表3-1:
表3-1构件单元截面尺寸表
截面面积()/m2
惯性矩/m4
单元类型
材料
顶板
0.04266667
Beam3
C30
中板
0.01041667
Beam3
C30
底板
0.03515625
Beam3
C30
侧墙
0.02858333
Beam3
C30
中柱
0.02986667
Beam3
C40
弹簧
——
Link10
土
3.2基本组合
3.2.1横断面变形图
结构横断面变形图如图3-2。
图3-2基本组合横断面变形图
3.2.2横断面轴力图
结构横断面轴力图如图3-3。
图3-3基本组合横断面轴力图
3.2.3横断面剪力图
结构横断面剪力如图3-4。
图3-4基本组合横断面剪力图
3.2.3横断面弯矩图
结构横断面弯矩如图3-5。
图3-5基本组合横断面弯矩图
3.3标准组合
3.3.1横断面变形图
结构横断面变形图如图3-6。
图3-6标准组合横断面变形图
3.2.2横断面轴力图
结构横断面轴力图如图3-7。
图3-7标准组合横断面轴力图
3.2.3横断面剪力图
结构横断面剪力如图3-8。
图3-8标准组合横断面剪力图
3.2.3横断面弯矩图
结构横断面弯矩如图3-9。
图3-9标准组合横断面弯矩图
第四章结构(墙、板、柱)配筋计算
要进行结构断面配筋,选用的弯矩和轴力是在考虑最不利位置处。
对于梁端弯矩采用弯矩调幅系数,弯矩调幅系数是反映连续梁内力重分布能力的参数。
调幅过后实际配筋内力见表4-1
表4-1
构件
弯矩
轴力
剪力
尺寸
顶板上缘
400.98
286.564
387.69
1000*800
顶板下缘
350.032
286.564
387.69
1000*800
中板上缘
237.73
1070
127.04
1000*500
中板下缘
107.582
1070
127.04
1000*500
底板上缘
413.691
1030
749.25
1000*750
底板下缘
920
1030
749.25
1000*750
负一层侧墙迎土面
436.101
549.017
302.663
1000*700
负一层侧墙背土面
0
549.017
302.663
1000*700
负二层侧墙迎土面
920
861.454
888.32
1000*700
负二层侧墙背土面
694.113
861.454
888.32
1000*700
负一层中柱
0
6489.86
0
800*700
负二层中柱
0
8160
0
800*700
顶纵梁上缘
0*1800
顶纵梁下缘
0*1800
中纵梁上缘
0*1000
中纵梁下缘
734.
*1000
底纵梁上缘
0*2100
底纵梁下缘
0*2100
4.1车站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,,,采用三级钢筋(,)。
1、求偏心距
附加偏心距:
初始偏心距:
因为本设计不考虑二阶效应,故不需要计算偏心距增大系数。
2、判断大小偏心
计算偏心距:
所以属于大偏心受压构件。
3、求受压区钢筋面积
取。
则受压区钢筋面积:
取。
选用()。
4、求受拉钢筋面积
受压区高度:
则受拉区钢筋面积:
故
取。
选用()。
所以非超筋。
5、箍筋计算
(1)验算限制条件
混凝土等级为,所以
属于一般梁
所以,非斜压破坏。
(2)、检查是否需要按计算配置箍筋
顶板承受均布荷载,则,轴力
只需要构造配筋
按构造进行配筋,选取六肢箍筋(箍筋直径满足最小直径要求),间距s取250mm
6、裂缝宽度验算
根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002),当时需要验算裂缝宽度。
所以使用阶段的轴向压力偏心距增大系数。
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:
按有效受拉混凝土截面面积计算的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:
裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数:
故取。
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。
故最大裂缝宽度:
故满足裂缝宽度。
地铁结构其他截面位置配筋过程同顶板上缘类似,均选取混凝土等级,,,采用三级钢筋(,)。
标准截面配筋计算详见下表4-2及4-3。
顶板上缘
顶板下缘
中板上缘
中板下缘
底板上缘
底板下缘
尺寸
1000*800
1000*800
1000*500
1000*500
1000*750
1000*750
弯矩设计值
400.98
350.032
237.73
107.582
413.691
920
轴力设计值
286.564
286.564
1070
1070
749.25
749.25
偏心距
1399.27
1221.479
222.176
100.54
552.14
1227.895
偏心距增大系数
1
1
1
1
1
1
判断大小偏心受压
大偏心
大偏心
大偏心
小偏心
大偏心
大偏心
受压钢筋面积
2199
2199
1272
1272
18
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- 地铁 车站 主体 结构设计