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
(地下矩形框架结构)
西南交通大学地下工程系
目录
第一章 课程设计任务概述 2
1.1课程设计目的 2
1.2设计规范及参考书 2
1.3课程设计方案 2
1.4课程设计的基本流程 4
第二章 平面结构计算简图及荷载计算 5
2.1平面结构计算简图 5
2.2.荷载计算 5
2.3荷载组合 6
第三章 结构内力计算 10
3.1 建模与计算 10
本课程设计采用ANSYS进行建模与计算,结构模型如下图:
10
3.2 基本组合 10
3.2标准组合 13
第四章 结构(墙、板、柱)配筋计算 16
4.1车站顶板上缘的配筋计算 16
4.2负一层中柱配筋计算 21
4.3顶纵梁上缘的配筋计算 22
4.4顶纵梁上缘裂缝宽度验算 24
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:
q1=20kPa
垂直土压力由公式q2=γihi,可得q2=17.5×3=52.5kN/m3
2、中板垂直荷载:
中板人群荷载:
q3=4kN/m2
设备荷载:
q4=8kN/m2
3、底板垂直荷载:
底板处水浮力:
q5=9.8×13.51=132.398kN/m2
2.2.2侧向荷载
1、侧向土压力:
土的浮重度γ'=γsat-γw=17.5+3-9.8=10.7kN/m3
侧向压力系数λ=tan245°-φ2=tan245°-21°2=0.472
土压力在顶板产生的侧向土压力:
e1=0.472×52.5=24.78kN/m2
土压力在底板产生的侧向土压力:
e2=0.472×52.5+10.7×13.51=92.77kN/m2
路面荷载在顶板产生的侧向压力e3=0.472×20=9.44kN/m2
路面荷载在底板产生的侧向压力e4=0.472×20=9.44kN/m2
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:
e5=9.8×13.51=132.398kN/m2
2.3荷载组合
2.3.1基本组合
1、顶板垂直荷载:
q顶板=1.35×52.5+1.4×0.7×20=90.475kN/m2
2、中板垂直荷载:
q中板=1.35×8+1.4×0.7×4=14.72kN/m2
3、底板垂直荷载:
q底板=1.35×132.398=178.737kN/m2
4、顶板侧向荷载:
e顶板=1.35×24.78+0+1.4×0.7×9.44=42.704kN/m2
5、底板侧向荷载:
e底板=1.35×92.77+132.398+1.4×0.7×9.44=313.228kN/m2
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:
q顶=(1.35×52.5+1.4×0.7×20)×7=633.325kN/m
顶板自重:
q自重=1.35×25×0.8×7=189kN/m
顶纵梁承受的荷载:
q顶总=633.325+189=822.325kN/m
7、中纵梁荷载:
顶板垂直荷载设计值:
q中=(1.35×8+1.4×0.7×4)×7=103.04kN/m
顶板自重:
q自重=1.35×25×0.5×7=118.125kN/m
顶纵梁承受的荷载:
q中总=103.04+118.125=221.165kN/m
8、底纵梁荷载:
顶板垂直荷载设计值:
q底=1.35×132.398×7=1251.161kN/m
顶板自重:
q自重=1.0×25×0.75×7=131.25kN/m
顶纵梁承受的荷载:
q底总=1251.161-131.25=1119.91kN/m
2.3.2标准组合
1、顶板垂直荷载:
q顶板=1.0×52.5+1.0×20=72.5KN/m2
2、中板垂直荷载:
q中板=1.0×8+1.0×4=12KN/m2
3、底板垂直荷载:
q底板=1.0×132.398=132.398kN/m2
4、顶板侧向荷载:
e顶板=1.0×24.78+0+1.0×9.44=34.22KN/m2
5、底板侧向荷载:
e底板=1.0×92.77+132.398+1.0×9.44=234.608kN/m2
6、顶纵梁荷载:
顶板垂直荷载设计值:
q顶=(1.0×52.5+1.0×20)×7=507.5kN/m
顶板自重:
q自重=1.0×25×0.8×7=140kN/m
顶纵梁承受的荷载:
q顶总=507.5+140=647.5kN/m
7、中纵梁荷载:
顶板垂直荷载设计值:
q中=(1.0×8+1.0×4)×7=84kN/m
顶板自重:
q自重=1.0×25×0.5×7=87.5kN/m
顶纵梁承受的荷载:
q中总=84+87.5=171.5kN/m
8、底纵梁荷载:
顶板垂直荷载设计值:
q底=1.0×132.398×7=926.786kN/m
顶板自重:
q自重=1.0×25×0.75×7=131.25kN/m
顶纵梁承受的荷载:
q底总=926.786-131.25=795.54kN/m
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(b×h)/m2
惯性矩/m4
单元类型
材料
顶板
1×0.80
0.04266667
Beam3
C30
中板
1×0.5
0.01041667
Beam3
C30
底板
1×0.75
0.03515625
Beam3
C30
侧墙
1×0.7
0.02858333
Beam3
C30
中柱
0.7×0.8
0.02986667
Beam3
C40
弹簧
1×0.5
——
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
10
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- 地铁 车站 主体 结构设计