西南交通大学地下工程课程设计

地下工程本科课程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.............................................................................................41.4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.....................................8第四章结构（墙、板、柱）配筋计算.......................11地下工程本科课程设计1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2/20mkN，钢筋混凝土重度3/25mkNco，中板人群与设备荷载分别取2/4mkN、2/8mkN。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（宽地下工程本科课程设计2×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）我是A2B5表1-1地层物理力学参数编号重度)//(3mkN弹性反力系数)//(mMPaK内摩擦角/内聚力)/(kPacA11725020——A217.525021——A31830022——A418.530023——A51935024——A619.535025——A72040026——A820.540027——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B16.50.60.40.60.60.8×0.8地下工程本科课程设计3B26.50.650.40.650.60.8×0.8B36.50.70.40.70.60.8×0.8B46.50.750.40.750.60.8×0.8B56.50.80.40.80.60.8×0.8B670.60.40.650.60.8×0.8B770.650.40.70.60.8×0.8B870.70.40.750.60.8×0.8B970.750.40.80.60.8×0.8B1070.80.40.850.60.8×0.8B117.50.650.40.70.60.8×0.8B127.50.70.40.750.60.8×0.8B137.50.750.40.80.60.8×0.8B147.50.80.40.850.60.8×0.8B157.50.850.40.90.60.8×0.8B1680.70.50.750.70.8×0.8B1780.70.50.80.70.8×0.8B1880.70.50.850.70.8×0.8B1980.70.50.90.70.8×0.8B2080.70.50.950.70.8×0.8B216.50.750.50.750.70.8×0.7B226.50.750.50.80.70.8×0.7B236.50.750.50.850.70.8×0.7B246.50.750.50.90.70.8×0.7B256.50.750.50.950.70.8×0.7B2670.80.50.750.70.8×0.7B2770.80.50.80.70.8×0.7B2870.80.50.850.70.8×0.7B2970.80.50.90.70.8×0.7B3070.80.50.950.70.8×0.7地下工程本科课程设计4（表1-1~表1-2进行组合，可得到8*30=240道题目）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1.01.0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、完成计算说明书。地下工程本科课程设计5第二章平面结构计算简图及荷载计算编号重度)//(3mkN弹性反力系数)//(mMPaK内摩擦角/内聚力)/(kPacA217.525021——编号跨度L顶板厚h1中板厚h2底板厚h3墙厚T中柱B56.50.80.40.80.60.8×0.8本设计中有：中柱简化成为一面墙12EAEA错误!未找到引用源。,即0.8×0.8=8×b,得b=0.08m侧向压力系数λ=tan2（45°-φ/2）=tan2（45°-21÷2）=0.472车站高度h=4.55+6.91+0.80+0.40+0.8=13.46m1.垂直荷载计算（1）顶板直荷载由路面活载和垂直土压力构成。路面均布荷载q1=20×1.1=22KPa垂直土压力q2=γh=17.5×3=52.5KPa不需要考虑人防荷载。顶板垂直荷载○1承载能力极限状态KPa43592351q704121....qq顶板○2正常使用极限状态kPa57455201220101011....q.q.q2顶板（2）中板荷载由人群荷载和设备荷载组成。○1承载能力极限状态kPaq72.1440.17.04.1835.1q0.17.04.1q35.1人设中板○2正常使用极限状态q中板2=1.0×（4+8）=12KPa2.侧向荷载计算。采用水土分算γ浮=γ饱和-γW=（17.5+3）-10=10.5KN/m3侧向压力系数λ=tan2（45°-φ/2）=tan2（45°-21÷2）=0.472侧墙顶板处侧土压力e1=（q1+q2）×λ=（22+52.5）×0.472=35.164KPa水压力为0侧墙底板处侧土压力e2=e1+γ浮×H×λ=35.164+10.5×0.472×（6.91+4.55+0.8+0.8+0.4）地下工程本科课程设计6=101.871KPa侧墙底板处水压力e3=γW×HW=10×13.46=134.6KPa将荷载乘以分项系数得到○1承载能力极限状态侧墙顶板处侧向压力：（35.164+0）×1.35=47.471KPa侧墙底板处侧向压力：（101.871+134.6）×1.35=319.236KPa○2正常使用极限状态侧墙顶板处侧向压力：（35.164+0）×1=35.164KPa侧墙底板处侧向压力：（101.871+134.6）×1=236.471KPa水浮力○1承载能力极限状态q水1=1.35×10×（0.8+4.55+0.4+6.91+0.8）=181.71KPa○2正常使用极限状态q水2=1.0×10×（0.8+4.55+0.4+6.91+0.8）=134.6KPa3.弹簧取值D=KSibD是地层弹性反力系数为250MPa/m本次结构设计中与弹簧链杆单元对应围岩长度取1m，计算宽度取1m。弹簧单元的刚度：D=KSb=250×1×1=250MPam荷载基本组合计算图：荷载标准组合计算图：地下工程本科课程设计7截面荷载分布表（单位：kPa）工况顶板荷载中板荷载底板荷载顶板处侧向压力底板处侧向压力水压力土压力水压力土压力基本组合92.43514.72181.71047.471181.71137.525标准组合74.512134.6035.164134.6101.8714.纵梁荷载纵梁计算位置考虑荷载最不利位置，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部荷载及顶板自重之和。顶板自重：KPa20m1m520m520m80250...1mKN/m3q中板自重：KPa101520520140250...q底板自重：KPa205201520180250...q顶纵梁承受的荷载：基本组合：KPa4351192035143592q351qq0.....顶板总标准组合：KPa5942001574q01qq0....''顶板总地下工程本科课程设计8中纵梁承受的荷载：基本组合：KPaqqq22.281035.172.1435.10中板总标准组合：KPaqqq22100.1120.1''0中板总底纵梁承受的荷载：基本组合:KPa71161200171181q01qq0w....总（方向向上）标准组合：KPa611420016134q01qq0w....''总（方向向上）第三章结构内力计算使用ANSYS计算主体结构（荷载基本组合）横断面的内力及纵断面的内力轴力图（单位：N）地下工程本科课程设计9剪