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1、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21.1课程设计目的21.2设计规范及参考书31.3 课程设计方案 31.4 课程设计的基本流程 5第二章 平面结构计算简图及荷载计算 52.1 平面结构计算简图 52.2.荷载计算 62.3 荷载组合 7第三章 结构内力计算 103.1 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:103.2 基本组合 113.2 标准组合 15第四章 结构(墙、板、柱)配筋计算 204.1 车站顶板上缘的配筋计算 204.2 负一层中柱配筋计算 254.3 顶纵梁上缘的配筋计算 264.4
2、顶纵梁上缘裂缝宽度验算 28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
3、、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20kN/m2,钢筋混凝土 重度丫 = 25kN /m3,中板人群与设备荷载分别取4kN / m2、8kN /m2。荷载组合 co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
4、)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:1000mmX 1800mm(宽X高);中纵梁尺寸:1000mmX 1000mm(宽X高); 底纵梁尺寸:1000mmX2100mm (宽X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Y (kN/m3)K (MPa / m)9 (。)c(kPa)17.52502
5、1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hl中板厚h2底板厚h3墙厚T中柱70.80.50.750.70.8X0.7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)1.4X0.7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
6、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
7、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。ql-20kPsB2=92.77hPaed=l32. 3983e2=02. 771iFae4=132a358kPsEd刍6昌4g.E=132. 398kPa图2-12.2.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g2 =W 可得g2 = 17.5 x3 = 52.5kN/m32、中板垂直荷载:中板人群荷载:q3 = 4kN/m2设备荷载:q4 = 8kN/m23、底板垂直荷载:底板处
8、水浮力:q5 = 9.8 x 13.51 = 132.398kW/m22.2.2 侧向荷载1、侧向土压力:土的浮重度尸=Ysat Yw = 17.5 + 3 9.8 = 10.7kN/m3侧向压力系数2 = tan2(45 町=tan2(45 -旳=0.472土压力在顶板产生的侧向土压力:勺=0.472 X 52.5 = 24.78kN/m2 土压力在底板产生的侧向土压力:e2 = 0.472 X (52.5 + 10.7 X 13.51) = 92.77kN/m2 路面荷载在顶板产生的侧向压力e3 = 0-472 X 20 = 9.44kW/m2 路面荷载在底板产生的侧向压力e4 = 0.4
9、72 X 20 = 9.44k/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 X 13.51 = 132.398k/m22.3 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:顶板q = 1.35 X 52.5 + 1.4 X 0.7 X 20 = 90.475kW/m2q = 1.35 X 8 + 1.4 X 0.7 X 4 = 14.72kW/m2中板3、底板垂直荷载:q = 1.35 X 132.398 = 178.737kW/m2底板4、顶板侧向荷载:e顶板1.35 X (24.78 + 0) + 1.4 X 0.7 X 9.44 =
10、 42.704kW/m25、底板侧向荷载:e底板= 1.35X(92.77+132.398)+1.4X0.7X9.44=313.228kW/m26、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 = (1.35 x 52.5 + 1.4 x 0.7 x 20) x 7 = 633.325k/m 顶顶板自重:q = 1.35 x 25 x 0.8 x 7 = 189k/m 自重顶纵梁承受的荷载:q 顶总=633325 + 189 = 822325加7、中纵梁荷载:顶板垂直荷载设计值:q = (1.3
11、5 x 8 + 1.4 x 0.7 x 4) x 7 = 103.04kW/m 中顶板自重:q = 1.35 x 25 x 0.5 x 7 = 118.125k/m自重顶纵梁承受的荷载:q = 103.04 + 118.125 = 221.165k/m中总8、底纵梁荷载:顶板垂直荷载设计值:q = 1.35 x 132.398 x 7 = 1251.161k/m底顶板自重:q = 1.0 x 25 x 0.75 x 7 = 131.25k/m自重顶纵梁承受的荷载:q、= 1251.161 - 131.25 = 1119.91kW/m 底总2.3.2 标准组合1、顶板垂直荷载:顶板=1.0 x
12、525 + 1.0 x 20 =山何2、中板垂直荷载:q中板=1.0x8 +1.0x4 = 12KN/m23、底板垂直荷载:q = 1.0 x 132.398 = 132.398kN/m2 底板4、顶板侧向荷载:e = 1.0 x (24.78 + 0) + 1.0 x 9.44 = 34.22KN/m2 顶板5、底板侧向荷载:e = 1.0 x (92.77 + 132.398) + 1.0 x 9.44 = 234.608kW/m2 底板6、顶纵梁荷载:顶板垂直荷载设计值:q = (1.0 x 52.5 + 1.0 x 20) x 7 = 507.5k/m 顶顶板自重:q = 1.0 x
13、25 x 0.8 x 7 = 140kW/m 自重顶纵梁承受的荷载:q顶总=5075 + 140 = 6475叫7、中纵梁荷载:顶板垂直荷载设计值:q = (1.0 x 8 + 1.0 x 4) x 7 = 84kW/m 中顶板自重:q = 1.0 x 25 x 0.5 x 7 = 87.5k/m 自重顶纵梁承受的荷载:g 中申=84 + 87.5 = 171.5kW/m8、底纵梁荷载:顶板垂直荷载设计值:q = 1.0 x 132.398 x 7 = 926.786k/m 底顶板自重:顶纵梁承受的荷载:q底总=926.786 一 131.25 = 795.54kN/m第三章 结构内力计算3.
14、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:表 3-1 构件单元截面尺寸表截面面积(b x h)/m2惯性矩/m4单元类型材料顶板1 x 0.800.04266667Beam3C30中板1 x 0.50.01041667Beam3C30底板1 x 0.750.03515625Beam3C30侧墙1 x 0.70.02858333Beam3C30中柱0.7 x 0.80.02986667Beam3C40弹簧1 x 0.5Link10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。uurI- xhrnrrmDISFIiaCEKI-nSUB =1TIHE.=1DJfX =.005374JAN 14 2014 ldg-59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