地下工程课程设计-(地下矩形框架结构)-(1)

地 下 工 程 课 程 设 计 地铁车站主体结构设计 地下矩形框架结构 学院名称 土木工程学院 班 级 土木 2012 7 班 学生姓名 陈铁卫 学生学号 20120249 指导教师 孙克国 地下工程本科课程设计 目 录 第一章 课程设计任务概述 1 1 1 课程设计目的 1 1 2 设计规范及参考书 1 1 3 课程设计方案 1 1 3 1 方案概述 1 1 3 2 主要材料 3 1 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 6 第四章 结构 墙 板 柱 配筋计算 7 地下工程本科课程设计 0 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 主动荷载及荷载的组合方式 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 2 车站埋深 3m 地下水位距地面 3m 中柱截面横向尺寸固定为 0 8m 如 图 1 1 横断面方向 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 1 采用水土分算 路面荷载为 钢筋混凝土重度2 0mkN 中板人群与设备荷载分别取 荷载组合按3 25mkNco 42 8k 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 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 柱的配筋 地下工程本科课程设计 1 图 1 1 地铁车站横断面示意图 单位 mm 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 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 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 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 地下工程本科课程设计 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 进行组合 每个人的具体工况请见 EXCEL 表格 表 1 3 荷载组合表 组合工况 永久荷载系数 可变荷载系数 基本组合 1 35 1 2 1 4 0 7 1 4 标准组合 1 0 1 0 注 括号中数值为可变荷载控制时的取值 当永久荷载对结构有利时 基本组合永久荷载 系数取 1 0 1 3 2 主要材料 1 混凝土 墙 板用 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 地下工程本科课程设计 3 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的裂缝宽度 内力采用标准组合计算结果 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 并绘制墙 板 柱的配筋图 地下工程本科课程设计 4 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 2 1 1 中柱简化 由于中柱在纵向上的不连续性 按照抗压刚度等效的原则 将中柱按照刚 度等效的方法换算为等效墙来进行计算 然后以等效的墙来代替柱进行内力计 算 所求得的 墙 内力即为柱的内力并以此来进行配筋及强度验算 由 即 得 12EA 807 b 70m 2 1 2 计算简图 计算简图取中心线 如图 2 1 所示 图 2 1 平面结构计算图 单位 m 2 2 荷载计算 1 垂直荷载 1 顶板垂直荷载 顶板垂直荷载由路面活载及垂直土压力组成 路面活载 120qkPa 垂直土压力 20 71935 21 70 ihkPa 地下工程本科课程设计 5 顶板的自重 30 7251 qkPa 永久荷载控制时 1234 518 67 qkPa 可变荷载控制时 4 顶板垂直荷载设计值为 867 0 qk 顶 板 2 中板垂直荷载 中板垂直荷载由人群及设备荷载 中板自重组成 中板自重 0 4251 0qkPa 中 永久荷载控制时 8 34 728 kPa 可变荷载控制时 k 中板垂直荷载设计值为 2 150 q 中 板 2 侧向荷载 侧向压力的大小与墙体的变形情况有关 在主动土压力和被动土压力之间 变化 静止土压力进行计算 内摩擦角 24 侧压力系数 tan 5 0 42 侧墙顶板处土压力 永久荷载控制 11 8 5 kPaeq 顶 板 可变荷载控制 02461 顶 板 取顶板处土压力设计值为 18 5 ekPa 侧墙顶板处水压力 标准值 10 3 wq 设计值 51473 ka 侧墙底板处土压力 永久荷载控制 2 1 04 2 13 0 4213 9 eqh kPa 地下工程本科课程设计 6 可变荷载控制 2 12 410 2 412 93 eqh kPa 底板处土压力设计值为 39 ekPa 侧墙底板处水压力 设计值 210 76512 6 wqk 标准值 0a 3 水浮力 设计值 210 763512 6 wqkP 标准值 0a 2 2 1 荷载计算简图 结构所受荷载如下表所示 表 2 1 基本组合作用在结构上的荷载 侧墙顶板处 侧墙底板处位置 顶板 中板 底板 土压力 水压力 土压力 水压力 荷载 kPa 115 04 14 72 172 26 48 55 4 73 133 39 172 26 表 2 2 标准组合作用在结构上的荷载 侧墙顶板处 侧墙底板处位置 顶板 中板 底板 土压力 水压力 土压力 水压力 荷载 kPa 90 7 12 127 60 38 28 3 5 101 12 127 60 作用在主体结构上的荷载如图 2 2 所示 图 2 2 荷载计算简图 地下工程本科课程设计 7 第三章 结构内力计算 3 1 内力计算 地基对结构的弹性反力用弹簧代替 由于结构与荷载均对称 结构的中轴 在水平方向上没有位移 所以对中轴底端位移进行水平方向约束 使用0 u ANSYS10 0 计算主体结构横断面的内力 3 2 计算结果 3 2 1 ANSYS 内力图 结构变形图 以及轴力 剪力 弯矩计算结果如图所示 荷载设计值作用 如图 所示 3 14 图 3 1 基本组合变形图 地下工程本科课程设计 8 图 3 2 轴力图 单位 N 图 3 3 剪力图 单位 N 地下工程本科课程设计 9 图 3 4 弯矩图 单位 Nm 在荷载标准值作用 如图 所示 3 58 图 3 5 标准组合变形图 地下工程本科课程设计 10 图 3 6 轴力图 单位 N 图 3 7 剪力图 单位 N 地下工程本科课程设计 11 图 3 8 弯矩图 单位 Nm 3 2 2 标准断面结构内力 要进行结构断面配筋 断面结构内力值见表 3 1 要进行裂缝宽度验算 断面结构内力值见表 3 2 表 3 1 基本组合标准断面结构内力 构件 弯矩 kNm 轴力 kN剪力 kN 顶板上缘 585 50 357 52 516 71 顶板下缘 359 71 357 52 516 71 中板上缘 207 17 950 03 112 58 中板下缘 31 13 950 03 112 58 底板上缘 280 88 936 50 756 80 底板下缘 982 47 936 50 756 80 负一层 357 4 646 74 485 38侧墙 迎土面 负二层 982 47 815 43 936 51 侧墙 负一层 23 53 646 74 485 38 地下工程本科课程设计 12 背土面 负二层 543 30 815 43 936 51 负一层 0 1035 8 0中 柱 负二层 0 1106 80 0 表 3 2 标准组合标准断面结构内力 构件 弯矩 kNm 轴力 kN剪力 kN 顶板上缘 445 16 269 69 395 65 顶板下缘 276 88 269 69 395 65 中板上缘 162 38 768 93 91 74 中板下缘 28 56 768 93 91 74 底板上缘 222 53 696 28 606 41 底板下缘 746 63 696 28 606 41 负一层 311 37 580 63 341 55侧墙 迎土面 负二层 746 63 673 53 696 28 负一层 15 68 580 63 341 55侧墙 背土面 负二层 394 60 673 53 696 28 负一层 0 722 47 0中 柱 负二层 0 867 98 0 地下工程本科课程设计 13 第四章 结构 墙 板 柱 配筋计算 4 1 车站顶板 中板 底板 侧墙配筋计算 4 1 1 顶板上缘的配筋计算 截面尺寸 107bh 50sam 07560hm 计算长度 弯矩设计值 轴力设计值0 lm8 MkN 混凝土等级 C30 357 2 Nk 2143 cf 21 43 tfN 采用 HRB400 钢筋 2360 yfm 5 0sEm 1 配筋计算验算 计算偏心距 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 初步判断为大偏心受压构件 为充分利用受压区混凝土的抗压强度 设 0 518b 且 7016519 22isheam 则受压区钢筋面积 2 10 3 22 57 91 43065 18 0 518 40 cbbsysNfAham 无需设置受压钢筋 按构造配筋 按最小配筋率设置受压钢筋 2min0 21704 sAbhm 选用 6C20 钢筋 84 s 地下工程本科课程设计 14 3002 211 57 21096184 50 494 yssscNefAhab 49 1400 sAbh 选用受拉钢筋 9C25 2418sm 0 9 57sbh 满足要求 2 裂缝宽度验算 由 需验算裂缝宽度 0 0165 4 537 emhm 0714 lh 所以偏心距增大系数 s 轴向压力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离 0 51 065 470519 64 sseha m 纵向受拉钢筋合力点至截面受压合力点的距离 2 20 871 872 8 1950 64ze 纵向受拉钢筋配筋率 4 30 5 107sstetAbh 按荷载效应的标准组合计算的轴向力 269 kN 地下工程本科课程设计 15 钢筋混凝土构件受拉区纵向钢筋的应力 3 2 269 10 5 64 8 14 9 8kssNez NmA 裂隙间纵向受拉钢筋应变不均匀系数 0 650 652111 0 4538 9tkesf 最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离 37 cm 受拉区纵向钢筋的等效直径 25eqdm 所以最大裂缝宽度 max 51 9 08149225 370 8 13032 eqsktwcEm 满足要求 4 1 2 其他标准截面的配筋计算及裂缝宽度验算 其他截面位置配筋过程同顶板上缘 标准截面配筋计算见表 4 1 4 2 裂 缝宽度验算详见表 4 3 表 4 1 偏心距计算及初步判断大小偏心 截面位置 顶板 下缘 中板 上缘 中板 下缘 底板 上缘 底板 下缘 侧墙迎 土面负 一层 侧墙背 土面负 一层 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 初步判断破坏类型 大偏心 大偏心 小偏心 大偏心 大偏心 大偏心 小偏心 地下工程本科课程设计 16 表 4 2 钢筋计算表 截面位置 顶板 下缘 中板 上缘 中板 下缘 底板 上缘 底板 下缘 侧墙迎 土面负 一层 侧墙背 土面负 一层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 选取受压钢筋 6C20 6C16 6C16 6C20 6C20 6C18 6C18 受压钢筋面积 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 与 比较 2s 2sxa s 2sxa s 2sxa s 2sxaA 1204 64 783 95 7016 5 100 83 3294 13 1159 17 611 19 选取受拉钢筋 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 根据 混凝土结构设计规范 GB 50010 2010 如果 可不0 5eh 验算裂缝宽度 中板下缘 0 37 1450 6 5eh 底板上缘 9692 侧墙背土面负一层 0 40 e 不需进行裂缝宽度验算 地下工程本科课程设计 17 表 4 3 裂缝宽度验算表 截面位置 顶板上缘 顶板下缘 中板上缘 底板下缘 侧墙迎土负 一层 侧墙背土面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 裂缝宽度验算 ax w0 132 0 130 0 185 0 193 0 158 0 157 备 注 1 当 时 取 当 时 取0 2 0 2 1 0 1 0 由表中可得 裂缝宽度满足要求 max 4 2 中柱的配筋计算 中柱尺寸 轴力设计值为 混凝土等级 C40 807 106 8 kN 采用 HRB400 钢筋 219 cfN 21 tfNm 36y 52 sE 中柱的横截面的回转半径 0 9 560231iIAm 由 应按长柱进行计算 0 71 29 0528 li cysNf 式中 钢筋混凝土构件的稳定系数 查 混规 线性插值 取0 671 09 586lb 0 984 柱的配筋 地下工程本科课程设计 18 2 0 91068 9084 1 07639 036csyNfAA m 按构造配筋 2min0 28701 sbhm 纵筋选用 6C18 15 sA 配筋率 满足要求 max0 270 58s