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：学生姓名：学生学号：指导教师：许炜萍目录第一章课程设计任务概述 (1)课程设计目的 (1)设计规范及参考书 (1)课程设计方案 (1)方案概述 (1)主要材料 (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)第一章 课程设计任务概述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。
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 ）课程设计方案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，地下水位距地面，中柱截面横向尺寸固定为（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2/20m kN ，钢筋混凝土重度3/25m kN co =γ，中板人群与设备荷载分别取2/4m kN 、2/8m kN 。
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。
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。
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）（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 荷载组合表注：括号中数值为可变荷载控制时的取值。
当永久荷载有利时，分项系数取主要材料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。
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。
第二章荷载计算基本参数本次课程设计采用的地层物理力学系数编号为A5（具体参数见表1-1），结构尺寸参数编号为B15（具体参数见表1-2）。
表1-1 地层物理力学参数表1-2 结构尺寸参数（单位：m）计算模型简图图2-1 地铁车站横断面计算简图（单位：m）荷载计算垂直荷载顶板荷载：顶板垂直荷载由路面活载和垂直土压力组成，方向竖直向下。
路面活载：120kPa q =垂直覆土压力：2119 3.566.5kPa q h γ==⨯= 控制荷载验算：永久荷载效应控制时：121=1.40.7 1.35()co q q q h γ⨯⨯+⨯+⨯顶板 1.40.720 1.35(66.5250.85)=⨯⨯+⨯+⨯ 138.06kPa =可变荷载效应控制时：121=1.4 1.2()co q q q h γ⨯+⨯+⨯顶板 1.420 1.2(66.5250.85)=⨯+⨯+⨯ 133.3kPa = 138.06kPa>133.3kPa经验算由永久荷载控制，顶板垂直荷载为：标准组合：121.0 1.02066.586.5kPa q q q =⨯+⨯=+=顶板基本组合：12=1.40.7 1.35q q q ⨯+顶板 1.40.720 1.3566.5109.38kPa =⨯⨯+⨯=中板荷载：中板垂直荷载由人群活载和设备荷载组成，方向竖直向下。
人群活载：34kPa q = 设备荷载：48kPa q = 控制荷载验算：永久荷载效应控制时：342=1.40.7 1.35()co q q q h γ⨯⨯+⨯+⨯中板 1.40.74 1.35(8250.4)=⨯⨯+⨯+⨯ 10.22kPa =可变荷载效应控制时：342=1.4 1.2()co q q q h γ⨯+⨯+⨯顶板 1.44 1.2(8250.4)=⨯+⨯+⨯ 27.2kPa =27.2kPa>10.22kPa经过验算由可变荷载控制，中板垂直荷载为： 标准组合：341.0 1.04812kPa q q q =⨯+⨯=+=中板基本组合： 34=1.4 1.2q q q ⨯+⨯中板 1.44 1.28=⨯+⨯15.2kPa = 底板荷载：底板垂直荷载即为水浮力，方向竖直向上 水浮力：2=1012.585125.85kPa w q h γ=⨯=水 底板垂直荷载为：标准组合： 1.0125.85kPa q q =⨯=底板水基本组合： 1.35125.85 1.35=169.90kPa q q =⨯=⨯底板水主体结构垂直荷载表（单位：kPa ）侧向荷载（采用水土分算）侧向土压力（采用朗肯土压力计算）地层物理力学参数表设土层至地面距离为h 当h=时标准组合：21(h 1.0+ 1.0)tan (45)2a P q ϕγ=⨯⨯-22419 3.5+20tan (45)2=⨯-（）36.48kPa =基本组合: 由永久荷载效应控制时：21(h 1.35+ 1.40.7)tan (45)2a P q ϕγ=⨯⨯⨯-22419 3.5 1.35+20 1.40.7tan (45)2=⨯⨯⨯⨯-（） 46.13kPa =由可变荷载效应控制时：21(h 1.2+ 1.4)tan (45)2a P q ϕγ=⨯⨯-22419 3.5 1.2+20 1.4tan (45)2=⨯⨯⨯-（） 45.46kPa =当h=时标准组合：21{[ 3.5+(h-3.5)] 1.0+ 1.0}tan (45)2a P q ϕγγ=⨯⨯⨯-浮224[19 3.5+1216.085 3.5+20]tan (45)2=⨯⨯--（） 100.17kPa = 基本组合: 由永久荷载效应控制时：21{[ 3.5+(h-3.5)] 1.35+ 1.40.7}tan (45)2a P q ϕγγ=⨯⨯⨯⨯-浮224{19 3.5+12(16.085 3.5)] 1.35+20 1.40.7}tan (45)2=[⨯⨯-⨯⨯⨯-132.11kPa =由可变荷载效应控制时：21{[ 3.5+(h-3.5)] 1.2+ 1.4}tan (45)2a P q ϕγγ=⨯⨯⨯-浮224{[19 3.5+12(16.085 3.5)] 1.2+20 1.4}tan (45)2=⨯⨯-⨯⨯-121.89kPa =侧向水压力： 当h=时，0P =水 当h=时标准组合：( 3.5) 1.0w P h γ=-⨯水 10(16.085 3.5) 1.0=125.85kPa =⨯-⨯ 基本组合：( 3.5) 1.35w P h γ=-⨯水 10(16.085 3.5) 1.35=169.898kPa =⨯-⨯主体结构侧向荷载表（单位：kPa ）第三章结构内力计算标准横断面计算模型路面荷载及覆土荷载109.38kPa46.13kPa46.13kPa169.90kPa132.11kPa132.11kPa169.90kPa土压力水浮力169.90kPa土压力图3-1 采用荷载基本组合时主体结构标准断面计算模型路面荷载及覆土荷载86.5kPa36.48kPa125.85kPa100.17kPa100.17kPa125.85kPa土压力水浮力125.85kPa土压力图3-2 采用荷载标准组合时主体结构标准断面计算模型截面特征计算宽度沿纵向取1 m，即B=1 m。
(1)顶板（用beam3来模拟）：C30砼B= m D =(2)中板（用beam3来模拟）：C30砼B= m D =(3)底板（用beam3模拟）：C30砼B= m D = m(4)负一层侧墙（用beam3模拟）：C30砼B= m D =(5)负二层侧墙（用beam3模拟）：C30砼B= m D =(6)柱（用beam3模拟）：C40砼B= m D= m计算结果采用荷载基本组合时的计算结果图3-3 变形图图3-4 轴力图图3-5弯矩图图3-6剪力图采用荷载标准组合时的计算结果图3-7轴力图图3-9剪力图第四章结构（墙、板、柱）配筋计算断面控制内力表表4-1 采用荷载基本组合时计算所得结构断面控制内力表表4-2 采用荷载标准组合时计算所得结构断面控制内力表车站结构标准断面配筋及裂缝验算 车站墙板配筋及裂缝验算以车站结构标准断面顶板外侧的配筋及裂缝验算为例。
（1）几何材料参数因混凝土等级为C30，所以0.11=α，查《混规》，相关数据为：2/3.14mm N f c =，2/01.2mm N f tk =。
采用HRB400级钢筋（2/360mm N f f y y ='=，25/100.2mm N E s ⨯=）518.0=b ξ截面尺寸8501000⨯=⨯h b 。
弯矩设计值为m kN M ⋅=69.555，轴力设计值为kN N 54.330=，剪力设计值kN V 27.88=。
（2）不考虑二阶效应mm N M e 16.168154.3301069.55530=⨯==，mm h e a 33.2830,20max =⎪⎭⎫ ⎝⎛=mm e e e a i 5.170933.2816.16810=+=+=因为mm a s 50=，mm a s 40='，则mm a h h s 800508500=-=-=。
（3）判断大小偏心mm h mm e e e a i 2558503.03.05.170900=⨯=>=+=，所以先按大偏心受压构件计算。
mm a he e s i 5.2084508505.05.17092=-⨯+=-+= （4）计算配筋为充分利用受压区混凝土的抗压强度，设518.0==b ξξ。