西南交通大学地下工程课程设计(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

地下工程本科课程设计

目 录

第一章 课程设计任务概述 .................................. 0

1.1 课程设计目的 ................................................................................................. 0 1.2 设计规范及参考书 ......................................................................................... 0 1.3 课程设计方案 ................................................................................................. 0

1.3.1 方案概述 ............................................................................................... 0 1.3.2 主要材料 ............................................................................................... 3 1.4 课程设计基本流程 ......................................................................................... 3

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 ..................................... 7 第四章 结构（墙、板、柱）配筋计算 ....................... 11

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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20kN/m2，钢筋

0

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混凝土重度co25kN/m3，中板人群与设备荷载分别取4kN/m2、8kN/m2。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）

我是A2B5

表1-1 地层物理力学参数

编号 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 重度/(kN/m) 3弹性反力系数K/(MPa/m) 250 250 300 300 350 350 400 400 内摩擦角/ 20 21 22 23 24 25 26 27 内聚力c/(kPa) —— —— —— —— —— —— —— —— 17 17.5 18 18.5 19 19.5 20 20.5 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 1

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B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 B12 B13 B14 B15 B16 B17 B18 B19 B20 B21 B22 6.5 6.5 6.5 6.5 6.5 7 7 7 7 7 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5 8 8 8 8 8 6.5 6.5 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.75 0.75 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 0.75 0.8 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.8×0.8 0.8×0.8 0.8×0.8 0.8×0.8 0.8×0.8 0.8×0.8 0.8×0.8 0.8×0.8 0.8×0.8 0.8×0.8 0.8×0.8 0.8×0.8 0.8×0.8 0.8×0.8 0.8×0.8 0.8×0.8 0.8×0.8 0.8×0.8 0.8×0.8 0.8×0.8 0.8×0.7 0.8×0.7 2

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B23 B24 B25 B26 B27 B28 B29 B30 6.5 6.5 6.5 7 7 7 7 7 0.75 0.75 0.75 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.85 0.9 0.95 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.8×0.7 0.8×0.7 0.8×0.7 0.8×0.7 0.8×0.7 0.8×0.7 0.8×0.7 0.8×0.7 （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 基本组合 标准组合 永久荷载 1.35（1.0） 1.0 可变荷载 1.4×0.7 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

3

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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。

4

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第二章 平面结构计算简图及荷载计算

编号 A2 编号 B5 重度/(kN/m) 3弹性反力系数K/(MPa/m) 250 内摩擦角/ 21 底板厚h3 0.8 内聚力c/(kPa) —— 17.5 跨度L 6.5 顶板厚h1 0.8 中板厚h2 0.4 墙厚T 0.6 中柱 0.8×0.8 本设计中有：中柱简化成为一面墙EA1EA2,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=13.46m

1.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q○

2正常使用极限状态 ○

（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

q中板1.35q设1.40.71.0q人1.3581.40.71.0414.72kPa

顶板q11.40.7q21.3592.435KPa

2正常使用极限状态q中板2=1.0×（4+8）=12KPa ○

2.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×

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（6.91+4.55+0.8+0.8+0.4）=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）=134.6KPa

3.弹簧取值 D=KSib D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=250MPa m 荷载基本组合计算图：

荷载标准组合计算图：

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截面荷载分布表（单位：kPa） 工况 顶板荷载 中板荷载 14.72 12 底板荷载 181.71 134.6 顶板处侧向压力 0 0 底板处侧向压力 水压力 土压力 水压力 土压力 47.471 181.71 137.525 35.164 134.6 101.871 基本组合 92.435 标准组合 74.5 4.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。

25KN/m31m0.8m20.5m20KPa

20.5m1m250.4120.5中板自重：q010KPa

20.51顶板自重：q0底板自重：

q0250.8120.520KPa 120.5顶纵梁承受的荷载：

基本组合：q总q顶板1.35q092.4351.3520119..435KPa 标准组合：q总'q顶板'1.0q074.51.02094.5KPa 中纵梁承受的荷载：

基本组合：q总q中板1.35q014.721.351028.22KPa 标准组合：q总'q中板'1.0q0121.01022KPa 底纵梁承受的荷载：

基本组合:q总qw1.0q0181.711.020161.71KPa（方向向上） 标准组合：q总'qw'1.0q0134.61.020114.6KPa（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

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轴力图（单位：N）

剪力图（单位：N）

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弯矩图（单位：N）

2、车站纵梁计算结果

要进行结构断面配筋，选用的弯矩和轴力是考虑最不利位置处。 构件 弯矩（KN/m） 轴力（KN） 剪力(KN) 尺寸 b*h(mm*mm) 顶板上缘 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 471.78 325.33 239.49 75.517 303.04 1219.3 1219.3 313.20 313.20 1142.4 1142.4 1061.3 1061.3 810.47 9

437.07 437.07 122.17 122.17 775.88 775.88 753.02 1000*800 1000*800 1000*400 1000*400 1000*800 1000*800 1000*600 地下工程本科课程设计

侧墙背土面 中柱 顶纵梁上缘 顶纵梁下缘 中纵梁上缘 中纵梁下缘 底纵梁上缘 底纵梁下缘 697.76 0 1096.6 847.0 349.77 219.01 520.82 610.39 810.47 7755.92 1061.3 0 844.74 844.74 272.21 272.21 492.08 492.08 1000*600 800*800 10

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第四章 结构（墙、板、柱）配筋计算

C30混凝土：fc14.3MPa，ft1.43MPa 1、车站顶板上缘的配筋计算

截面尺寸1000*800，asas'50mm。计算长度7m.,h080050750mm 弯矩设计值M471.78KN•m，轴力设计值N313.20KN，混凝土等级C30，

fc14.3Nmm2，

ftk2.01Nmm2，采用HRB400纵向钢筋

(fyfy'360Nmm2，Es2105Nmm2），箍筋为HRB335fyv300N/mm2

M4717801506.32mm N313.2080026mm 附加偏心距：ea30（1）求偏心矩e0 初始偏心距：eie0ea1506.32261532.32mm （2）求偏心距增大系数：

l078.75>8 h0.8所以偏心距增大系数η应该修正计算。 偏心受压性质对截面曲率的修正系数：

ξ10.5fcA0.514.3100080018.26>1.0所以11.0 N313200l078.75<15所以长细比对截面曲率影响的系数21.0 h0.8 偏心距增大系数：

（3）判断大小偏心

计算偏心距，ηei1.0271532.321573.69mm>0.3h0225mm。所以为大偏心受压构件。

（4）求受压区钢筋面积

取b0.518 受压区钢筋面积

Nefcbh2ξb(10.5ξb)3132001923.6914.3100080020.518(10.50.518)Asfy'(h0as')360(75050)<0

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取As'ρminbh0.00210008001600mm 选用620(As'1885mm)

2(5)求受拉钢筋面积 受压区高度：

xh0h022Nefy'As'(h0as)fcb750750223132001923.693601600(75050)14.3100018.8mm所以x<2as100mm 则受拉区钢筋面积：AsNe'

fy(h0as')AsNe'3132001223.691520.87ρminbh0.00210008001600mm2fy(h0as')360（75050）取AS=1600mm2 所以选用受拉钢筋620(As1885mm2)

Asfy1885360ξ0.059<b 非超筋

bhfc100080014.3ρAs18850.0024>0.002 非少筋 bh1000800（6）配置箍筋

①验算截面限制条件 因为

h07500.75<4，属于一般梁， b1000V437.07KN<0.25βcfcbh02681.25KN （截面尺寸符合要求） ②检查是否需按计算配置箍筋

λM471.7810001.439，取1.5；λ大于3时，13 λ小于1.5时，Vh0437.07750取3

0.3fcA0.314.310008003432KN>N故N=313.20KN

1.75ftbh00.07N7500.07313.20771.924KN λ1不需要按计算配置箍筋 选用双肢B6@300 （7）裂缝宽度验算

V437.07KN≤

e01506.32mm>0.55h00.55750412.5mm 需要验算裂缝宽度

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l078.75<14 h0.8所以使用阶段的轴向压力偏心距增大系数s1.0

轴向压力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离： 纵向受拉钢筋合力点至截面受压合力点的距离：

按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率： 按荷载效应的标准组合计算的轴向力：

Nk263.07KN

钢筋混凝土构件受拉区纵向钢筋的应力： 裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数：

最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离： 受拉区纵向钢筋的等效直径： 最大裂缝宽度：

wmax2.1ψdσsk244.6320(1.9c0.08eq)2.10.2（1.9400.08）0.189mmEsρte2000000.0047小于0.2mm，满足裂缝宽度要求。

地铁结构其他截面位置配筋过程同顶板上缘类似，均选取混凝土等级C30,

fc14.3N/mm2，ftk2.01N/mm2，采用HRB400钢筋（fyfy'360Nmm2，Es2.0105N/mm2）。

底板上缘0.25βcfcbh00.25114.310007502681.25KN>V=775.88KN 截面尺寸满足要求，0.7ftbh00.71.431000750750.75KN要

配

置

箍

ASVnASV1V0.7ftbh07758800.71.4310007500.089选择双肢ss1.25fyvh01.25300750ASV21131.13，满足要求。 s20012@200，

表 标准截面配筋计算

顶板上顶板下中板上中板下底板上底板下缘 侧墙迎土面 侧墙背土面 缘 缘 缘 缘 缘 13

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尺寸 1000×1000×1000×1000×1000×800 800 400 400 800 1000×800 1000×600 1000×600 弯矩设计值471.78 325.33 239.49 75.517 303.04 1219.3 1219.3 697.76 (KN*m) 轴力设计值313.20 313.20 1142.4 1142.4 1061.3 1061.3 810.47 810.47 (KN) 偏心距1506.32 1038.73 209.64 66.11 285.54 1148.87 1504.44 860.93 （mm） 偏心距增大系1.027 1.039 1.333 1.889 1.132 1.035 1.037 1.061 数 判断大小偏心大偏心 大偏心 大偏心 大偏心 大偏心 大偏心 大偏心 大偏心 受压 2、中柱的配筋计算 中柱尺寸800×800，轴力设计值N=7755.92KN（轴力最大处是中板和底板之

间）,混凝土等级C40,fc19.1Nmm2,ftk2.39Nmm2采用HRB400钢筋（fyfy'360Nmm2，Es2105Nmm2）l06.910.80.47.91m 20N0.9(fcAfy'As')

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