地下工程课程设计.docx

1、地下工程课程设计第一章、基本条件与设计资料地层的密度gs=2.0103kg/m3，地层内摩角24，粘聚力26KPa，垂直基床系数24MN/m3，水平基床系数18MN/m3，顶板厚420mm，侧墙厚420mm，底板厚420mm，结构混凝土泊构比n=0.2，混凝土的密度gc=2.5103kg/m3，混凝土弹模E=3.01010N/m2，地面考虑20kpa的行人荷载，地下水位考虑两种情况：（1）水位在地下结构之上；（2）水位在地下结构的中部位置。两种情况相应的地下水位位置分别为hw2、hw1，见下图所示。计算下图所示矩形柜架结构内力（轴力、弯矩、剪力），以表和图的形式给出单元计算结果。计算结构的配筋

2、量，并进行裂缝检算，结构纵向按1m考虑。结构顶板和底板按纯弯构件配筋，侧墙按偏心受压构件配筋。恒载的分项系数按1.35，活荷载的分项系数按1.4取值。序号姓名学号h0 (m)b (m)a (m)38赵闻强112312618107第二章、荷载计算由题意得gs=2.0103kg/m3既作天然密度也当饱和密度。本设计中对于地层压力的计算采用水土分算法。由于本设计的设计理念为极浅埋隧道，因此对于土压力的计算方法为Ea=h其中h为隧道的埋深。重力加速度取9.8N/kg,因此饱和重度为19.6KN/m3。由于结构自重可在Midas中自主定义，故在此不必计算，只计算外荷载。2.1 地下水位为hw1时的情况：

3、（1）各深度竖向压力计算深度为hw1时的地层压力： 深度为h0时的土压力： 深度为h0时的水压力： 深度为h0+b时的竖向土压力：深度为h0+b时的水压力：行人荷载带来的竖向压力：（2）各底层侧向压力计算由题意得对于土层及地下水来说，它们对结构的侧向压力是梯形分布，因此可先求得对顶板位置和底板位置的侧向压力。侧向压力系数顶板位置的侧向土压力：顶板位置的侧向水压力：底板位置的侧向土压力：底板位置的侧向水压力：行人荷载带来的侧向压力：（3）对结构进行荷载分析1.顶板竖向恒荷载：2.顶板侧向恒荷载： 3.底板竖向恒荷载：4.底板侧向恒荷载：5.顶板竖向活荷载： 6.顶板侧向活荷载： 7.底板竖向活荷

4、载：8.底板侧向活荷载：综上所述，可绘制出如下结构恒荷载与活荷载受力图示。 2.2 地下水位为hw2时的情况：（1）各深度竖向压力计算：深度为h0时的地层压力： 深度为h0时的水压力： 深度为h0+b时的竖向土压力：深度为h0+b时的水压力：行人荷载带来的竖向压力：深度为hw2时的地层土压力：（2）各深度侧向压力计算：由题意得对于土层及地下水来说，它们对结构的侧向压力是梯形分布，因此可先求得对顶板位置和底板位置的侧向压力。侧向压力系数顶板位置的侧向土压力：顶板位置的侧向水压力：底板位置的侧向土压力：底板位置的侧向水压力：行人荷载带来的侧向压力：深度为hw2时的侧向土压力：（3）对结构进行荷载分

5、析1.顶板竖向恒荷载：2.顶板侧向恒荷载： 3.底板竖向恒荷载：4.底板侧向恒荷载：5.顶板竖向活荷载： 6.顶板侧向活荷载： 7.底板竖向活荷载：8.底板侧向活荷载：9. hw2深度处侧向恒荷载：综上所述，可绘制出如下结构恒荷载与活荷载受力图示。 第三章、Midas建模计算过程以第一种地下水位处于hw1高度的情况为例进行Midas建模过程说明。3.1 定义工作环境，确定单位体系。在“工具单位体系”中定义默认的单位体系。（此处定义为KN，m。）将结构类型定义为X-Z平面。如下图：3.2 定义截面形式在“模型材料和截面特性截面”中定义截面，由于结构纵向按1m考虑，且结构的各部位厚度均为420mm

6、，故定义截面为高0.42m，宽1m的实腹式矩形截面。3.3 定义材料形式在“模型材料和截面特性材料”中定义材料。采用用户定义的材料，将结构混凝土泊构比n=0.2，混凝土弹模E=3.01010N/m2等给定参数输入相应位置。取材料容重为一般混凝土的容重。3.4 建立节点与单元通过“模型节点建立”在（0，0，0），（7，0，0），（7，0，10），（0，0，10）四个坐标处建立四个节点。再通过“模型单元建立”选择单元为“一般梁”，将四个节点相邻两两连接起来。3.5 分割单元并重新编号用选择功能选择所有已建单元，在“模型单元分割”中进行单元分割，选择每个单元分成由1m长的小单元组合而成的长单元。即顶

7、板底板单元处分成分割数量为7，侧墙分割数量为10。在“模型单元重新编号”中对所有节点和单元进行编号。3.6 建立边界条件在已经建立的结构单元上添加土弹簧。选择“模型边界条件面弹性支承”，选择面弹性支承中的弹性连接。选择“杆系”，宽度为“1”m,方向中选择“法向负（正）”（对于圆形隧道，刚需要同时加整体坐标系下的水平向和垂直向的弹簧），弹性连接长度取为1m,选择“只受压”，选取施加弹簧的节点后，点击“适用”。可根据图示显示弹簧的方向，调整施加弹簧的方向。 3.7 建立荷载工况并添加荷载在“荷载静力荷载工况”中添加两个荷载工况，名称分别为“隧道恒荷载”和“隧道活荷载”，编号分别为“1”和“2”，荷

8、载类型均为“用户定义的类型”。（1）添加隧道恒荷载选择“静力荷载连续梁单元荷载”来添加恒荷载工况。将荷载工况名称选择为“隧道恒荷载”，荷载类型选择“均布荷载”，方向选择“整体坐标轴Z”，选择代表顶板和底板的单元（也可使用加载区间），给底板和顶板按照不同荷载大小与方向施加均布荷载。再将荷载类型选为“梯形荷载”，方向选择“整体坐标轴X”，选择代表侧墙的单元（或加载区间），根据不同方向与提示图形给两侧侧墙施加上梯形荷载。加载后效果图如右图：添加自重，选择自重工况为“隧道恒荷载”，在自重中将Z轴系数改为“-1”。（2）添加隧道活荷载选择“静力荷载连续梁单元荷载”来添加活荷载工况。基本加载方式与加载恒荷

9、载方式相同，但是需要选择荷载工况为“隧道活荷载”。加载后效果图如下图：3.8 定义荷载组合在“结果荷载组合”中定义荷载组合。分别定义“基本组合”与“标准组合”。基本组合中，“隧道恒荷载”工况分项系数为1.35，“隧道活荷载”工况分项系数为1.40。标准组合中，“隧道恒荷载”工况分项系数为1.0，“隧道活荷载”工况分项系数为1. 0。3.9 运行并输出内力情况点击“运行”，进行有限元软件计算，之后通过“结果内力梁单元内力图”，选择“基本组合”，分别选择My，Fx，Fz来显示弯矩、轴力、剪力图。如下：弯矩图：轴力图：剪力图：地下水位的弯矩、轴力、剪力图与上图类似。第四章、内力输出结果与分析4.1

10、地下水位为hw1时内力输出结果：名称单元位置轴力剪力弯矩梁单元内力1I-1306.601070.301719.50梁单元内力11/4-1306.601027.501457.30梁单元内力11/2-1306.60984.681205.70梁单元内力13/4-1306.60941.85964.91梁单元内力1J-1306.60899.02734.80梁单元内力2I-1306.60727.65734.80梁单元内力21/4-1306.60684.82558.24梁单元内力21/2-1306.60641.98392.39梁单元内力23/4-1306.60599.15237.25梁单元内力2J-1306

11、.60556.3292.82梁单元内力3I-1306.60394.2492.82梁单元内力31/4-1306.60351.41-0.39梁单元内力31/2-1306.60308.57-82.89梁单元内力33/4-1306.60265.74-154.67梁单元内力3J-1306.60222.91-215.76梁单元内力4I-1306.6085.66-215.76梁单元内力41-1306.6042.83-231.82梁单元内力41 1/4-1306.600.00-237.17梁单元内力41 1/2-1306.60-42.83-231.82梁单元内力4J-1306.60-85.66-215.76梁

12、单元内力5I-1306.60-222.91-215.76梁单元内力51-1306.60-265.74-154.67梁单元内力51 1/4-1306.60-308.57-82.89梁单元内力51 1/2-1306.60-351.41-0.39梁单元内力5J-1306.60-394.2492.82梁单元内力6I-1306.60-556.3292.82梁单元内力61-1306.60-599.15237.25梁单元内力61 1/4-1306.60-641.98392.39梁单元内力61 1/2-1306.60-684.82558.24梁单元内力6J-1306.60-727.65734.80梁单元内力7

13、I-1306.60-899.02734.80梁单元内力71 3/4-1306.60-941.85964.91梁单元内力72-1306.60-984.681205.70梁单元内力72 1/4-1306.60-1027.501457.30梁单元内力7J-1306.60-1070.301719.50梁单元内力8I-1097.30-996.30569.58梁单元内力81 3/4-1100.80-1072.10828.11梁单元内力82-1104.30-1149.101105.70梁单元内力82 1/4-1107.80-1227.301402.80梁单元内力8J-1111.20-1306.601719.

14、50梁单元内力9I-1097.30996.30-569.58梁单元内力91 3/4-1100.801072.10-828.11梁单元内力92-1104.301149.10-1105.70梁单元内力92 1/4-1107.801227.30-1402.80梁单元内力9J-1111.201306.60-1719.50梁单元内力10I-1083.40-704.76-279.38梁单元内力102 1/2-1086.90-775.88-94.32梁单元内力102 3/4-1090.40-848.18108.66梁单元内力103-1093.90-921.65329.87梁单元内力10J-1097.30-9

15、96.30569.58梁单元内力11I-1083.40704.76279.38梁单元内力112 1/2-1086.90775.8894.32梁单元内力112 3/4-1090.40848.18-108.66梁单元内力113-1093.90921.65-329.87梁单元内力11J-1097.30996.30-569.58梁单元内力12I-1069.60-432.03-846.21梁单元内力122 1/2-1073.00-498.45-729.92梁单元内力122 3/4-1076.50-566.05-596.88梁单元内力123-1080.00-634.82-446.80梁单元内力12J-10

16、83.40-704.76-279.38梁单元内力13I-1069.60432.03846.21梁单元内力133 1/4-1073.00498.45729.92梁单元内力133 1/2-1076.50566.05596.88梁单元内力133 3/4-1080.00634.82446.80梁单元内力13J-1083.40704.76279.38梁单元内力14I-1055.70-178.11-1149.70梁单元内力141/4-1059.10-239.83-1097.50梁单元内力141/2-1062.60-302.72-1029.70梁单元内力143/4-1066.10-366.79-946.04

17、梁单元内力14J-1069.60-432.03-846.21梁单元内力15I-1055.70178.111149.70梁单元内力151/4-1059.10239.831097.50梁单元内力151/2-1062.60302.721029.70梁单元内力153/4-1066.10366.79946.04梁单元内力15J-1069.60432.03846.21梁单元内力16I-1041.8057.01-1208.70梁单元内力161/4-1045.20-0.01-1215.80梁单元内力161/2-1048.70-58.20-1208.60梁单元内力163/4-1052.20-117.57-118

18、6.60梁单元内力16J-1055.70-178.11-1149.70梁单元内力17I-1041.80-57.011208.70梁单元内力171/4-1045.200.011215.80梁单元内力171/2-1048.7058.201208.60梁单元内力173/4-1052.20117.571186.60梁单元内力17J-1055.70178.111149.70梁单元内力18I-1027.90273.32-1042.00梁单元内力181/4-1031.40221.01-1103.80梁单元内力181/2-1034.80167.51-1152.40梁单元内力183/4-1038.30112.8

19、5-1187.40梁单元内力18J-1041.8057.01-1208.70梁单元内力19I-1027.90-273.321042.00梁单元内力191/4-1031.40-221.011103.80梁单元内力191/2-1034.80-167.511152.40梁单元内力193/4-1038.30-112.851187.40梁单元内力19J-1041.80-57.011208.70梁单元内力20I-1014.00470.83-668.32梁单元内力201/4-1017.50423.21-780.10梁单元内力201/2-1020.90374.42-879.83梁单元内力203/4-1024.

20、40324.46-967.22梁单元内力20J-1027.90273.32-1042.00梁单元内力21I-1014.00-470.83668.32梁单元内力211/4-1017.50-423.21780.10梁单元内力211/2-1020.90-374.42879.83梁单元内力213/4-1024.40-324.46967.22梁单元内力21J-1027.90-273.321042.00梁单元内力22I-1000.10649.53-106.58梁单元内力221/4-1003.60606.62-263.62梁单元内力221/2-1007.00562.53-409.79梁单元内力223/4-1

21、010.50517.27-544.79梁单元内力22J-1014.00470.83-668.32梁单元内力23I-1000.10-649.53106.58梁单元内力231/4-1003.60-606.62263.62梁单元内力231/2-1007.00-562.53409.79梁单元内力233/4-1010.50-517.27544.79梁单元内力23J-1014.00-470.83668.32梁单元内力24I-986.21809.42624.46梁单元内力241/4-989.68771.21426.86梁单元内力241/2-993.15731.83238.96梁单元内力243/4-996.6

22、3691.2761.05梁单元内力24J-1000.10649.53-106.58梁单元内力25I-986.21-809.42-624.46梁单元内力251/4-989.68-771.21-426.86梁单元内力251/2-993.15-731.83-238.96梁单元内力253/4-996.63-691.27-61.05梁单元内力25J-1000.10-649.53106.58梁单元内力26I-972.32950.511506.00梁单元内力261/4-975.79917.011272.50梁单元内力261/2-979.26882.321047.60梁单元内力263/4-982.74846.

23、46831.47梁单元内力26J-986.21809.42624.46梁单元内力27I-972.32-950.51-1506.00梁单元内力271/4-975.79-917.01-1272.50梁单元内力271/2-979.26-882.32-1047.60梁单元内力273/4-982.74-846.46-831.47梁单元内力27J-986.21-809.42-624.46梁单元内力28I-950.51718.75-660.47梁单元内力281/4-950.51782.14-848.08梁单元内力281/2-950.51845.53-1051.50梁单元内力283/4-950.51908.9

24、2-1270.80梁单元内力28J-950.51972.32-1506.00梁单元内力29I-950.51435.88-97.81梁单元内力291/4-950.51499.27-214.70梁单元内力291/2-950.51562.66-347.44梁单元内力293/4-950.51626.06-496.03梁单元内力29J-950.51689.45-660.47梁单元内力30I-950.51147.81176.79梁单元内力301/4-950.51211.20131.91梁单元内力301/2-950.51274.5971.19梁单元内力303/4-950.51337.98-5.39梁单元内力

25、30J-950.51401.38-97.81梁单元内力31I-950.51-126.79176.79梁单元内力311/4-950.51-63.39200.56梁单元内力311/2-950.510.00208.48梁单元内力313/4-950.5163.39200.56梁单元内力31J-950.51126.79176.79梁单元内力32I-950.51-401.38-97.81梁单元内力321/4-950.51-337.98-5.39梁单元内力321/2-950.51-274.5971.19梁单元内力323/4-950.51-211.20131.91梁单元内力32J-950.51-147.811

26、76.79梁单元内力33I-950.51-689.45-660.47梁单元内力331/4-950.51-626.06-496.03梁单元内力331/2-950.51-562.66-347.44梁单元内力333/4-950.51-499.27-214.70梁单元内力33J-950.51-435.88-97.81梁单元内力34I-950.51-972.32-1506.00梁单元内力341/4-950.51-908.92-1270.80梁单元内力341/2-950.51-845.53-1051.50梁单元内力343/4-950.51-782.14-848.08梁单元内力34J-950.51-718.

27、75-660.47由上述表格可知，在基本组合下，顶板最大弯矩为1506.00KNm，最大负弯矩为208.48KNm；底板最大弯矩为1719.48KNm，最大负弯矩为237.17KNm；侧墙两端弯矩M1为1506.00KNm，M2为1719.48KNm，最大轴力为1111.23KN。采用同样方法可知，标准组合下，顶板最大弯矩为1112.72KNm，最大负弯矩为152.72KNm；底板最大弯矩为1271.15KNm，最大负弯矩为174.47KNm；侧墙两端弯矩M1为1112.72KNm，M2为1271.15KNm，最大轴力为820.54KN。4.2地下水位为hw2时内力输出结果：同理可知：在基本组

28、合下，顶板最大弯矩为1179.08KNm，最大负弯矩为374.04KNm；底板最大弯矩为1319.50KNm，最大负弯矩为337.73KNm；侧墙两端弯矩M1为1179.08KNm，M2为1319.50KNm，最大轴力为1206.41KN。标准组合下，顶板最大弯矩为870.56KNm，最大负弯矩为275.36KNm；底板最大弯矩为974.86KNm，最大负弯矩为248.96KNm；侧墙两端弯矩M1为1112.72KNm，M2为974.86KNm，最大轴力为757.71KN。4.3分析最不利工况经比较可知，由于顶板底板看作纯弯构件，侧墙为偏心受压构件，因此地下水位为hw1时的内力情况比地下水位为

29、hw1时的内力情况更为不利，因此取地下水位为hw1时的情况进行配筋计算。第五章、配筋计算混凝土采用C30混凝土 ，钢筋采用HRB400级钢筋。可查得以下具体计算参数：， ，5.1 顶板配筋计算已知顶板为纯弯构件，因此采用纯弯构件配筋方式进行配筋。已知顶板最大内力如下：M=1506.00KNm M=208.48KNm N=950.91KN Q=972.32KN由于受拉侧弯矩较大，可假设，由题意得截面几何尺寸为因此有,有效高度 （1）先判断是否使用双筋截面：因此需要配双筋截面。并且由于异号弯矩相差过大，此时若采用异号弯矩为双筋截面配筋的控制条件时，最后配出的受拉侧钢筋仍然超筋，因此考虑最大弯矩进行

30、配筋（即采用受拉区受压区钢筋都不已知的情况）。（2）控制破坏形态的受拉区钢筋配置：此时为了保证充分利用受压区面积，充分利用混凝土受压强度，使得用钢量最小，因此令：此时控制破坏形态的受拉区钢筋面积： （3）受压区及剩余受拉区钢筋配置：此时受压区钢筋面积： 剩余受拉区钢筋面积：因此受拉区面积总和为：查钢筋表进行配筋可知：受拉区配置的HRB400钢筋，实配钢筋面积为17244mm2。受压区配置的HRB400钢筋，实配钢筋面积为8042mm2。5.2 底板配筋计算已知底板为纯弯构件，因此采用纯弯构件配筋方式进行配筋。已知顶板最大内力如下：M=1719.48KNm M=215.75KNm由于受拉侧弯矩较

31、大，可假设，由题意得截面几何尺寸为因此有,有效高度 （1）先判断是否使用双筋截面：因此需要配双筋截面。并且由于异号弯矩相差过大，此时若采用异号弯矩为双筋截面配筋的控制条件时，最后配出的受拉侧钢筋仍然超筋，因此考虑最大弯矩进行配筋（即采用受拉区受压区钢筋都不已知的情况）。（2）控制破坏形态的受拉区钢筋配置：此时为了保证充分利用受压区面积，充分利用混凝土受压强度，使得用钢量最小，因此令：此时控制破坏形态的受拉区钢筋面积： （3）受压区及剩余受拉区钢筋配置：此时受压区钢筋面积： 剩余受拉区钢筋面积：因此受拉区面积总和为：查钢筋表进行配筋可知：受拉区配置的HRB400钢筋，实配钢筋面积为19704mm

32、2。受压区配置的HRB400钢筋，实配钢筋面积为9852mm2。5.3 侧墙配筋计算由题意得两侧侧墙为轴对称状态，因此只需对一侧侧墙进行配筋计算。同时，侧墙按照偏心受压构件进行考虑。（1）侧墙几何尺寸及计算参数确定截面惯性矩： 回转半径： 计算长度：由于侧墙相当于两端固定的偏心受压柱，因此计算长度。由Midas计算分析可知各内力为：M1=1506.00KNm，M2=1719.48KNm，N=1111.23KN。（2）考虑挠曲效应验算初始弯矩及定义初始偏心距当满足以下条件之一时，必须考虑挠曲效应带来的弯矩增大效果：轴压比此时，但是。因此还是需要考虑挠曲效应。偏心距调节系数： 小偏压截面曲率修正系

33、数： 弯矩增大系数： 因此修正后弯矩如下： 偏心距 （3）判断大小偏心及配筋计算根据或，判断侧墙为大偏心。受压钢筋配筋计算： 受拉钢筋配筋计算：根据钢筋表进行配筋可知：受拉钢筋配置的HRB400钢筋，实配钢筋面积为16286mm2。受压区配置的HRB400钢筋，实配钢筋面积为8042mm2。第六章、裂缝验算此时采用标准组合（由于未定义准永久组合系数，因此采取保守的标准组合进行验算）所得到的各项内力对各构件进行裂缝验算。即顶板最大弯矩为1112.72KNm，最大负弯矩为152.72KNm；底板最大弯矩为1271.15KNm，最大负弯矩为174.47KNm；侧墙两端弯矩M1为1112.72KNm，

34、M2为1271.15KNm，最大轴力为820.54KN。5.1 顶板边缘裂缝验算保护层厚度为35mm，因此。受拉钢筋配筋率： 参数因此最大裂缝宽度如下计算： 式中：查表得5.2 顶板跨中裂缝验算。受拉钢筋配筋率： 参数因此最大裂缝宽度如下计算： 式中：查表得5.3 底板边缘裂缝验算。受拉钢筋配筋率： 参数因此最大裂缝宽度如下计算： 式中：查表得5.4 底板跨中裂缝验算。受拉钢筋配筋率： 参数因此最大裂缝宽度如下计算： 式中：查表得5.5 侧墙受拉一侧裂缝验算 因此可以总结出：所有的裂缝检算均合格。第六章、课设总结6.1 参考文献参考文献：1 地铁设计规范GB5015720032 铁路隧道设计规范TB1000320053 贺少辉地下工程2008年版 北京交通大学出版社、清华大学出版社4 关宝树地下工程2007年版 高等教育出版社5 李志业、曾艳华地下结构设计原理与方法 2005年版 西南交通大学出版社6 曾亚武地下结构设计原理 2006年版 武汉大学出版社7 程文襄、王铁成混凝土结构 2008年版 中国建筑工业出版社