最新地铁车站ANSYS数值分析课程设计

地铁车站A N S Y S数值分析课程设计

地铁车站数值分析课程设计

1设计说明

本地铁车站为地下二层侧式车站，考虑车辆限界及建筑设计要求，车站主体断面采用单柱双跨箱形框架结构。顶底板均采用厚板结构，柱网结合建筑布局条件设置。

本车站结构计算选取标准组合，用来计算承载能力极限状态和验算正常使用极限状态。结构分析主要为车站横断面受力计算。其中横断面计算由于结构和围岩地质的复杂性，借鉴三维分析的应力分布规律，认为选取中间标准断面和两端典型断面两个断面作为控制断面进行计算是合理的，围岩均以最不利处计算。纵梁的计算按多跨连续梁计算。

本次计算采用“荷载-结构”模式，借助于美国ANSYS公司编制的大型有限元结构计算程序ANSYS10.0进行计算分析。荷载严格按《建筑结构荷载规范GB50009-2001》及人防通用图计算；结构形式和尺寸以相关施工图为准。具体计算结果,以图示的形式形象地表示所需要的相关信息。

2 标准截面内力计算

2.1标准截面尺寸拟定

主要结构尺寸的拟定是在满足建筑限界和建筑设计的基础上，考虑施工误差、测量误差、结构变形、沉陷等因素，根据工程地质条件、水文地质资料、车站埋深、结构类型和施工方法等条件经过计算确定。基本拟定原则为：1．结构主要尺寸的拟定应根据承载能力极限状态及正常使用极限状态的要求，对构件分别进行承载力的计算和稳定、变形及裂缝宽度验算；

2．结构构件的设计按承载力极限状态及正常使用极限状态分别进行荷载效应组合，并取各自最不利组合进行结构构件的设计；

3．主体结构的安全等级为一级，构件的重要性系数取为1.1；

4．结构尺寸的拟定应考虑基坑支护结构的作用。

图1 标准截面尺寸图

2.2主要设计标准

1．主体结构安全等级为一级；

2．结构抗震设防分类为乙级，地震按7度抗震设防，地下结构抗震等级为三级；

3．地铁的地下工程及出入口、风道与风亭均按一级耐火等级设计；

4．人防等级按5级设防；

5．内衬混凝土裂缝控制标准：迎土面地表附近干湿交替环境≤0.2mm，其余部位≤0.3mm；

6．环境类别：二类A。

2.3结构计算方法

1．标准段主体结构为单柱双跨箱形框架结构。主体结构围护桩与内衬墙间设有防水隔离层，为重合墙模式围护结构，围护桩与内衬墙间由两端铰接链杆模拟，只传递压力，产生拉力时链杆不起作用。地层对桩、墙、底板的抗力也均由链杆Link10（Compression only）模拟。

2．结构计算采用“荷载-结构”模式，借助于美国ANSYS公司编制的大型有限元结构计算程序ANSYS10.0进行计算分析。在使用阶段考虑水压力由内衬墙承担，土压力由桩、内衬墙共同承担，从而形成重合墙模式。通过模拟在主体与围护之间的刚性链杆（只能承受压力的二力杆）传力给主体结构。

3．本设计根据相关规范选取荷载“基本组合”进行受力分析。

基本组合：覆土荷载+地面超载+侧向水土压力+结构自重+楼层设备荷载+楼层人群荷载+底板水压力

4．对于砂土和粉土等无粘性土按水土分算原则进行，即作用于围护结构上的侧压力等于土压力与静水压力之和，地下水位以下的土采用浮重度'γ和有效应力抗剪强度指标值'c和'ϕ计算。水土合算时，地下水位以下的土压力采用饱γ和总应力抗剪强度指标值c和ϕ计算。一般在粘性土孔隙比e较大或

和重度

sat

水平向渗透系数较大时采用水土分算。

2.4设计截面材料

1．主要受力结构一般采用钢筋混凝土，必要时可采用钢管混凝土或劲性钢筋混凝土结构。

2．钢筋混凝土及素混凝土除能够满足强度需要外，还须考虑抗冻、抗渗和抗侵蚀等的要求。

3．主要受力钢筋一般采用HRB335级钢，其它钢筋可采用HPB235级钢。

4．钢结构构件一般采用Q235B钢。

表1车站结构混凝土材料表

2.5结构截面特性

计算宽度沿纵向取跨长8m ，即B =8m

1．顶板（用Beam3模拟）： C30混凝土 B =8m 0.5D m =

2．中板（用Beam3模拟）： C30混凝土 B =8m 0.35D m =

3．底板（用Beam3模拟）： C30混凝土 B =8m 0.8D m =

4．侧墙（用Beam3模拟）： C30混凝土 B =8m 0.8D m =

5．中柱（用Link10模拟）： C40混凝土 500mm ×1000mm

结构和围岩的相互作用用Link10来实现，考虑到土体受力特性（不能受拉），将Link10的Option 选项设置为Compression only 。

2.6作用荷载计算

1．路面活载：作用在结构上的垂直荷载中，首先考虑的是地表面的荷载，一般浅埋地下铁道设于公路下方，所以应考虑路面活荷载。关于路面活荷载的采用标准，参照公路钢筋混凝土桥梁设计规范中有关路面活荷载的规定，采用汽—20级，按折算等效均布荷载取为20kPa

2．自重荷载：自重荷载在后面ANSYS 计算中将直接被定义出来，在建模计算中直接参与运算。

3．人群及设备荷载：车站的人群荷载按照《地铁设计规范》，取为

4kPa ；内部设备根据型号，按照《地铁设计规范》取为8kPa ；

4．侧向荷载：一般土压力的计算有两种计算方法：水土分算与水土合算。采用水土分算时，实际上是考虑静水压力的水土分算法，它考虑了土粒本身的重力，还考虑了孔隙水对土粒的浮力，是将地下水位以下土的容重减去水的容

重求土压，水压则取全水头。水土合算时，即用饱和重度计算土压力,不再另外考虑水压力的作用。现行的相关规范都规定在地下水位以下对于粘性土采用水土合算，对于地下水位以下的砂土、碎石土采用水土分算。要注意的是水土合算存在较严重的理论缺陷，用的时候要加以注意，而水土分算的根据比较充分但实际操作困难较大。一般说来，采用水土分算偏安全和保守。

本车站场地以砂性土层为主，且出于安全考虑，应采用水土分算。为简化计算，采用加权平均。 i i i h

h γγ=∑∑ （4-

1） i i

i

h h ϕϕ=∑∑ （4-2）

式中 i γ——车站侧向荷载土各层的容重，（3/kN m ）； i ϕ——车站侧向荷载土各层的摩擦角，（0）；

i h ——车站侧向荷载土各层的厚度，（m ）。

320.14/i i i h kN m h γγ==∑∑加 22.86i

i i h h ϕϕ==∑∑加 侧压力系数：2222.86tan 45tan 450.4422ϕλ⎛⎫⎛⎫=-=-= ⎪ ⎪⎝⎭⎝

⎭ 侧墙上顶板处因为没有填土，故土压力为1e =0kPa

侧墙上低板处的土压力：

2(10.36)(0+20.1410.36) 0.44=91.8kPa e q γλ=+⨯=⨯⨯顶板加

地下水位在低侧墙处的压力1q 109.8698.6kPa =⨯=