某中學教學樓畢業(yè)設計計算書.doc

淮陰工學院畢業(yè)設計說明書 第 145 頁 共 145 頁3 結構設計說明3.1 工程概況某中學教學樓，設計要求建筑面積約2000-4000m2，3-4層。經多方論證，初步確定設為四層，結構為鋼筋混凝土框架結構。3.2 設計主要依據和資料3.2.1 設計依據 a) 國家及江蘇省現行的有關結構設計規(guī)范、規(guī)程及規(guī)定。b) 本工程各項批文及甲方單位要求。c) 本工程的活載取值嚴格按建筑結構荷載規(guī)范（gb50009-2001）執(zhí)行。3.2.2 設計資料 1 房屋建筑學 武漢工業(yè)大學出版社2 混凝土結構（上、下） 武漢理工大學出版社3 基礎工程 同濟大學出版社4 建筑結構設計 東南大學出版社5 結構力學 人民教育出版社6 地基與基礎 武漢工業(yè)大學出版社7 工程結構抗震 中國建筑工業(yè)出版社8 簡明建筑結構設計手冊 中國建筑工業(yè)出版社9 土木工程專業(yè)畢業(yè)設計指導 科學出版社10 實用鋼筋混凝土構造手冊 中國建筑工業(yè)出版社11 房屋建筑制圖統一標準（bg50001-2001） 中國建筑工業(yè)出版社12 建筑結構制圖標準（bg50105-2001） 中國建筑工業(yè)出版社13 建筑設計防火規(guī)范（gbj1687） 中國建筑工業(yè)出版社14 民用建筑設計規(guī)范（gbji0i8-7） 中國建筑工業(yè)出版社15 綜合醫(yī)院建筑設計規(guī)范（jgj49-88） 中國建筑工業(yè)出版社16 建筑樓梯模數協調標準（gbji0i-87） 中國建筑工業(yè)出版社17 建筑結構荷載規(guī)范（gb5009-2001） 中國建筑工業(yè)出版社18 建筑結構可靠度設計統一標準（gb50068-2001） 中國建筑工業(yè)出版社19 混凝土結構設計規(guī)范（gb500102002） 中國建筑工業(yè)出版社20 地基與基礎設計規(guī)范（gb5007-2002） 中國建筑工業(yè)出版社21 建筑抗震設計規(guī)范（gb500112001） 中國建筑工業(yè)出版社22 砌體結構 中國建筑工業(yè)出版社23 簡明砌體結構設計施工資料集成 中國電力出版社24 土木工程專業(yè)畢業(yè)設計指南 中國水利水電出版社25 土建工程圖與autocad 科學出版社26 簡明砌體結構設計手冊 機械工業(yè)出版社27 砌體結構設計手冊 中國建筑工業(yè)出版社28 砌體結構設計規(guī)范（gb500102002） 中國建筑工業(yè)出版社本工程采用框架結構體系，抗震等級為四級。本工程耐火等級為二級，其建筑構件的耐火極限及燃燒性能均按民用建筑設計規(guī)范（gbji0i8-7）執(zhí)行.全部圖紙尺寸除標高以米為單位外均以毫米為單位。本工程結構圖中所注標高均為結構標高。3.3 結構設計方案及布置 鋼筋混凝土框架結構是由梁，柱通過節(jié)點連接組成的承受豎向荷載和水平荷載的結構體系。墻體只給圍護和隔斷作用?？蚣芙Y構具有建筑平面布置靈活，室內空間大等優(yōu)點，廣泛應用于電子、輕工、食品、化工等多層廠房和住宅、辦公、商業(yè)、旅館等民用建筑。因此這次設計的成集中學教學樓采用鋼筋混凝土框架結構。按結構布置不同，框架結構可以分為橫向承重，縱向承重和縱橫向承重三種布置方案。本次設計的教學樓采用橫向承重方案，豎向荷載主要由橫向框架承擔，樓板為預制板時應沿橫向布置，樓板為現澆板時，一般需設置次梁將荷載傳至橫向框架。橫向框架還要承受橫向的水平風載和地震荷載。在房屋的縱向則設置連系梁與橫向框架連接，這些聯系梁與柱實際上形成了縱向框架，承受平行于房屋縱向的水平風荷載和地震荷載。3.4變形縫的設置在結構總體布置中，為了降低地基沉降、溫度變化和體型復雜對結構的不利影響，可以設置沉降縫、伸縮縫和防震縫將結構分成若干獨立的單元。當房屋既需要設沉降縫，又需要設伸縮縫，沉降縫可以兼做伸縮縫，兩縫合并設置。對有抗震設防要求的的房屋，其沉降縫和伸縮縫均應該符合防震縫的要求，并進可能做到三縫合一。3.5 構件初估3.5.1 柱截面尺寸的確定柱截面高度可以取，h為層高；柱截面寬度可以取為。選定柱截面尺寸為500 mm500mm3.5.2 梁尺寸確定 框架梁截面高度取梁跨度的l/8l/12。該工程框架為縱橫向承重，根據梁跨度可初步確定框架梁300mm600mm3.5.3 樓板厚度 樓板為現澆雙向板，根據經驗板厚取130mm。3.6 基本假定與計算簡圖3.6.1 基本假定第一：平面結構假定：該工程平面為正交布置，可認為每一方向的水平力只由該方向的抗側力結構承擔，垂直于該方向的抗側力結構不受力。第二：由于結構體型規(guī)整，布置對稱均勻，結構在水平荷載作用下不計扭轉影響。3.6.2 計算簡圖在橫向水平力作用下，連梁梁對墻產生約束彎矩，因此將結構簡化為剛結計算體系，計算簡圖如后面所述。3.7荷載計算作用在框架結構上的荷載通常為恒載和活載。恒載包括結構自重、結構表面的粉灰重、土壓力、預加應力等?；詈奢d包括樓面和屋面活荷載、風荷載、雪荷載、安裝荷載等。高層建筑水平力是起控制作用的荷載，包括地震作用和風力。地震作用計算方法按建筑結構抗震設計規(guī)范進行，對高度不超過40m以剪切為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的結構，可采用底部剪力法。豎向荷載主要是結構自重（恒載）和使用荷載（活載）。結構自重可由構件截面尺寸直接計算，建筑材料單位體積重量按荷載規(guī)范取值。使用荷載（活荷載）按荷載規(guī)范取值，樓面活荷載折減系數按荷載規(guī)范取用。3.8 側移計算及控制框架結構的側移由梁柱桿件彎曲變形和柱的軸向變形產生的。在層數不多的框架中，柱軸向變形引起的側移很小，可以忽略不計。在近似計算中，一般只需計算由桿件彎曲引起的變形。 當一般裝修標準時，框架結構在地震作用下層間位移和層高之比、頂點位移與總高之比分別為1：650，1：700。 框架結構在正常使用條件下的變形驗算要求各層的層間側移值與該層的層高之比不宜超過1/550的限值。3.9 內力計算及組合3.9.1 豎向荷載下的內力計算豎向荷載下內力計算首先根據樓蓋的結構平面布置，將豎向荷載傳遞給每榀框架?？蚣芙Y構在豎向荷載下的內力計算采用分層法計算各敞口單元的內力，然后在將各敞口單元的內力進行疊加；連梁考慮塑性內力重分布而進行調幅，按兩端固定進行計算。3.9.2 水平荷載下的計算 利用d值法計算出框架在水平荷載作用下的層間水平力，然后將作用在每一層上的水平力按照該榀框架各柱的剛度比進行分配，算出各柱的剪力，再求出柱端的彎矩，利用節(jié)點平衡求出梁端彎矩。3.9.3 內力組合第一：荷載組合。荷載組合簡化如下：（1）恒荷載+活荷載、（2）恒荷載+風荷載、（3）恒荷載+活荷載+風荷載、（4）恒荷載+地震荷載+活荷載。第二：控制截面及不利內力。框架梁柱應進行組合的層一般為頂上二層，底層，混凝土強度、截面尺寸有改變層及體系反彎點所在層?？蚣芰嚎刂平孛婕安焕麅攘椋褐ё孛?，mmax，vmax，跨中截面，mmax。框架柱控制截面為每層上、下截面，每截面組合：mmax及相應的n、v，nmax及相應m、v，nmin及相應m、v。3.10 基礎設計在荷載作用下，建筑物的地基、基礎和上部結構3部分彼此聯系、相互制約。設計時應根據地質資料，綜合考慮地基基礎上部結構的相互作用與施工條件，通過經濟條件比較，選取安全可靠、經濟合理、技術先進和施工簡便的地基基礎方案。根據上部結構、工程地質、施工等因素，優(yōu)先選用整體性較好的獨立基礎。3.11 施工材料第一：本工程中所采用的鋼筋箍筋為級鋼，fy=210n/m,主筋為級鋼，fy=300n/m。第二：柱梁鋼筋混凝土保護層為35mm,板為15mm。第三：鋼筋的錨固和搭接按國家現行規(guī)范執(zhí)行。第四：本工程所有混凝土強度等級均為c30。第五：墻體外墻及疏散樓梯間采用240厚蒸壓灰砂磚。第六：當門窗洞寬1000mm時,應采用鋼筋磚過梁,兩端伸入支座370并彎直鉤;門窗洞寬1000mm時,設置鋼筋混凝土過梁。3.12 施工要求及其他設計說明第一：本工程上部樓板設計時未考慮較大施工堆載（均布），當外荷載達到3.0kn/m時，應采取可靠措施予以保護。第二：本工程女兒墻壓頂圈梁為240mm120mm，內配48，f6250，構造柱為240mm240mm，內配410，6250，間隔不大于2000mm第三；施工縫接縫應認真處理，在混凝土澆筑前必須清除雜物，洗凈濕潤，在刷2度純水泥漿后，用高一級的水泥沙漿接頭，再澆筑混凝土。第四：未詳盡說明處，按相關規(guī)范執(zhí)行。4 設計計算書4.1 設計原始資料（1）.冬季主導風向東北平均風速2.6 m/s，夏季主導風向東南平均風速2.6 m/s，最大風速23.7 m/s。(2).常年地下水位低于-1.3m，水質對混凝土沒有侵蝕作用。(3).最大積雪厚度0.32m，基本雪壓so=0.4kn/m2,基本風壓wo=0.4 kn/m2,土壤最大凍結深度0.09m。(4).抗震設防烈度6度，設計地震分組第三組.(5).地質條件序號巖石名稱厚度fak(mpa)1耕土1.1-2黏土2.82503黏土9.41104.2 結構布置及計算簡圖 根據該房屋的使用功能及建筑設計的需求，進行了建筑平面、立面、及剖面設計其各層建筑平面剖面示意圖如建筑設計圖，主體結構4層，層高均為3.9m。填充墻面采用240 mm厚的灰砂磚砌筑，門為木門，窗為鋁合金窗，門窗洞口尺寸見門窗表。樓蓋及屋蓋均采用現澆鋼筋混凝土結構，樓板厚度取130mm，梁載面高度按梁跨度的1/121/8估算，由此估算的梁載面尺寸見表1，表中還給出柱板的砱強度等級。c30（fc=14.3n/mm2，ft=1.43n/mm2）表1 梁截面尺寸層次砼強度橫梁（bh）縱梁(bh)ab跨bc跨cd跨1-4c30300600250500300600250500柱載面尺寸可根據式n=fgen acn/unfc估算表2查得該框架結構在30m以下，撫震得級為三級，其軸壓比值un=0.9表2 抗震等級分類結構類型烈 度6789框架結構高度/m30303030303025框架四三三二二一一劇場、體育等三二一一表3 軸壓比限值結構類型 抗 震 等 級一二三框架結構0.70.80.9柱截面尺寸：柱截面高度可取h=（1/15-1/20）h，h為層高；柱截面高度可取b=（1-2/3）h，并按下述方法進行初步估算。a） 框架柱承受豎向荷載為主時，可先按負荷面積估算出柱軸力，再按軸心受壓柱驗算。考慮到彎矩影響，適當將柱軸力乘以1.2-1.4的放大系數。b） 對于有抗震設防要求的框架結構,為保證柱有足夠的延性,需要限制柱的軸壓比,柱截面面積應滿足下列要求。 c) 框架柱截面高度不宜小于400mm,寬度不宜小于350mm。為避免發(fā)生剪切破壞，柱凈高與截面長邊之比不宜大于4。根據上述規(guī)定并綜合考慮其他因素，設計柱截面尺寸取值統一取500500mm?；A采用柱下條形基礎，基礎+距離室外地平0.5，室內外高差為0.45,框架結構計算簡圖如圖所示，取頂層柱的形心線作為框架柱的軸線，梁軸線取至板底，2-4層柱高度即為層高3.9m，底層柱高度從基礎頂面取至一層板底，即h1=3.9+0.45+0.5=4.85m?？蚣苡嬎愫唸D見圖1。圖1 框架計算簡圖4.3 荷載計算4.3.1 恒載標準值計算屋面：剛性防水屋面(有保溫層) ：蘇j01-2005 12/7 40厚c20細石砼內配直徑4間距150雙向鋼筋 0.8 kn/m2 20厚1:3水泥砂漿找平 0.02x20=0.4kn/m2 70厚水泥防水珍珠巖塊或瀝青珍珠巖保溫層 0.07x10=0.7 kn/m2 20厚1:3水泥砂漿找平層 0.02x20=0.4 kn/m2100 厚結構層 0.1x25=2.5 kn/m212厚板底抹灰 0.012x20=2.5 kn/m2合 計 4.82kn/m2樓面：水磨石地面(10mm面層,20mm水泥砂漿打底，素水泥打底)0.65kn/m2130厚鋼筋砼板 250.13=3.25 kn/m212厚水泥沙漿0.01220=2.5 kn/m2 合 計 4.14 kn/m2梁自重：邊跨梁 bxh=300600mm梁自重 250.3(0.6-0.13)=3.75kn/m抹灰層：12厚水泥砂漿0.012(0.6-0.13)2+0.0120.3200.312kn/m 合計 4.062kn/m2中間跨梁 bxh=250500mm梁自重 250.25(0.5-0.13)=3.00kn/m抹灰層：12厚水泥砂漿0.012(0.5-0.13)2+0.0120.25200.26kn/m 合計 3.26kn/m2柱自重：bxh=500500mm柱自重 250.500.50=6.25kn/m抹灰層：12厚水泥砂漿 0.0120.504200.48kn/m 合計 6.73kn/m外縱墻自重：標準層：縱墻（240灰砂磚） 18(3.9-0.5-1.8)0.24=6.48kn/m鋁合金門窗 0.351.8 =0.63kn/m水泥粉刷外墻面 0.36(3.60-1.80)=0.756kn/m水泥粉刷內墻面 0.36(3.60-1.80)=0.756kn/m合計 8.622kn/m2底層：縱墻（240灰砂磚） 18(4.85-1.80-0.50-0.40)0.24=9.288kn/m鋁合金門窗 0.351.8=0.63kn/m釉面磚外墻面 0.5(4.35-1.80-0.50)=1.025kn/m水泥粉刷內墻面 0.756kn/m合計 11.70kn/m內縱墻自重：標準層：縱墻（240灰砂磚） 18(3.90-0.50)0.24=14.688kn/m水泥粉刷墻面0.36(3.90-0.5)2.00=2.448kn/m合計 17.136kn/m2底層：縱墻（240灰砂磚） 18(4.85-0.50-0.40)0.24=17.06kn/m水泥粉刷墻面 0.363.902=2.808kn/m合計 19.87kn/m4.3.2 活荷載標準值計算第一：面和樓屋面活荷載標準值根據荷載規(guī)范查得：上人屋面 2.0樓面：教室 2.0走道 2.5第二：雪荷載 0.4屋面活荷載與雪荷載不同時考慮，兩者中取大值。4.3.3 豎向荷載下框架受荷總圖本次設計的教學樓縱向柱距為4.50m,橫梁跨度為6.90m，單區(qū)格板為4.50m6.90m。l1/l2=1.5t1=0.502s，則取為0fi=（1-n）各層橫向地震作用及樓層地震剪力計算見表8表8 各層橫向地震作用及樓層地震剪力層次hihigigihifivi43.916.554139685000.345202.07202.0733.912.65488461782.60.311182.15384.2223.98.754884427350.215125.93510.1514.854.855233253800.12874.97585.12各質點水平地震作用及樓層地震剪力沿房屋高度的分布如圖5，6圖6 水平地震作用分布 圖7 層間剪力分布4.4.4 水平地震作用下的位移驗算水平地震作用下框架結構的層間位移和頂點位移i分別按式和()k計算計算過程見表9，表中還計算了各層的層間彈性位移角=i/hi表9 橫向水平地震作用下的位移驗算層次vidiiihie=4202.073058820.666.3239001/59093384.223058821.265.6639001/30952510.153058821.674.4039001/23351585.122143682.732.7348501/1777由表9可見，最大層間彈性位移角發(fā)生在第1層，其值為1/59091/550滿足式eeh的要求，其中/h=1/550由表查得。4.4.5 水平地震作用下框架內力計算水平地震作用下的內力采用改進的反彎點法?？蚣苤思舻都暗染胤謩e按式vij= 計算，其中dij取自表dij取自表5，層間剪刀取自表7，各柱反彎點高度比y按式y=yn+y1+y2+y3確度，各修正值見表10，各層柱剪力計算見表9。表10 柱剪力計算層次 a軸柱b軸柱c軸柱d軸柱第四層同a軸同b軸第三層同a軸同b軸層次 a軸柱b軸柱c軸柱d軸柱第二層同a軸同b軸第一層 同a軸同b軸表11 各柱的反彎點高度層次a軸柱b軸柱c軸柱d軸柱第五層同a軸同b軸第四層同a軸同b軸第三層同a軸同b軸第二層同a軸同b軸層次a軸柱b軸柱c軸柱d軸柱第一層同a軸同b軸梁端彎矩剪力及柱軸力發(fā)別按下式計算：vb=(mb1+ mb2)/l，ni=表12 橫向水平地震作用下a軸框架柱層號48090364200711483153804532992699220410464426736931261058752287431 表13 橫向水平地震作用下b軸框架柱層號4132604528442327325360504945494523067050598159811342605574779139結果如圖8，圖9，圖10圖8 地震作用下的框架彎矩圖圖9 地震作用下的框架剪力圖 圖10 地震作用下的框架軸力圖4.5 豎向荷載作用框架內力計算豎向荷載作用下的內力一般可采用近似法，有分層法，彎矩二次分配法和迭代法。當框架為少層少跨時，采用彎矩二次分配法較為理想。這里豎向荷載作用下的內力計算采用分層法。 豎向荷載作用下,框架的內力分析除活荷載較大的工業(yè)與民用建筑.可以不考慮活荷載的不利布置,這樣求得的框架內力,梁跨中彎距較考慮活載不利布置法求得的彎局偏低,但當活載占總荷載的比例較小時,其影響很小.若活荷載占總荷載的比例較大時,可在截面配筋時,將跨中彎距乘以1.11.2的較大系數?？蚣軝M梁均布恒荷載、活荷載可從前面荷載計算中查得。具體數值見圖10。其中框架柱的相對線剛度除底層柱之外其于各層乘以0.9。圖11 橫向框架荷載作用圖由于柱縱向集中荷載的作用，對柱產生偏心。在恒荷載和活荷載的作用下的偏心矩如圖12，13所示。圖12 豎向恒載引起的偏心彎矩圖13 豎向活載引起的偏心彎矩4.5.1 梁柱端的彎矩計算 梁端柱端彎矩采用彎矩分配法計算。計算步驟為：（1） 將原框架分為5個敞口單元，除底層柱外的其于各層柱的相對線剛度乘以0.9。（2） 用彎矩分配法計算每一個敞口單元的桿端彎矩，底層柱的傳遞系數為0.5，其余各層柱的傳遞系數為1/3。將分層法所得到的彎矩圖疊加，并將節(jié)點不平衡彎矩進行再分配。 梁端固定彎矩計算：恒載：屋面： 樓面： 活載：屋面： 屋面： 分層法計算見圖14、15、16。圖14 頂層彎矩分配及彎矩圖圖15 三-二層彎矩分配及彎矩圖圖16 底層彎矩分配及彎矩圖豎向均布恒載作用下的框架彎矩圖如圖17。圖17 豎向均布恒載作用下的框架彎矩圖豎向均布活荷載作用下的框架內力計算方法同上，結果見圖18、19、20、21。圖18頂層彎矩分配及彎矩圖圖19三-二層彎矩分配及彎矩圖 圖20底層彎矩分配及彎矩圖 圖21活荷載作用下的彎矩圖對節(jié)點不平衡彎矩進行再次分配，以恒荷載作用下五層左上節(jié)點為例：圖22 彎矩二次分配圖 其余各節(jié)點彎矩分配見圖中數據?；詈奢d作用下中間節(jié)點彎矩相差不大，不在分配。 本設計中梁端彎矩的調幅系數取0.8。調幅結果表14。表14 梁端彎矩的調幅 ab跨bc跨cd跨調幅前調幅后調幅前調幅后恒載梁左梁右梁左梁右梁左梁右梁左梁右四層401172423209579428912891231338224同ab跨三層7502105386002843027582758220637936二層756210605605084842710271021683752一層674110343539382742976297623813905活載四層138123361105186910841084867867三層19702415157619328258256666二層19092415152119328258256666一層17212408137719268488486786784.5.2 梁端剪力和軸力計算 梁端剪力 柱軸力 具體計算結果見表15,16,17,18,19,20。 表15 恒載作用下ab梁端剪力計算 層號4230463725866365957921331496639921547937410468231496639921566935510487131496639921611931010432表16 恒載作用下bc梁端剪力計算層號41338211405014051405323092124240242424242230921242402424242412309212424024242424表17 活載作用下ab梁端剪力計算層號478863248221522672697378863248210923732591278863248211923732591178863248213223732614表18 活載作用下bc梁端剪力計算層號442214410441441352521551055155125252155105515511525215510551551表19 恒載作用下的剪力和軸力層次總剪力柱軸力ab跨bc跨a柱b柱4659579211405182392086320588232123937410468242442295449244331746006293551048724246633262861790768170519311053224249032493588114820117449 表20 活載作用下的剪力和軸力層次總剪力柱軸力ab跨bc跨a柱b柱427672697441528766183237325915511038013330223732591551154732004212350261455120566267774.6 風荷載計算 本設計地區(qū)基本風壓為，所設計的建筑地處農村，風壓高度變化系數按b類地區(qū)考慮風壓體型系數迎風面為0.8，背風面為0.5。由于房屋的高度不大，風振系數都取為1.0。b為6.3m。風荷載作用下各層的風荷載標準值及柱剪力如圖23所示圖23風荷載作用位置各層作用風荷載值安下式計算：計算結果見表21。表21 各層的風荷載標準值離地高度（m）16051.161.01.30.43.918108312151.061.01.30.43.93.91354 續(xù)表21離地高度8251.01.01.30.43.93.912774.351.01.01.30.44.353.913514.7內力組合荷載組合時考慮四種荷載組合形式：（1）恒荷載+活荷載、（2）恒荷載+活荷載、（3）恒荷載。具體組合見表：表22 橫梁內力組合表層次位置內力荷載類型內力組合恒活地震1.2+1.41.35+1.01.2（+0.5）1.34am-32.09-11.05-51.47-51.92-17.0569.23v65.9522.67110.88111.786.4699.02m-57.9