费县某小学办公楼设计.doc

2016届 分类号： 单位代码 ：10452 毕业论文（设计） 费县某小学办公楼设计姓 名 张乾 学 号 201418910327 年 级 2014 专 业 土木工程 系（院） 建筑学院 指导教师 魏丽华 2016年 月 日临沂大学建筑学院2016届本科毕业设计摘 要本设计的项目名称为费县某小学办公楼设计。结构设计包括上部结构设计和基础设计，其中上部结构设计为本设计的主要部分。上部结构设计的主要内容为建筑设计体系及材料的确定；梁、板及柱等构件截面尺寸确定；绘制结构简图；框架结构荷载计算；框架结构内力分析；荷载效应组合；构件截面设计；楼板设计；楼梯设计。该毕业设计以设计任务书为依据，根据任务书与结构设计标准的要求进行费县某小学办公楼结构设计。本设计在内力计算方面：采用D值法进行水平荷载作用下框架结构的内力计算，采用二次弯矩分配法进行竖向荷载作用下框架结构的内力计算。本设计在内力组合方面：考虑由可变荷载控制、永久荷载控制以及地震作用控制的内力组合的影响。本设计在截面设计方面：分别进行了梁截面设计、柱截面设计。本设计在最后一部分进行基础设计。同时，本设计也借助了AutoCAD来完成建筑设计的结构设计的图纸。关键词：框架结构；荷载计算；截面设计ABSTRATThe design of the project name is Fei county a primary school office building design. Structural design is the superstructure design and basic design, in which the upper structure design is a major part of this design. The main content of the upper structure is building architecture and materials identified; beams, slabs and columns and other elements to determine the cross-sectional dimensions; rendering calculation diagram; load calculation framework; frame structure internal force analysis; load effect combination; section design; floor design; staircase design.The graduation project is based on the mission statement in order to design, Fei county a primary school office building design in the mission statement and structure design criteria are based on this design. The design of the internal forces of computing: D value method is the internal force calculation method frame structure under horizontal loads, Second moment distribution method is a method of internal force calculation framework under vertical loads. Aspects of the combination of internal forces: The design needs to be considered the impact of the variable load, permanent load, and earthquake controlled combination of internal forces. Aspects of Section design: The design needs to be considered the section design is beam section and column section design. The last part of this design is the basic design. At the same time, this design has been used AutoCAD to complete architecture design and structure design drawings.Key words: Frame structure; Load calculation; Section design目 录前言11 建筑设计说明21.1 项目概况总述21.2 项目设计依据21.3 设计水文地质条件及要求21.3.1 气候21.3.2 工程地质条件21.3.3 工程水文条件31.3.4 活荷载说明32 结构设计总说明42.1 确定结构体系与材料42.2 建筑结构布置要求43 确定构件截面尺寸53.1 确定框架结构梁的截面尺寸53.2 确定楼板和屋面板厚度63.3 确定框架柱的截面尺寸64 框架结构荷载计算74.1 确定计算简图74.2 进行荷载计算74.2.1楼屋面恒荷载计算74.2.2 墙、门、窗重力荷载计算94.2.3 重力荷载代表值计算115 计算结构在风荷载作用下的内力145.1 计算梁柱的惯性矩与线刚度145.1.1 计算柱的线刚度与惯性矩145.1.2 计算梁的线刚度与惯性矩145.2 各楼层柱侧移刚度计算145.3 水平风荷载计算165.3.1 计算标准值165.3.2 计算风荷载作用下的水平位移165.3.3 风荷载引起的柱端弯矩计算175.3.4 风荷载引起的柱剪力计算185.3.5 风荷载引起的横梁梁端弯矩计算195.3.6 风荷载作用下的内力图216 框架结构在水平地震作用下的内力246.1 计算横向地震自振周期246.2 计算水平方向地震力246.3 位移验算266.4 水平地震作用下柱端剪力和弯矩276.5 水平地震作用影响下梁、柱内力计算286.5.1 水平地震作用下梁端弯矩计算286.5.2 水平地震作用下梁端剪力与柱剪力计算296.6 地震荷载作用下内力图307 竖向荷载作用下框架结构内力计算327.1 选取基本计算单元327.2 竖向方向恒荷载计算327.2.1 竖向恒荷载作用下均布与集中荷载计算327.2.2 框架结构恒荷载分布367.3 竖向方向活荷载计算367.3.1 竖向活荷载作用下均布与集中荷载计算367.3.2 框架结构活荷载分布387.4 竖向荷载作用下框架内力计算387.4.1 梁、柱端弯矩值计算387.4.2 梁端剪力值计算467.4.3 框架柱轴力值计算477.4.4 框架柱剪力计算488 框架结构梁、柱内力组合528.1 四种内力组合形式528.2 框架梁内力组合538.3 框架柱内力组合569 截面设计609.1 框架梁截面设计609.1.1 梁正截面设计609.1.2 梁斜截面设计619.2 梁裂缝及挠度验算639.2.1 首层框架梁裂缝验算639.2.2 首层框架梁挠度验算639.3 框架柱截面设计649.3.1 柱轴压比验算649.3.2 柱正截面设计659.3.3 柱斜截面设计6710 楼板设计（双向板）6911 楼梯设计7112 基础设计77参考文献83致谢84临沂大学建筑学院2016届本科毕业设计前言本毕业设计为费县某小学办公楼设计，该办公楼结构类型为框架结构，层数五层，建筑面积约为6076.50m。对于土木工程专业的学生来说毕业设计是对大学所学所有专业知识综合考核的一次大练兵，可以将以往所学的基础课、专业基础课和专业课进行综合应用。本次毕业设计主要包括四大部分内容：建筑设计、结构设计、建筑设计施工图以及结构设计施工图。建筑设计主要依据相应的建筑设计规范、要求以及当地水文地质等条件来确定建筑设计总说明进而确定建筑设计施工图。结构设计则主要依据确定的建筑设计施工图来进行结构设计计算进而绘制出相应的结构设计施工图。由于本人水平有限，加之时间仓促，本设计中不免有许多的不足之处，热忱的欢迎各位老师不吝改正。1 建筑设计说明1.1 项目概况总述 本项目名称为费县某小学办公楼设计，建设地点为山东省临沂市费县。总建筑层数为五层，总建筑面积约为6076.50m，占地面积约为1215.3m。结构体系为钢筋混凝土多层框架结构，属于二级建筑设计，抗震设防烈度7度，耐火等级二级，耐久、采光等级为三级。1.2 项目设计依据本项目主要的设计依据有：中小学校建筑设计规范GB500992011；建筑设计防火规范GB500162014；混凝土结构设计规范GB500102010；屋面工程技术规范GB503452012；工程建设标准强制性条文（房屋建筑部分）2013年版；城市道路和建筑物无障碍设计规范GB507632012；建筑给排水设计规范GB500152010。1.3 设计水文地质条件及要求1.3.1 气候境内属暖温带大陆性季风型气候，属半湿润地区，四季分明，雨季集中在7-8月，日照充足，年平均日照时数为2374.6小时。年平均气温为13.9，年平均地温15.5.年均降水量为626.8mm。主要风向东南风。年平均绝对湿度为11.6克/立方米，年平均相对湿度为52%。临沂市在近五年冬季-9为极端最低气温，在夏季38为极端最高温。在雨季80.5mm为日最大降水量。1.3.2 工程地质条件根据工程地质勘察部门实地考察，本项目的地基土层分布详细情况如表1所示。表1 地基土层分布土层编号1234名称耕土粉质粘土粉土粉质粘土厚度（m）0.500.702.302.701.302.504.405.70承载力特征（kPa）80110100注：持力层为第二层粉质粘土。最大冻土厚度为0.5m。1.3.3 工程水文条件 地下水位：稳定水位埋深4.154.55m，地下水位对于基础开挖没有任何影响，且无腐蚀性。1.3.4 活荷载说明本设计为学校办公楼设计各项活荷载必须满足相应要求，故在此列出通过查阅建筑结构荷载规范GB500092012获得的各项必要活荷载。 1.基本雪压：kN/m； 2.基本风压；kN/m； 3.建筑设计活荷载取值： （1）不上人荷载：kN/m； （2）房屋活荷载：kN/m； （3）走廊活荷载：kN/m； （4）消防疏散楼梯板活荷载：kN/m；2 结构设计总说明2.1 确定结构体系与材料在当今时代钢筋混凝土结构成为目前我国土建工程中技术最为成熟、应用最为广泛的结构形式之一，从目前经济水平和材料选取方面看，它具有取材非常方便、进价较低、耐久性较好、维护费用较低等优点。在众多的钢筋混凝土体系中，框架结构体系具有以下优点：1. 框架结构平面布置非常灵活，方便分隔，可以产生较大的空间；2. 轻质填充材料作为外墙时，结构自重小；3. 具有良好的整体性、抗震性能，合理设计时结构具有较好的塑性变形能力；4. 适用于高度不小于60m，1520层以下的建筑。综上考虑，采用钢筋混凝土结构中的框架结构体系来作为本毕业设计的结构体系。2.2 建筑结构布置要求本项目为多层办公楼框架结构，结构布置应该遵从以下原则：1. 选择有利场地，避开不利场地，采取措施保证地基稳定性；2. 合理设置防震缝；3. 框架结构应具有足够的刚度和承载力，刚度和承载力分布较均匀；4. 有抗震设防要求的结构，要求简单、规则、均匀、对称的平面布置。 综上所述，矩形平面作为本办公楼的平面布置，并力求其简单、规则、均匀、对称，有利于结构的抗震。3 确定构件截面尺寸3.1 确定框架结构梁的截面尺寸根据钢筋混凝土结构的构造要求，框架梁的截面尺寸应该满足如下要求： 1.独立的简支梁的截面高度与其跨度的比值可为； 2.矩形截面梁的高宽比； 3.次梁的取值范围为； 4.根据建筑抗震设计规范GB500112010有关规定：矩形截面的宽度不宜小于200mm，净跨与截面高度之比不宜小于4，高宽比不宜大于4。 综上考虑：框架梁7.2m跨KL1：mm，故取mm。由mm得，mm，故取mm。框架梁3.3m跨KL2：mm，故取mm。由mm得，mm，故取mm。框架梁4.5m跨KL3：mm，故取mm。由mm得，mm，故取mm。次梁4.5m跨L1：mm，故取mm。由mm得，mm，故取mm。综述，各类梁的截面尺寸如表2所示。表2 各类梁截面尺寸楼层框架梁与次梁混凝土强度C30框架梁混凝土强度C301-5层4.5m跨7.2m跨3.3m跨3.2 确定楼板和屋面板厚度根据混凝土结构设计规范GB500102010的相关要求，首先应该保证现浇钢筋混凝土板最小厚度。考虑该项要求采用100mm钢筋混凝土现浇板作为该办公楼的屋面板和楼板的厚度。3.3 确定框架柱的截面尺寸根据钢筋混凝土结构相关的规范和要求，应该按照下列要求设计框架柱的截面尺寸：柱子的截面高度和宽度均不宜小于300mm；截面高宽比不宜大于3；剪跨比宜大于2；抗震等级为二级的框架结构，柱的轴压比不宜超过0.75。本设计采用柱轴压比限值来估算柱子的截面尺寸：，柱截面面积的大小；混凝土轴心抗压强度设计值，本设计考虑C30混凝土N/mm；框架柱轴压比限值，本设计抗震等级为二级，取0.75；柱组合的轴压比设计值；按简支状态计算的柱子的负载面积的大小；折算在单位建筑面积上的重力荷载代表值，本设计近似取15kN/m；考虑地震作用后柱轴压力增大系数，本设计取1.1(另：梁的取1.05）；验算截面以上楼层层数（先确定首层，其他按首层算）。故近似估算柱截面尺寸：mmkNmm故框架柱截面尺寸取：500mm500mm4 框架结构荷载计算4.1 确定计算简图本工程项目为共竖向五层的横向框架，轴线距离作为计算跨度的范围，也就是以柱子的形心线距离为准。对于梁轴线取至板的底部，底部柱子的高度取值为m，即从基础顶面至一层板底的高度。对于25层柱子的高度则取层高，即m。计算简图确定：取一榀框架计算单元如图1所示。图1 计算单元简图4.2 进行荷载计算4.2.1楼屋面恒荷载计算1.楼屋面恒荷载标准值计算（1）不上人平屋面荷载计算1:3.0水泥砂浆抹平20mm，密封胶嵌缝1m1m分隔：kN/m隔离层干铺油毡一道：kN/m防水层（采用油毡防水）：kN/m1:3.0水泥砂浆找平层20mm，并刷处理剂一道：kN/m挤塑聚苯保温板70mm：kN/m1:8水泥珍珠盐找坡层2%（重量比）40mm：kN/m屋面板钢筋混凝土100mm：kN/m纸筋灰涂刷抹底15mm：kN/m恒荷载标准值小计：kN/m（2）办公室楼面荷载计算1:2.5水泥砂浆赶光压实20mm：kN/m楼板现浇钢筋混凝土100mm：kN/m纸筋灰涂刷抹底15mm：kN/m恒荷载标准值小计：kN/m（3）厕所楼面荷载计算小磁地面砖10mm：0.55kN/m1:2.5水泥砂浆结合层20mm：kN/mC30细石混凝土找平30mm：kN/m楼板现浇钢筋混凝土100mm：kN/m纸筋灰涂刷抹底15mm：kN/m恒荷载标准值小计：kN/m（4）楼梯间与走廊楼面荷载计算陶瓷地面砖10mm：kN/m1:2.5水泥砂浆结合层20mm：kN/m楼板现浇钢筋混凝土100mm：kN/m纸筋灰涂刷抹底15mm：kN/m恒荷载标准值小计：kN/m2.楼屋面活荷载标准值计算屋面（不上人）均布活荷载：kN/m楼面均布活荷载（办公室）kN/m走廊（学校）：kN/m楼梯（学校）：kN/m卫生间（学校）：kN/m风压：kN/m雪压：kN/m3.荷载计算汇总（1)楼面办公室面积：=7.24.52=64.8m走廊：=4.53.3=14.85m恒荷载：3.1464.8+3.3614.85=253.37kN活荷载：2.064.8+2.514.85=166.73kN（2）屋面恒荷载：4.0654.5（7.22+3.3）=323.78kN活荷载：0.5（7.22+3.3）4.5=39.83kN4.2.2 墙、门、窗重力荷载计算1.墙、窗、门恒荷载标准值计算（1）外墙荷载计算外墙涂料：kN/m1:3.0水泥砂浆找平层8mm：kN/m1:3.0水泥砂浆扫毛10mm：kN/m蒸压粉煤灰砖填充墙240mm：kN/m恒荷载标准值小计：kN/m（2）内墙荷载计算刮大白腻子内墙涂料：kN/m1:0.3:3.0水泥石灰砂浆赶光压实7mm：kN/m1:0.3:3.0水泥石灰砂浆扫毛找平7mm：kN/m1:1:6.0水泥石灰砂浆扫毛7mm：kN/m蒸压粉煤灰砖填充墙240mm：kN/m恒荷载标准值小计：kN/m（3）女儿墙荷载计算蒸压粉煤灰砖240mm：kN/m双面粉刷20mm：kN/m恒荷载标准值小计：kN/m（4）木门单位面积重力荷载重力荷载：kN/m（5）铝合金门窗单位面积重力荷载：kN/m2.各层墙、门、窗重力荷载汇总（1）底层1)外墙：m外墙总重：kN2）内墙：m内墙总重：kN3）窗：m窗总重：kN4）门：m门总重：kN（2）二层至五层1）外墙：m外墙重：kN2）内墙：m内墙总重：kN3）窗：m窗总重：kN4）门：m门总重：kN（3）女儿墙（墙高m）m女儿墙重：kN4.2.3 重力荷载代表值计算第一层上半层：梁板自重：kN框架柱自重：kN门：kN铝合金窗：kN墙：kN第二层下半层：框架柱自重：kN二层楼面可变荷载：走廊：kN办公室：kN合计：kN门：kN铝合金窗：kN墙：kN综上，kN第二层上半层的框架柱自重、墙同第二层下半层，其余同第一层上半层。第三层下半层同第二层下半层。kN第三、四层上半层同第二层上半层，第四、五层下半层同第三层下半层。kN女儿墙：kN屋面雪荷载：kN屋面恒荷载：kN其余同第二层上半层。kN图2 每层重力荷载代表值(单位：kN)5 计算结构在风荷载作用下的内力5.1 计算梁柱的惯性矩与线刚度5.1.1 计算柱的线刚度与惯性矩底层至五层：mm底层：Nmm二层至五层：Nmm表3 柱的线刚度和惯性矩计算楼层(mm)(N/mm)(mm)(mm)(Nmm)1层51003.15105005005.21103.231025层39002.55105005005.21103.41105.1.2 计算梁的线刚度与惯性矩表4 梁线刚度与惯性矩计算楼层10(N/mm)(mm)(mm)10mm(mm)/10Nmm/10Nmm/10NmmKL12.554008001772006.020.9312.04KL22.552004001.0733000.831.241.65KL32.552004001.0745000.610.911.21L12.552004001.0745000.610.911.21注：梁采用C20混凝土5.2 各楼层柱侧移刚度计算1.梁与柱之比的计算一层：边柱1：中柱2：二至五层：边柱1：中柱2：2.节点转动的计算一层：边柱1：中柱2：二至五层：边柱1：中柱2：3.计算一层：边柱1：kN/m中柱2：kN/m二至五层：边柱1：kN/m中柱2：kN/m综上：一层一榀柱：kN/m二至五层所有柱：kN/m5.3 水平风荷载计算5.3.1 计算标准值风荷载的标准值公式：z高度处风振系数，B/H3上端：kNm下端：kNm中柱2：=4.243上端：kNm下端：kNm第二层边柱1：=4.163kNm中柱2：=4.653kNm第三层边柱1：=4.163kNm中柱2：=4.653kNm第四层边柱1：=4.163kNm中柱2：=4.653kNm第五层边柱1：=4.163kNm中柱2：=4.653kNm5.3.4 风荷载引起的柱剪力计算风荷载作用下各柱的剪力计算公式如下：第柱的抗侧移刚度值；所计算楼层总共柱子的抗侧移刚度总和。第一层边柱1：kN中柱2：kN第二层边柱1：kN中柱2：kN第三层边柱1：kN中柱2：kN第四层边柱1：kN中柱2：kN第五层边柱1：kN中柱2：kN5.3.5 风荷载引起的横梁梁端弯矩计算梁端的弯矩需满足结点平衡条件，其平衡简图如图3所示。图3 结点平衡简图第一层KL1:kNmkNmKL2:kNm第二层KL1:kNmkNmKL2:kNm第三层KL1:kNmkNmKL2:kNm第四层KL1:kNmkNmKL2:kNm第五层KL1:kNmkNmKL2:kNm5.3.6 风荷载作用下的内力图风荷载作用下框架结构弯矩图如图4所示。图4 风荷载作用下的图（kNm）风荷载作用下框架结构的剪力如图5所示。 图5 风荷载作用下图（kN）风荷载作用下框架结构梁的轴力图如图6所示。 图6风荷载作用下图（kN)6 框架结构在水平地震作用下的内力6.1 计算横向地震自振周期利用顶点假想侧移来计算横向地震的自振周期的大小，其计算的方法如表8所示。表8 框架结构顶点假想侧移楼层/kN/kN(N/mm)(mm)(mm)五814.67814.677.421010.98236.08四1016.421831.097.421024.68225.10三1016.422847.517.421038.38200.42二1016.423863.937.421052.07162.04一1040.934904.864.4610109.97109.97基本周期的计算按下列公式计算:；式中，弯矩震动结构体系顶点位移的大小（m）；当考虑填充墙影响的周期折减系数，在框架结构中；本设计中取；计算基本周期：6.2 计算水平方向地震力本工程水平方向地震力采用底部剪力法。底部剪力法适用范围：以剪切变形为主，结构的高度不超过40m且刚度和质量沿竖向高度分布比较均匀。总水平地震作用框架结构标准值的计算公式为：，式中，与结构基本自振周期对应的水平地震影响系数；结构总重力等效荷载；等效系数，本设计按照抗震规范取。本项目抗震设防烈度所在场地为7度为类的场地类别。为第二组的设计地震分组。场地特征周期与场地条件有关。根据本项目的场地类别和设计地震分组查表得。由于，故查得单自由度地震影响系数谱曲线属于第三段的曲线下降段。式中，阻尼调整系数，按确定；结构阻尼比，对钢筋混凝土结构，此时；曲线下降的衰减指数，按计算得；水平地震影响系数最大值；总水平地震作用：kNkN又因结构的基本周期故顶部附加荷载kN地震作用在各质点上的计算公式为：kNkN；kN；kN；kN；kN；kN每层横向地震作用及楼层地震剪力计算数据如表9所示。表9 每层横向地震作用及楼层地震剪力楼层(m)(m)(kN)(kNm)(kN)(kN)(kN)五3.920.7814.6716863.670.0614.2661.2175.47四3.916.81016.4217075.8662.10137.57三3.912.91016.4213111.8247.58185.15二3.99.01016.429147.7833.28218.43一5.15.11040.935308.7419.21237.646.3 位移验算框架结构在水平地震作用下的层间位移计算公式：顶点位移计算公式：各楼层的弹性层间位移计算公式：框架结构在水平地震作用下的详细位移验算过程如表10所示。表10 位移验算楼层(m)(kN)(kN/m)(mm)五3.975.477.42101.02四3.9137.577.42101.85三3.9185.157.42102.50二3.9218.437.42102.94一5.1237.644.46105.33发生在底部的最大层间弹性位移角，其值为，满足构造要求。6.4 水平地震作用下柱端剪力和弯矩选一榀框架来计算柱端剪力与弯矩值的大小。计算方法用反弯点法来计算在水平地震作用下的内力。表11 水平地震影响的框架柱端剪力及弯矩楼层数五四三二一(m)3.93.93.93.95.1(kN)75.47137.57185.15218.43237.64(kN/m)7.427.427.427.424.46边柱1（kN/m)1.831.831.831.831.10(kN)18.6133.9345.6653.8758.610.450.500.500.500.55(kNm)39.9266.1689.04105.05134.51(kNm)32.6666.1689.04105.05164.40中柱2(kN/m)1.881.881.881.881.1319.1234.8646.9155.3460.210.450.500.500.500.55(kNm)41.0167.9891.47107.91138.18(kNm)33.5667.9891.47107.91168.89其中根据和查得，当，当分别为与柱相连的上柱左侧、上柱右侧、下柱左侧、下柱右侧，且底层不考虑；根据和查得，为正值，反之，为负值；，为正值，反之，为负值对于本结构，6.5 水平地震作用影响下梁、柱内力计算6.5.1 水平地震作用下梁端弯矩计算第一层KL1:kNmkNmKL2:kNm第二层KL1:kNmkNmKL2:kNm第三层KL1:kNmkNmKL2:kNm第四层KL1:kNmkNmKL2:kNm第五层KL1:kNmkNmKL2:kNm6.5.2 水平地震作用下梁端剪力与柱剪力计算在水平地震作用下剪力计算公式为：中柱轴力为每个节点左右梁端剪力之差，边柱轴力为边柱一侧的梁端剪力。故在水平地震作用下梁端剪力与柱轴力计算过程如表12和表13所示。表12 框架梁端剪力层数KL1KL2五39.9236.097.210.434.954.953.33.00四106.0895.887.228.0513.1413.143.37.96三155.20140.237.241.0319.2219.223.311.65二194.09175.357.251.3124.0324.033.314.56一239.56216.437.263.3329.6629.663.317.98表13 柱轴力层数柱轴力（边柱）（中柱）（边柱）五10.437.4310.43四38.4820.0938.48三69.0829.3869.08二92.3436.7592.34一114.6445.35114.646.6 地震荷载作用下内力图横向水平地震作用下梁端和柱端弯矩图如图7所示。 图7 水平地震作用下图（单位：kNm）横向框架水平地震作用下梁柱轴力如图8所示。 图8 水平地震作用下图（单位：kN）横向水平地震荷载作用下梁柱剪力图如图9所示。图9水平地震作用下的图（单位：kN）7 竖向荷载作用下框架结构内力计算7.1 选取基本计算单元选取一榀框架，由于楼板的长边与短边之比1.875。又布置了次梁，所以需要按双向板进行近似分析计算楼面荷载的传导荷方式，取计算单元宽度为4.5m。关于计算单元范围内其余的楼面荷载，则通过次梁和纵向的框架梁以集中力的形式传递给横向框架作用于各个节点上。关于双向板的计算单元简图如图10所示。 图10板的传荷计算单元简图7.2 竖向方向恒荷载计算7.2.1 竖向恒荷载作用下均布与集中荷载计算（1）梁上作用的恒荷载分配统计计算(）图11 梁上作用恒荷载分布图均布荷载横梁自重，：框架梁：kN/m次梁：kN/m板传递给横梁的荷载有三角形和梯形荷载两种，可以将楼面荷载