7层教学楼结构设计计算书.doc

摘 要本次毕业设计的目的是对大学四年以来所学的知识进行一次系统的复习和总结，以检验四年来对专业知识的掌握程度，同时能进一步巩固和系统化所学的知识，为今后的学习工作打下良好的基础。本设计为某教学楼。该工程的建筑面积约为6000，共7层，层高为3.9m，结构形式为钢筋混凝土框架结构，抗震要求为7度设防。设计内容包括建筑设计和结构设计，结构设计时取第轴横向框架进行计算。本论文包括以下内容：一 结构方案的确定。二 荷载计算，包括恒载、活载、风荷载和地震作用。三 横向框架内力计算、内力组合及截面设计。四 现浇板，楼梯和基础的计算。五 电算结果及分析。六 结束语和参考文献。该设计具有以下特点：一 在考虑建筑，结构要求的同时考虑了施工要求及可行性。二 针对不同的荷载特点采用不同的计算方法，对所学知识进行了系统全面的复习。三 框架计算中运用了理论公式计算又运用了当前工程设计中常用的近似计算方法。四 利用电算对结果进行了校核，使计算结果更加令人信服。关键词： 建筑设计 结构设计 钢筋混凝土框架结构荷载 内力 截面设计AbstractThis article is to explain a design of a 7-storey-teaching building in XX shool.The building is reinforced concrete frame structure.It is 3.9 meters of every story and the total area is about 6000 square meters.The thesis is written for the whole process of the complete design program,including the following parts:1. Determination of the structure.2. The calculation of Load,including dead load,live load,wind load and earthquake load.3. Interior force calculation and,consititute of the lateral frame and the cross sections design of the components.4. The structural design of foundation ,stair and slabs.5. The result of computer calculation.6. The end words and the references.The thesis is of some own characters:1. With the consideration of architecture and structure requirements,it also considers the construction requirements and feasibility.2. It applies different methods of structural calculation,aiming to different loads.3. It applies theories formulation and practical formulation in the calculation of certain framework.4. It offers the methods of compututation to check the result.Keywords： architectural design structural design reinforced concrete frame structure load interior force cross sections design目 录摘 要IABSTRACTII1 工程概况11.1工程概述11.2结构设计依据11.3材料选用12 建筑设计22.1 建筑平面设计22.2 建筑立面设计22.3 屋顶设计23 结构方案的选择及结构布置33.1结构方案33.2结构布置33.3柱网尺寸及层高33.4梁、柱截面尺寸的初步确定43.5楼板选择53.6结构横向框架的计算简图54 竖向荷载作用下的内力计算64.1计算单元：64.2恒荷载计算64.3活荷载计算104.4恒荷载作用下的内力计算114.5活荷载作用下的内力计算225 横向荷载作用下的内力计算315.1横向框架侧移刚度的计算315.2重力荷载代表值的计算355.3横向水平地震荷载作用下框架结构的内力和侧移计算415.4横向风荷载作用下框架结构内力和侧移计算506 内力调整566.1竖向荷载作用下的梁端弯矩调幅566.2框架梁内力折算至柱边576.3柱的内力调整607 内力组合及截面设计637.1内力组合637.2截面设计728 楼板设计868.1楼板类型及设计方法的选择：868.2设计参数868.3弯矩计算878.4截面设计909 楼梯设计939.1设计资料939.2梯段板设计939.3平台板设计949.4平台梁的设计9610 基础设计9810.1设计资料9810.2基础的计算9811 电算校核与分析109参考文献118致谢1191 工程概况1.1工程概述建筑地点：武汉市建筑类型：七层教学楼，现浇框架填充墙结构。工程简介：场地面积为5040m2左右，拟建建筑面积约6000 m2。楼盖及屋盖均采用钢筋混凝土框架结构，现浇楼板厚度取为100mm，填充墙采用蒸压粉煤灰加气混凝土砌块。基础采用柱下独立基础或桩基础。门窗使用： 大门采用玻璃门，其它的为木门，一般门洞尺寸为1200mm2400mm，窗全部为铝合金窗，高为2400mm地质条件：经过地质勘探部门的确定，拟建场地土类型为中软场地土，II类建筑场地，地震设防烈度为7度。1.2结构设计依据建筑抗震设计规范GB 500112001建筑地基基础设计规范GB 500072002混凝土结构设计规范GB 500102002建筑结构荷载规范GB 500092001建筑结构制图标准GB/T 501052001建筑制图标准GB/T 501042001中小学建筑设计规范GB J9986建筑构、配件标准图集1.3材料选用1、柱：采用C30混凝土，主筋采用HRB400钢筋，箍筋采用HPB235钢筋；2、梁：采用C30混凝土，主筋采用HRB400钢筋，箍筋采用HPB235钢筋；3、板：采用C30混凝土，钢筋采用HRB335；4、基础：采用C20混凝土，主筋采用HRB335钢筋，构造钢筋采用HPB235钢筋。2 建筑设计2.1 建筑平面设计建筑平面设计主要应考虑建筑物所处的环境及其功能要求，同时又要兼顾结构平面布置的规则和合理；此外，考虑到抗震设计的一些要求，建筑物应力求规则。因此，本次设计在平面上采用“一”字形、内廊式的平面布置。具体布置见建筑平面图。对该平面设计作如下说明：1、本设计柱网上采用4.27.2和4.23.0m。2、采用了内廊式结构布置。中间走道宽3.0m，以满足人流要求。同时设有两部楼梯，兼做消防楼梯。2.2 建筑立面设计结合平面设计中框架柱的布置，立面上主要采用竖向划分，外观上显得大方、挺拔、气派；同时，考虑到框架结构的优点，柱间尽量多用窗少用墙，使窗与柱及窗间墙之间形成了有节奏的虚实对比，显得明快、活泼，同时也得到了良好的采光效果。大门设于正中间，使整个建筑物显得美观大方。大门设有左右两扇门，使整个大门显得大气；雨蓬的运用，和大门的设置一同起到了突出主要入口功能，起到了吸引人流导向的作用。2.3 屋顶设计屋顶采用现浇混凝土结构平屋顶，屋顶设计为上人屋顶，檐口采用1.2m高女儿墙。屋顶还有一个突出的上人出口。1.排水构造：屋面排水采用保温层找坡，坡度取2%，设计为外排水 。2.防水构造：采用不上人屋面，柔性防水综合使用。3.保温构造：采用120厚的水泥珍珠岩保温。3 结构方案的选择及结构布置3.1结构方案该教学楼主体结构采用钢筋混凝土现浇框架结构形式。框架结构抗震性能好，整体性好，建筑平面布置灵活，可以用隔断墙分割空间，以适应不同的使用功能的要求。正是基于这些优点，目前框架结构在办公楼、教学楼、商场、住宅等房屋建筑中广泛采用。3.2结构布置楼板的均布活载和恒载间接或直接传至框架梁，再由框架梁传至框架柱，最后传至地基。根据以上楼盖的平面布置及竖向荷载的传力途径，本教学楼框架的承重方案为横向框架承重方案这可使横向框架梁的截面高度大，增加框架的横向侧移刚度。建筑的三分之一处均设有楼梯，附近有两部电梯，以解决垂直交通问题。另外，结构布置完全对称，对结构设计有利，尤其对抗震有利。结构布置图见图2.1：图2.1 框架结构平面布置图3.3柱网尺寸及层高本教学楼采用纵向柱距为4.2m 横向边跨为7.2m，中跨为3m的内廊式框架，层高为3.9m。3.4梁、柱截面尺寸的初步确定3.4.1梁的截面尺寸的初步确定梁截面的高度：一般取为梁跨度的1/121/8。横向框架梁：边跨：取h=l/8l/12=600900mm，取为600mm，宽b为300mm。中跨：取h600mm，b300mm。纵向框架梁:取h=l/8l/12=350525mm，取为500mm，宽b为300mm。3.4.2柱的截面尺寸的初步确定框架柱的面积根据柱的轴压比确定：1、 柱组合的轴压力设计值N=nFgE注：n 楼层层数。柱轴压力增大系数。F算柱的负载面积，本方案中边柱及中柱的负载面积分别为4.23.6m2和4.25.1 m2。gE建筑面积上的重力荷载代表值，可近似的取14kN/m2。2、柱的截面尺寸 AcN/（mNfc ） 注：mN轴压比限值，按三级抗震等级，查抗震规范可知取为0.9。 fc 轴心抗压强度设计值，对C30，查得14.3N/mm2。对于边柱 ：N= nFgE =71.34.23.6141926.29kN AcN/（mNfc ）=1926.29103/（14.30.9）149672mm对于中柱：N= nFgE =71.254.25.1142623.95kN AcN/（mNfc ）=2623.95103/（0.914.3）=203881mm2 取柱子尺寸为： 底层：bh=500mm550mm以上层：bh=450mm500mm 3.5楼板选择板的厚度取l/40=4200/40=105mm，故本设计中所有楼板均采用现浇板，板厚均为100mm。3.6结构横向框架的计算简图本框架结构采用柱下独立基础，选粘土夹碎石层为地基持力层，基础顶面到室内地面1.50m。横向框架的计算简图见下图所示，取顶层柱的形心线作为轴线，27层柱的高度取为3.9m，底层柱的高度从基础顶面至楼板，h1=3.9+1.5=5.4m。图2.2 横向框架计算简图4 竖向荷载作用下的内力计算 4.1计算单元： 取轴线处的横向框架为计算单元，计算单元的宽度为4.2m。直接传给该框架的楼面荷载如图中竖向阴影部分所示。由于纵向框架梁的中心线与柱子的中心线不重合，因此在框架节点上还作用有集中力矩。图3.1 计算单元及荷载传递图4.2恒荷载计算恒荷载作用下各层框架梁上的荷载分布如下图所示：图3.2 各层梁上作用的恒荷载4.2.1屋面框架梁线荷载标准值选用98ZJ001 屋面12（上人屋面）屋面恒荷载标准值 3.02kN/ m2100厚现浇钢筋混凝土 0.125=2.5kN/m2V型轻钢龙骨吊顶 0.25 kN/m2（二层9mm纸面石膏板、有厚50mm的岩棉板保温层） 合计 5.77 kN/m2边跨框架梁自重 0.30.625=4.5kN/m2 梁外侧粉刷 （0.6-0.1）0.0217=0.17 kN/m2中跨框架梁自重 0.30.625=4.5kN/m2对于第7层:q1 和代表横梁自重，为均布荷载形式。q1=0.30.625+（0.6-0.1）0.0217=4.67 kN/m2=0.30.625+（0.6-0.1）0.0217=4.67 kN/m2q2 和分别为屋面板和走道板传给横梁的梯形荷载和三角形荷载。q2=5.774.2=24.23 kN/m =5.773=17.31 kN/m 4.2.2屋面框架节点集中荷载标准值P1、P2分别由边纵梁、中纵梁直接传给柱的恒载，它包括主梁自重、次梁自重、楼板重等重力荷载，计算如下：边柱纵向框架梁自重 0.30.54.225=15.75kN外侧粉刷 0.020.54.2=0.04 kN1.2m高女儿墙自重 1.24.20.25.5=5.54 kN装饰 4.21.20.5+4.2（1.2+0.2）0.0217=4.52 kN梁传来的屋面自重 0.54.20.54.25.77=25.45 kNP1=15.75+0.04+5.54+4.52+25.45=51.30 kN中柱纵向框架梁自重 0.30.54.225=15.75kN框架梁传来的屋面自重 0.5（42+4.2-3）1.55.77=23.37kN 0.54.20.54.25.77=25.45kNP2=15.75+23.37+25.45=64.57kN集中力矩:M1=P1e1=51.30(0.5-0.3)/2=5.13 kNmM2=P2e2=64.57(0.5-0.3)/2=6.46kNm4.2.3 二到六层线荷载标准值包括梁自重和其上横墙自重，为均布荷载，其荷载的计算方法同第7层。选用98ZJ001楼10 0.70 kN/m2100厚现浇钢筋混凝土 0.1025=2.5 kN/m2V型轻钢龙骨吊顶 0.25 kN/m2合计 3.45 kN/m2边跨框架梁及梁侧粉刷 4.67 kN/m2边跨填充墙自重 0.25(3.9-0.6) 5.5=4.54 kN/m2内墙装饰 (3.9-0.6) 20.0217=2.24 kN/m2中跨框架梁及梁侧粉刷 4.67kN/m2q1=4.67+4.54+2.24=11.45 kN/m2 =4.67 kN/m2q2 和分别为楼面板和走道板传给横梁的梯形荷载和三角形荷载。q2=3.454.2=14.49 kN/m =3.453=10.35 kN/m 4.2.4二到六层框架节点集中荷载标准值 边柱纵向框架梁自重 15.75 kN外侧粉刷 0.04 kN钢框玻璃窗自重 3.02.40.4=2.88 kN窗下墙体自重 0.21.0(4.2-0.45) 5.5=4.13 kN装饰 0.021.03.7517+0.51.04.2=3.38 kN窗间墙体自重 (1.2-0.45) (3.9-0.5-1.0) 0.25.5=1.98 kN装饰 (1.2-0.45) (3.9-0.5-1.0) 0.0217+1.22.40.5=2.05 kN框架柱的自重 0.450.503.925=21.94 kN粉刷 (0.45+0.50) 2-0.22-0.2-0.45 0.023.917=1.13kN纵向框架梁传来的楼面自重 0.54.20.54.23.45=15.21kNP1=15.75+0.04+2.88 +4.13 +3.38+1.98+2.05+21.94 +1.13+15.21=74.00kN中柱纵向框架梁自重 15.75kN内纵墙自重 (3.6-0.45) (3.6-0.5) 0.25.5=10.74kN粉刷 (3.6-0.45) (3.6-0.5) 20.0217=6.64kN扣除门洞重加上门重 -22.41.2(1.78-0.2)=-9.10kN框架柱自重 21.94kN 粉刷 (0.45+0.50) 2-0.22-0.2 0.023.917=1.72kN纵向框架梁传来的屋面自重 0.5(4.2+4.2-3) 1.53.45=13.97kN 0.54.20.54.23.45=15.21kNP2=15.75+10.74+6.64-9.10+21.94+1.72+13.97+15.21=76.87kN 集中力矩M1=P1e1=74.00(0.5-0.3)/2=7.40kNmM2=P2e2=76.87(0.5-0.3)/2=7.69kNm4.2.5一层框架以下的荷载边柱纵向框架梁自重 15.75 kN钢框玻璃窗自重 3.02.40.4=2.88 kN窗下墙体自重 0.21.0(4.2-0.5) 5.5=4.07 kN装饰 0.021.03.717+0.51.04.2=3.36kN窗间墙体自重 (1.2-0.5) (3.9-0.5-1.0) 0.25.5=1.85 kN装饰 (1.2-0.45) (3.9-0.5-1.0) 0.0217+1.22.40.5=2.05 kN框架柱的自重 0. 50.555.425=37.13kN粉刷 (0. 5+0.55) 2-0.22-0.2-0. 5 0.025.417=1.84kNP1=15.75+2.88+4.07 +3.36+1.85 +2.05+37.13+1.84=68.89kN中柱纵向框架梁自重 15.75kN内纵墙自重 (4.2-0.45) (3.9-0.5) 0.25.5=14.03kN粉刷 (4.2-0.45) (3.9-0.5) 20.0217=8.67kN扣除门洞重加上门重 -22.41.2(1.78-0.2)=-9.10kN框架柱自重 37.13kN 粉刷 (0.5+0.55) 2-0.22-0.2 0.025.417=2.75kNP2=15.75+14.03+8.67-9.10+37.13+2.75=69.23kN4.3活荷载计算图3.3 各层梁上作用的活荷载4.3.1第7层上的活载计算q2=2.04.2=8.4 kN/m2=2.03.0=6.0 kN/m2P1=0.54.20.54.22.0=8.82 kN/m2P2=0.5(4.2+4.2-3.0) 1.5+0.254.24.2 2.0=16.92 kN/m2集中力矩:M1=P1e1=8.82(0.5-0.3)/2=0.88kNmM2=P2e2=16.92(0.5-0.3)/2=1.69 kNm同理，在屋面雪荷载的作用下：q2=0.474.2=1.97 kN/m2=0.473.0=1.41 kN/m2P1=0.54.20.54.20.47=2.07 kN/m2P2=0.5(4.2+4.2-3.0) 1.5+0.254.24.2 0.47=3.98 kN/m2集中力矩:M1=P1e1=2.07(0.5-0.3)/2=0.21kNmM2=P2e2=3.98(0.5-0.3)/2=0.40 kNm4.3.2第1-6层上的活载计算q2=2.04.2=8.4 kN/m2=2.53.0=7.5 kN/m2P1=0.54.20.54.22.0=8.82 kN/m2P2=0.5(4.2+4.2-3.0) 1.52.5+0.254.24.2 2.0=18.95 kN/m2集中力矩:M1=P1e1=8.82(0.5-0.3)/2=0.88kNmM2=P2e2=19.95(0.5-0.3)/2=1.90kNm将计算结果汇总如下两表：表3.1横向框架恒载汇总表层次q1(kN/m)(kN/m)q2(kN/m)(kN/m)P1(kN)P2(kN)M1(kNm)M2(kNm)74.674.6724.2317.3151.3064.575.136.461611.454.6714.4910.3574.00 76.877.40 7.69表3.2横向框架活载汇总表层次q2(kN/m)(kN/m)P1(kN)P2(kN)M1(kNm)M2(kNm)78.406.08.8216.920.881.69168.47.58.8218.950.881.90注：表中括号内数值对应于屋面雪荷载作用情况。4.4恒荷载作用下的内力计算（用力矩二次分配法计算恒载作用下框架的弯矩）4.4.1杆的等效荷载计算将梯形或三角形分布荷载按固端弯矩等效的原则折算成均布荷载：图3.4竖向荷载等效梯形荷载折算公式： 其中： ； 为梯形分布荷载的最大值。 三角形荷载折算公式： 其中：为三角形分布荷载的最大值。a、顶层边跨： b、顶层中跨： c、中间层边跨： d、中间层边跨： 表3.3 横向框架恒载的等效均布荷载层次q1(kN/m)(kN/m)q2(kN/m)(kN/m)qb(kN/m)qz(kN/m)74.674.6724.2317.3127.4415.491611.454.6714.4910.3525.0711.144.4.2杆的固端弯矩的计算由以上所求均布荷载，可按下式求各杆固端弯矩：两端固支：其中与意义见下图：一端固支，一端滑动固支：，其中与意义见下图：图3.5 固端弯矩示意图图3.6 固端弯矩示意图由此，可计算各个杆件固端弯矩，标绘于计算简图上。4.4.3分配系数经过观察，发现第轴横向框架为对称结构，且受对称荷载的作用，所以可以取一半结构计算；要注意到，对称轴处简化为滑动支座，由此带来跨中梁线刚度增大一倍，且分配系数有所不同。 分配系数计算公式： 其中：为转动刚度，两端固支杆，一端固支，一端滑动固支杆 n为该节点所连接的杆件数。线刚度的计算见下表：表3.4 梁线刚度的计算跨度（m）EcI0I=2I0ib=EI/L7.231075.4010-31.0810-24.501043.0 31075.4010-31.0810-210.8104表3.5 柱线刚度的计算层次柱截面（mmmm）高度（m）EcIiz=EI/L274505003.931074.6910-33.6110415005505.431076.9310-33.85104由此计算出各个杆件分配系数，标绘于计算简图上。然后利用力矩二次分配法计算第轴框架杆端弯矩。注：图中单线条表示分配结束，虚线框内表示固端弯矩，双线条表示最终杆端弯矩。节点外弯矩以顺时针为正，逆时针为负，标绘于计算简图上。4.4.4计算过程图3.7 弯矩二次分配法的计算过程4.4.5跨中弯矩的计算跨中弯矩的计算如下计算：对于第七层的AB跨和BC跨：MAB=43.04kNm (二次分配法的滑动端弯矩)同理，可计算出其他的跨中弯矩计算，结果见下表：表3.6 恒荷载作用下的跨中弯矩层号AB跨BC跨7-87.32 43.04 6-63.90 23.73 5-66.24 24.90 4-66.24 24.90 3-66.24 24.90 2-66.30 24.47 1-70.15 27.40 恒荷载作用下的弯矩图如下所示：图3.8 恒荷载作用下的弯矩图4.4.6梁端剪力图3.9 梁端剪力示意图 下面以恒载作用下，第7层梁端剪力为例，说明计算过程第7层框架梁边跨AB的梁端弯矩为-71.68kNm和109.30kNm。根据公式。计算梁端剪力：第7层框架梁边跨BC的梁端弯矩为-60.46kNm和60.46kNm。根据公式。计算梁端剪力。 同理可以计算出其它的梁端剪力，结果如下：表3.7 恒载作用下轴线处梁端剪力梁类型层号梁长（m）外荷载q（kN/m）固端弯矩（kNm）杆端剪力（kN）左右左右边梁77.227.44-71.68109.3093.56-104.0167.225.07-92.69104.4288.62-91.8857.225.07-88.96103.4588.24-92.2647.225.07-88.96103.4588.24-92.2637.225.07-88.96103.4588.24-92.2627.225.07-88.84103.4188.23-92.2817.225.07-83.64100.9787.85-92.66中跨73.015.49-60.4660.4623.24-23.2463.011.14-36.2636.2616.71-16.7153.011.14-37.4337.4316.71-16.7143.011.14-37.4337.4316.71-16.7133.011.14-37.4337.4316.71-16.7123.011.14-37.4737.4716.71-16.7113.011.14-39.9339.9316.71-16.714.4.7柱的杆端剪力已知柱的两端弯矩，且柱高范围内无其他横向力。可以根据以下公式计算柱的杆端剪力：表3.8 恒载作用下轴线处柱端剪力柱类型层号柱高（m）固端弯矩杆端剪力上下上下A轴柱73.966.5547.49-29.24-29.2463.937.7940.78-20.15-20.1553.940.7840.78-20.91-20.9143.940.7840.78-20.91-20.9133.940.7840.88-20.94-20.9423.940.5744.91-21.92-21.9215.431.3315.66-8.70-8.70B轴柱73.9-42.38-32.0819.0919.0963.9-28.38-29.1614.7514.7553.9-29.16-29.1614.9514.9543.9-29.16-29.1614.9514.9533.9-29.16-29.1914.9614.9623.9-29.06-30.8415.3615.3615.4-22.51-11.266.256.25恒荷载作用下的剪力图如下所示：图3.10 恒荷载作用下的剪力图4.4.8轴力计算根据配筋计算需要，只需求出柱的轴力即可，而不需求出梁轴力。以第七层框架柱边柱（A柱）的柱端剪力：柱顶轴力：上部结构传来的轴力：P1=51.30kN轴力：N=51.30+93.56=144.86kN柱底轴力：上部结构传来的轴力：P=51.30+21.94+1.13=74.37kN轴力：N=74.37+93.56=167.93kN第七层框架柱中柱（B柱）的柱端剪力：柱顶轴力：上部结构传来的轴力：P2=64.57kN柱顶轴力：N=64.57+104.01+23.24=191.82kN柱底轴力：上部结构传来的轴力：P=64.57+21.94+1.13=87.64kN柱底轴力:N=87.64+23.24+104.01=214.89kN其他层梁端剪力和柱轴力见下表：表3.9 恒载作用下柱中轴力柱类型层号柱顶集中力（kN）邻梁剪力（kN）柱中轴力（kN）左梁右梁柱顶柱底A柱751.30093.56144.86167.93674.00088.62307.48353.62574.00088.24469.72538.93474.00088.24631.96724.24374.00088.24794.20909.55274.00088.23956.431094.85174.00087.851118.271325.58B柱764.57104.0123.24191.81214.88676.8791.8816.71377.28423.42576.8792.2616.71563.12632.33476.8792.2616.71748.96841.24376.8792.2616.71934.811050.16276.8792.2816.711120.661259.08176.8792.6616.711306.901514.55恒荷载作用下的轴力图如下所示：图3.11 恒荷载作用下的轴力图4.5活荷载作用下的内力计算4.5.1计算杆固端弯矩： 将梯形或三角形分布荷载按固端弯矩等效的原则折算成均布荷载： 梯形荷载折算公式：