幼儿园结构设计.doc

毕业设计（论文）

南江枫林幼儿园结构设计
摘要
此次毕业设计主要是幼儿园的结构设计。采用混凝土框架结构，层数为3 层，建筑总高度是14.3m，建筑面积3809m2。根据要求，抗震设防烈度为七度。
本设计针对第8轴线框架进行了手算计算，考虑了恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载和地震荷载等作用。计算内容主要包括荷载分析和结构内力计算。手工计算完毕后，用结构分析软件PKPM进行了整体框架计算。
关键词 幼儿园；结构设计；框架结构；内力计算

THE STRUCTURE DESIGN OF NAN JIANG FENG LIN KINDERGARTEN

ABSTRACT
The graduated design of the main structure of the kindergarten design. The design uses a frame structure and the number of construction of the main layers of is 3.The total building height is 14.3m, building area of ​​3809m2. Upon request, the seismic intensity of seven degrees.
Framework of the design for the 8 axis hand count calculation, consider the dead load, live load, snow load, wind load and seismic loading role. The calculation including load analysis and structural internal force calculation. Manual calculation is completed, the overall framework for computing structural analysis software PKPM.

KEY WORDS kindergarten Structural design; Frame structure; Calculation of Internal Forces

目录
摘要 2
ABSTRACT 3
目录 4
1.结构设计任务 6
1.1研究内容 6
1.2任务与要求 6
1.2.1任务 6
1.2.2要求 6
2.结构平面布置及梁柱截面尺寸 8
2.1结构平面布置 8
2.2框架梁截面尺寸 8
2.3框架柱截面尺寸 9
2.4屋面板、楼板厚度 10
3.荷载计算 11
3.1恒荷载标准值计算 11
3.1.1屋面 11
3.1.2各层楼面 11
3.1.3梁自重 11
3.1.4柱自重 12
3.1.5外纵墙自重 12
3.1.6内纵墙自重 13
3.1.7外横墙自重 14
3.1.8内横墙自重 15
3.1.9女儿墙自重 15
3.2活荷载标准值计算 15
3.2.1屋面和楼面活荷载标准值 15
3.2.2雪荷载标准值 16
3.2.3风荷载标准值计算 16
3.2.4水平地震作用 16
4.一榀框架内力计算 19
4.1框架选取 19
4.2框架荷载确定 20
4.2.1恒荷载 20
4.2.2活荷载 23
4.2.3风荷载 25
4.3内力分析 26
4.3.1恒载作用下的内力分析 26
4.3.2活载作用下的内力分析 31
4.3.3风载作用下的内力分析 33
4.3.4水平地震作用下的内力分析 35
参考文献 38
附录1.电算一榀框架的在各荷载作用下的标准内力图 39
致谢 45
1.结构设计任务
1.1研究内容
广州市市区某南江枫林社区拟建一幼儿园，建筑面积3809m2，3层，已完成建筑设计，要求完成此建筑的结构设计。侧重结构的荷载分析和结构内力计算。
1．查阅相关资料，撰写文献综述，并翻译相关的外文
2．南江枫林幼儿园结构体系选择与结构布置
3．分析结构所受的各种荷载大小、及传递路径
4．手算一榀框架在各种荷载作用下的内力
5．结构电算，并分析比较手算和电算的内力差异
6．撰写设计计算书，绘制结构施工图
1.2任务与要求
1.2.1任务
对给定的南江枫林幼儿园建筑施工图，选择结构体系，布置结构构件，进行荷载分析，手算结构内力，并电算复核内力，绘制结构施工图，最后撰写设计计算书。
1.2.2要求
(1)文献综述、外文与课题相关，且外文翻译语句通顺，句意明了。
查阅与课题相关文献，撰写文献综述1篇（附参考文献至少10篇，包括2篇外文），字数不少于3000；翻译外文1-2篇，要求所选原文不能和前三年本专业毕业生已使用过的原文相同，所选原文的发表时间为近5年以内，字数不少于3000，并附原文复印件或PDF打印稿。
(2) 结合课题具体情况，提出自己的设计方案，写开题报告一篇，字数不低于3000；
(3) 要求具体分析结构荷载的大小和传递路径，并手算各种荷载作用下结构的内力；
(4) 结构建模正确，荷载输入无误，参数设置正确，电算结果可靠。
(5) 设计计算书要求内容完整，层次分明，数据可靠，文字简练。结构施工图表达清晰、规范。
(6) 严格遵守纪律，保质保量完成规定的设计任务；

2.结构平面布置及梁柱截面尺寸
2.1结构平面布置
本工程采用混凝土框架结构，结构柱网布置图如下：
图1结构柱网布置图
2.2框架梁截面尺寸
框架结构中框架梁的截面高度hb可根据结构承载力、刚度及裂缝控制条件确定，主梁按hb=（1/12~1/8）Lb确定，次梁按hb=（1/18~1/12）确定。梁的截面尺寸首先按照梁的跨度进行估算，见表1。

表1 梁的截面尺寸估算
梁
跨度L
（mm）
梁高系数
梁高
（mm）
梁宽系数
梁宽
（mm）
实选截面b×h
（mm×mm）
横向框架梁
6500
(1/12~1/8)L
541~812.5
(1/3~1/2)h
208~469
350×700
纵向框架梁
7500
(1/12~1/8)L
625~937.5
(1/3~1/2)h
258~581
350×700
纵向框架梁
5700
(1/12~1/8)L
475~712.5
(1/3~1/2)h
167~375
350×700
纵向框架梁
3300
(1/12~1/8)L
275~412.5
(1/3~1/2)h
92~206.2
350×700
过道梁
2400
(1/12~1/8)L
200~300
(1/3~1/2)h
67~150
350×700
横向次梁
6500
(1/18~1/12)L
361~541
(1/3~1/2)h
156~313
250×600
竖向次梁
3900
(1/18~1/12)L
216~325
(1/3~1/2)h
156~218
200×400
注 ：过道梁的截面尺寸与横向框架梁一致，以保证框架的整体性，同时为了方便施工框架梁截面统一350×700。
2.3框架柱截面尺寸
根据规定：柱截面尺寸应满足
(1-1)
N=G q Sn12 (1-2)
式中N—柱轴向压力设计值，N;
uN—框架柱的轴压比限值，按表1-2取值；
fc—柱混凝土轴心抗压强度设计值，N/mm2；
bc、hc—分别为框架柱的截面宽度和高度，mm；
G—竖向荷载分项系数（已考虑活荷载），取1.25；
q—每一楼层单位面积的竖向荷载标准值，可取14KN/mm2；
S—柱一层的负荷面积；
n—楼层数；
1—考虑水平力产生的附加系数，风荷载或四级抗震时， 1=1.05，三~一级抗震等级时， 1=1.05~1.15；
2—边柱、角柱轴向力增大系数，边柱2=1.1，角柱2=1.2，中柱2=1.0。

《混凝土建筑设计规范》（GB 50010—2002）的11.4.16条 规定：
表2框架柱的轴压比限值un
非抗震设计
抗震设计
一级
二级
三级
四级
1.0
0.7
0.8
0.9
1.0

柱的截面尺寸估算见表3
表3柱的截面尺寸估算
柱
uN
fc (N/mm2)
G
q(N/mm2)
S(mm2)
n
1
2
N(N)
AC
中柱
1.0
14.3
1.25
1.4×10-2
3.575×107
4
1.05
1.0
2.63×106
1.83×105
边柱
1.0
14.3
1.25
1.4×10-2
3.487×107
4
1.05
1.1
2.82×106
1.97×105
角柱
1.0
14.3
1.25
1.4×10-2
4.603×107
4
1.05
1.0
3.38×106
2.37×105
选柱的尺寸为500mm×500mm，则

2.4屋面板、楼板厚度
《混凝土建筑设计规范》（GB 50010—2002）的10.1.1条 规定：
表4屋面板、楼板厚度估算
位置
跨度（m）
系数
计算板厚度
（mm）
最小计算厚度（mm）
实际选用板厚度（mm）
楼板
6.5
1/45 L
144
80
150
屋面板
4.5
1/35 L
128
80
150

3.荷载计算
3.1恒荷载标准值计算
3.1.1屋面
保护层：高聚物改性沥青卷材防水屋面 2.20 kN/m2
结构层：150厚现浇钢筋混凝土板 0.15×25=3.75 kN/m2
抹灰层：10厚粉刷石膏砂浆 0.01×12=0.12 kN/m2

合计： 6.07kN/m2

3.1.2各层楼面
保护层：15厚白水泥大理石子面 0.015×25=0.38kN/m2
结构层：150厚现浇钢筋混凝土板 0.15×25=3.75kN/m2
抹灰层：10厚粉刷石膏砂浆 0.01×12=0.12 kN/m2

合计： 4.25kN/m2
3.1.3梁自重
(1) b×h = 350×700
梁自重： 0.35×(0.7－0.1)×25=5.25 kN/m
抹灰层：10厚粉刷石膏砂浆 0.01×12×[(0.7－0.1)×2＋0.35×2]=0.228kN/m

合计： 5.49 kN/m
(2) b×h = 250×600
梁自重： 0.25×(0.6－0.1)×25=3.125 kN/m
抹灰层：10厚粉刷石膏砂浆 0.01×12×[(0.6－0.1)×2＋0.25×2]=0.18 kN/m

合计： 3.31kN/m
(3) b×h = 200×400
梁自重： 0.2×(0.4－0.1)×25=1.5kN/m
抹灰层：10厚粉刷石膏砂浆 0.01×12×[(0.4－0.1)×2＋0.2×2]=0.12kN/m

合计： 1.62kN/m
3.1.4柱自重
b×h = 500×500
柱自重： 0.5×0.5×25=6.25 kN/m
抹灰层：10厚粉刷石膏砂浆 0.01×12×0.5×4=0.24 kN/m

合计： 6.49 kN/m
3.1.5外纵墙自重
(1)标准层
纵墙在计算单元内高度相当于:

铝合金窗在计算单元内高度相当于:

纵墙自重： 1.97×0.25×5.5=2.71 kN/m
铝合金窗自重： 0.92×0.35=0.32 kN/m
25厚水刷石外墙面： 1.97×0.5=0.99 kN/m
粉刷10厚石膏砂浆内墙面： 1.97×0.12=0.24 kN/m

合计： 4.26 kN/m
(2)楼梯间
纵墙在计算单元内高度相当于

铝合金窗在计算单元内高度相当于

纵墙自重： 3.12×0.25×5.5=4.29 kN/m
铝合金窗自重： 0.48×0.35=0.16 kN/m
粉刷10厚石膏砂浆内墙面： 3.12×0.12=0.37 kN/m

合计： 4.82kN/m

(3) 卫生间
纵墙在计算单元内高度相当于

铝合金窗在计算单元内高度相当于

纵墙自重： 3.06×0.25×5.5=4.21 kN/m
铝合金窗自重： 0.54×0.35=0.18kN/m
粉刷10厚石膏砂浆内墙面： 3.06×0.12=0.37 kN/m

合计： 4.76kN/m

3.1.6内纵墙自重
（1）标准层
纵墙在计算单元内高度相当于为:

内走廊木框玻璃窗在计算单元内高度相当于:

木门在计算单元内高度相当于

纵墙自重： 1.97×0.25×5.5=2.71 kN/m
木框玻璃窗： 0.34×0.25=0.09 kN/m
木门： 0.59×0.15=0.09 kN/m
粉刷10厚石膏砂浆内墙面： 1.97×0.12=0.24 kN/m

合计： 3.13 kN/m
（2）卫生间
纵墙在计算单元内高度相当于为

木门在计算单元内高度相当于

纵墙自重： 2.56×0.25×5.5=3.52 kN/m
木门： 1.04×0.15=0.16 kN/m
粉刷10厚石膏砂浆内墙面： 2.56×0.12=0.31 kN/m

合计： 3.99 kN/m
3.1.7外横墙自重
(1)标准层
横墙自重： (4.2－0.8)×0.25×5.5=4.26 kN/m
25厚水刷石外墙面： (4.2－0.8)×0.5=1.55 kN/m
粉刷10厚石膏砂浆内墙面： (4.2－0.8)×0.12=0.37 kN/m

合计： 6.18 kN/m
(2)底层
横墙自重： (4.9－0.8)×0.25×5.5=4.26 kN/m
25厚水刷石外墙面： (4.2+0.45－0.8)×0.5=1.78 kN/m
粉刷10厚石膏砂浆内墙面： (4.2－0.8)×0.12=0.37 kN/m

合计： 7.79 kN/m
3.1.8内横墙自重
(1) 标准层
横墙自重： (4.2－0.8)×0.25×5.5=4.26 kN/m
粉刷10厚石膏砂浆内墙面： (4.2－0.8)×0.12×2=0.74 kN/m

合计 5.00 kN/m
3.1.9女儿墙自重
做法：100mm混凝土压顶，1300mm加气混凝土墙
　　　　　　　　　　　　　　　　 1.4×0.25×5.5=1.92 kN/m
压顶混凝土： 1.4×0.25×25=8.75kN/m
水刷石外墙面： (1.4×2+0.25)×0.5=1.53 kN/m

合计： 12.2 kN/m

3.2活荷载标准值计算
3.2.1屋面和楼面活荷载标准值
上人屋面： 2.0 kN/m2
教室： 2.0 kN/m2
走廊： 2.5 kN/m2
3.2.2雪荷载标准值
参考广州市：n=100年，Sk=0.5 kN/m2 。屋面活荷载和雪荷载不同时考虑，两者中取大者。在本次计算中活载大于雪载，故不考虑雪载作用。
3.2.3风荷载标准值计算
主体结构计算时，垂直于建筑物表面的风荷载标准值k应按k=zsz0计算，风荷载作用面积应取垂直于风向的最大投影面积。式中：k为风荷载标准值（KN/m2）；z为高度z处的风振系数；s为风荷载体型系数；z为风压高度变化系数；0为基本风压（KN/m2）。根据《荷载规范》[3]（GB50009—2001）（2006版）的7.4.1条规定可知，当建筑物高度＜30m时，可不考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响，即取z=1.0，本结构风荷载体型系数s=1.3，本工程地面粗糙度类别为D类，按《荷载规范》（GB50009—2002）表7.2.1选取， 根据《荷载规范》[3]（GB50009—2002）附表D.4可知基本风压0=0.7 KN/m2，风荷载的负荷宽度取计算单元的宽度6.5，作用高度取节点上下半层的高度，其详细计算见表5。

表5 风荷载计算
层数
层高
（m）
离地高度
（m）

（kN/m2）

(kN/m2)
开间
(m)
作用高度
(m)

(kN)
3
4.2
12.6
1.3
0.62
1.0
0.50
0.403
6.5
3.5
9.17
2
4.2
8.4
1.3
0.62
1.0
0.50
0.403
6.5
4.2
11
1
4.2
4.2
1.3
0.62
1.0
0.50
0.403
6.5
4.2
11
3.2.4水平地震作用
(1)各层重力：

图2一榀框架各层重力荷载代表值

（2）横向水平地震作用力
先计算梁、柱线刚度，再计算出结构基本自振周期，从而计算出地震作用力。
表6梁线刚度ib的计算
梁编号
EC(N/mm2)
b×h(mm×mm)
I0(mm4)
L(mm)
ECI0/L(N.mm)
线刚度ib
DG跨
3.0×104
350×700
1.28×1010
7500
5.12×1010
10.2×1010
JN跨
3.0×104
350×700
1.28×1010
8100
4.74×1010
9.48×1010
GJ跨
3.0×104
350×700
1.28×1010
4500
3.60×1010
7.2×1010
表7柱线刚度ic的计算
层数
柱高L/mm
EC(N/mm2)
b×h（mm×mm）
Ic（mm4）
ECIc/L(N.mm)
1
4200
3.0×104
500×500
5.208×109
3.72×1010
2~3
4200
3.0×104
500×500
5.208×109
3.72×1010
表8各层柱横向侧移刚度计算（D值法）

楼层
ic
（KN、m）
K
c

D=12c ic/ hc2
（kN/m）
根数
一般层：
K=ib/2ic
底层：
K=ib/ic

一般层：
c=K/(2+K)
底层：
c=（0.5+K）/(2+K)

2~3
D轴

3.72×104
2.74
0.58
1.47×104
10
G轴
4.67
0.70
1.77×104
7
J轴
4.48
0.69
1.74×104
10
N轴
2.55
0.56
1.41×104
6
D
52.95×104

1
D轴

3.72×104
3.74
0.58
1.47×104
10
G轴
4.67
0.70
1.77×104
7
J轴
4.48
0.69
1.74×104
10
N轴
2.55
0.56
1.41×104
6
D
52.95×104

《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99-98）的4.3.7条 规定：用假想顶点位移uT计算结构基本自振周期，计算结构见表9
表9假想顶点位移uT计算结果
层次

3
17925.36
17925.36
529500
0.03
0.20
2
16819.2
34744.56
529500
0.07
0.17
1
16819.2
52669.92
529500
0.10
0.10
结构基本自振周期考虑非结构墙影响折减系数，则结构基本自振周期为：s。
由于该工程所在地区抗震设防烈度为7度，场地类别为II类，设计地震分组为第一组，《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2001）的附录A
故：αmax=0.08， Tg=0.35s
《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2001）的5.1.5条 规定：
由于Tg<T1<5Tg，
所以：

总水平地震作用力：

各层水平地震作用：

则有：

表10地震荷载计算
层数
层高hi
高度Hi
重量Gi
GiHi

水平力Fi
剪力Qi
3
4.2
12.6
1493.78
18821.63
0.516
108.56
108.56
2
4.2
8.4
1401.6
11773.44
0.323
67.95
176.51
1
4.2
4.2
1401.6
5886.72
0.161
33.87
210.38
4.一榀框架内力计算
4.1框架选取
本设计决定选⑧号轴线框架为一榀框架进行内力计算。（图中阴影部分）

图3手算一榀框架图

图4一榀框架简图
图5板荷载传递路线图
4.2框架荷载确定
由之前荷载计算可确定框架荷载
4.2.1恒荷载
（1）梁DG（截面尺寸）

图6 梁DG计算简图

1）梁自重设计值：
2）墙传线荷载： (梁DG上无墙)
3）板传线荷载：

则
综合1）2）3），
(2)梁GJ（截面尺寸）

图7梁GJ计算简图
1）梁自重设计值：
2）墙传线荷载：
3）板传线荷载：

综合1）2）3），
(3)梁JN（截面尺寸）

图8梁JN计算简图
1）梁自重设计值：
2）墙传线荷载：
3）板传线荷载：
综合1）2）3）：

由上可知标准层框架恒载图：

图9标准层框架荷载图
4.2.2活荷载
（1）梁DG（截面尺寸）

图10 梁DG计算简图
1）板传线荷载：

则
综合上
(2)梁GJ（截面尺寸）

图11梁GJ计算简图
1）板传线荷载：

则
综合上
(3)梁JN（截面尺寸）

图12 梁JN计算简图

1）
综合上

由上可知标准层框架活载图：

图13标准层框架荷载图

4.2.3风荷载
由表5可知 , ,

图14各层柱剪力图
则计算各层柱总剪力

4.3内力分析
4.3.1恒载作用下的内力分析
（1）求梁柱惯性矩
梁惯性矩：
柱惯性矩：D～N柱：
对于中框架梁取（注：考虑现浇楼板对梁刚度的加强作用）
（2）梁柱线刚度及相对线刚度计算
框架梁柱的相对线刚度如下，作为计算各节点杆端弯矩分配系数的依据。
表6相对线刚度
构件
线刚度
相对线刚度
框架梁
DG

0.54
GJ

0.92
JN

0.52
框架柱
D～N

1.0

图15各梁柱线刚度
（3）计算弯矩分配系数
上柱
下柱
右梁

左梁
上柱
下柱
右梁

左梁
上柱
下柱
右梁

左梁
上柱
下柱

0.65
0.35

0.22

0.41
0.37

0.38

0.41
0.21

0.34

0.66

上柱
下柱
右梁

左梁
上柱
下柱
右梁

左梁
上柱
下柱
右梁

左梁
上柱
下柱
0.39
0.39
0.22

0.16
0.29
0.29
0.26

0.27
0.29
0.29
0.15

0.2
0.4
0.4

上柱
下柱
右梁

左梁
上柱
下柱
右梁

左梁
上柱
下柱
右梁

左梁
上柱
下柱
0.39
0.39
0.22

0.16
0.29
0.29
0.26

0.27
0.29
0.29
0.15

0.2
0.4
0.4

D

G

J

N
图16弯矩分配系数
42

（4）计算各节点固端弯矩进行二次弯矩分配得到恒载作用下的一榀框架内力图如下：
上柱
下柱
右梁

左梁
上柱
下柱
右梁

左梁
上柱
下柱
右梁

左梁
上柱
下柱

0.65
0.35

0.22

0.41
0.37

0.38

0.41
0.21

0.34

0.66

-70.16

70.16

-5.07

5.07

-87.4

101.38

45.6
24.95

-14.32

-26.68
-24.08

31.3

33.75
17.3

-34.46

-66.91

13.7
-2.86

12.48

-9.44
15.65

12.04

11.9
-17.23

8.65

-20.2

-7.05
-3.86

-4.11

-7.6
-7

-2.5

-2.75
-1.4

3.93

7.6

52.25
51.93

64.21

-43.72
-20.5

45.91

42.9
-88.73

79.5

-79.51
上柱
下柱
右梁

左梁
上柱
下柱
右梁

左梁
上柱
下柱
右梁

左梁
上柱
下柱
0.39
0.39
0.22

0.16
0.29
0.29
0.26

0.27
0.29
0.29
0.15

0.2