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精选资料
某高校砼框架实验楼的结构设计
摘 要

毕业设计是对大学学习的综合实践性教学环节，是对大学四年来所学内容的考察和巩固。本次毕业设计主要包括建筑设计和结构设计，毕业设计说明针对设计过程的每一步都进行了详细的介绍。建筑设计说明介绍了平面选型的确定，平面组合的选择，材料的选择及主体结构每部分的具体作法；作图是有手绘及电绘（CAD），用PKPM软件进行电算。结构设计说明中介绍了结构的类型和布置方式，截面尺寸的初估，施工材料的选择；结构计算书中，选取了柱网中的一榀框架进行了详细计算。在竖向荷载作用的计算采用弯矩二次分配法；水平荷载作用下的计算采用D值法。此外还包括有梁、柱、楼梯、基础及楼盖的截面配筋计算。
关键词：建筑设计；结构设计；结构内力计算；CAD绘图，PKPM电算

An University Lab Building Concrete Framework Structure Design
Abstract

Graduation design is the comprehensive practical teaching link of university learning, is the university four years study the content and consolidation. This graduation design mainly includes the architectural design and structural design, graduation design aiming at every step of the design are described in detail. Architectural design is introduced to determine the plane plane selection, portfolio selection, concrete practice of each part of the selection and the main structure material; mapping is a hand-drawn and electrical drawing (CAD), was developed by PKPM software. Structural design introduces the structure type and layout, section size of the initial estimate, construction material selection and construction requirements; structure calculation, select one pin frame column in a detailed calculation. Under vertical loading, the approximate computation.calculated using the moment two methods of distribution; calculation under horizontal load by using D value method. In addition to calculation of reinforcement beams, columns, stairs, foundation and floor.
keywords: architectural design; structure design; structure internal force calculation; CAD drawing, PKPM computing.

目 录

引 言.........................................................................................................................................1
第1章 结构选型与布置 2
1.1 基本概况 2
1.2 工程地质条件 2
1.3 主体结构工程和装饰工程 2
1.4 气象资料 2
1.5 抗震设防烈度 2
1.6 荷载资料 2
1.7毕业设计（论文）任务内容 3
第2章 荷载计算 4
2.1 确定计算简图 4
2.2 梁柱截面尺寸 4
2.3 材料强度等级 4
2.4 荷载计算 4
第3章 横向框架内力计算 ...11
3.1 恒载作用下的框架内力 11
3.2 活载作用下的框架内力 18
3.3风荷载作用下的位移、内力计算 34
3.4 地震作用下横向框架的计算 .38
第4章 横向框架内力组合 .46
第5章 横向框架梁柱截面设计 57
第6章 楼梯结构设计 .72
6.1梯段板设计 73
6.2休息平台版设计 .73
6.3梯段梁计算 .74
第7章 基础结构设计 75
7.1荷载计算 75
7.2 确定基础底面积 75
7.3 基础结构设计 77
结论与展望 83
致 谢 84
参考文献 85
附 录.......................................................................................................................................86
附录A：毕业设计图纸清单...................................................................................................86
附录B：专业外文文献及其译文...........................................................................................87
附录C：主要参考文献的题录及摘要...................................................................................93

插图清单

图2-1 计算见图 2
图2-2 荷载计算简图a 4
图2-2 荷载计算简图b..............................................................................................................6
图2-3 恒载顶层集中力.............................................................................................................7
图2-4 恒载中间层节点集中力 8
图2-5 横向框架上的风荷载 9
图2-6 横向框架上的地震作用 13
图3-1 横向框架承担的恒载产生的节点不平衡弯矩 14
图3-2 杆端及节点弯矩正方向 15
图3-3 恒载弯矩分配过程 17
图3-4 恒载作用下弯矩图 18
图3-5 恒载作用下梁剪力、柱轴力 18
图3-6 活载不利布置a 21
图3-7 活载不利布置b 21
图3-8 活载不利布置c 22
图3-9 活载不利布置d 22
图3-10 活载a迭代过程 23
图3-11 活载b弯矩图 24
图3-12 活载a剪力、轴力 24
图3-13 活载b迭代过程 25
图3-14 活载b弯矩图 26
图3-15 活载b剪力、轴力 26
图3-16 活载c迭代过程 27
图3-17 活载c弯矩图 28
图3-18 活载c剪力、轴力 28
图3-19 满跨活载迭代过程 29
图3-20 满跨活载弯矩 30
图3-21 满跨活载剪力、轴力 30
图3-22 水平风载作用下框架层间剪力 30
图3-23 风载作用框架弯矩 38
图3-24 风载作用下框架梁剪力、柱轴力 38
图3-25 固端弯矩 39
图3-26 0.5（雪+活）作用下迭代过程 41
图3-27 0.5（雪+活）作用下杆端弯矩 42
图3-28 0.5（雪+活）作用下柱轴、梁剪力 42
图3-29 地震作用框架梁剪力、柱轴力 42
图6-1 楼梯平面布置 72
图6-2 踏步详图 72
图6-3 计算简图 73
图7-1 图层分布及埋深 76
图7-2 B、C柱联合基础埋深 76
图7-3 基础剖面尺寸示意图 77
图7-4 弯矩和剪力计算结果...................................................................................................78

插表清单

表1-1 建筑地层一览表 2
表2-1 风荷载计算 9
表2-2 横梁、柱线刚度 11
表2-3 框架柱横向侧移刚度D值 11
表2-4 框架定点假想水平位移计算表 12
表2-5 楼层地震作用和地震剪力标准值计算表 12
表3-1 AB跨梁端剪力 19
表3-2 BC跨梁端剪力 19
表3-3 AB跨跨中弯矩 19
表3-4 柱轴力 19
表3-5 活载a作用下AB跨梁端剪力 31
表3-6 活载a作用下BC跨梁端剪力 31
表3-7 活载a作用下AB跨跨中弯矩 31
表3-8 活载a作用下柱轴力 31
表3-9 活载b作用下AB跨梁端剪力 32
表3-10 活载b作用下BC跨梁端剪力 32
表3-11 活载b作用下AB跨跨中弯矩 32
表3-12 活载b作用下柱轴力 32
表3-13 活载c作用下AB跨梁端剪力 33
表3-14 活载c作用下BC跨梁端剪力 33
表3-15 活载c作用下AB跨跨中弯矩 33
表3-16 活载c作用下柱轴力 33
表3-17 活载d作用下AB跨梁端剪力 34
表3-18 活载d作用下BC跨梁端剪力 34
表3-19 活载d作用下AB跨跨中弯矩 34
表3-20 活载d作用下柱轴力 34
表3-21 风载作用下框架侧移 35
表3-22 各层柱反弯点位置 36
表3-23 风载作用下框架柱剪力及柱端弯矩 36
表3-24 风载作用下梁端跨中弯矩、剪力 37
表3-25 风载作用下柱轴力 37
表3-26 0.5（雪+活）作用下AB跨梁端弯矩 43
表3-27 0.5（雪+活）作用下BC跨梁端剪力 43
表3-28 0.5（雪+活）作用下AB跨跨中弯矩 43
表3-29 0.5（雪+活）作用下柱轴力 43
表3-30地震作用下横向框架柱剪力及柱端弯矩 44
表3-31地震作用下梁端弯矩 44
表3-32地震作用下梁剪力、柱轴力 45
表4-1弯矩条幅计算 47
表4-2横向框架梁内力组合（一般组合） 49

可修改编辑
表4-3横向框架梁内力组合（考虑地震组合） 52
表4-4横向框架柱内力组合（一般组合） 54
表4-5横向框架柱内力组合（考虑地震组合） 56
表5-1 横梁AB、BC跨正截面受弯承载力计算 57
表5-2 横梁AB、BC跨正截面抗弯验算 58
表5-3 横梁AB、BC跨斜截面受剪承载力计算 59
表5-4 横梁AB、BC跨斜截面受剪抗震验算 59
表5-5 框架柱正截面弯矩 60
表5-6 框架柱正截面弯矩 63
表5-7 框架柱正截面压弯 65
表5-8 框架柱正截面压弯 67
表5-9 框架柱正截面压弯 68
表5-10 框架柱正截面压弯 73
表7-1 附加应力计算 74
表7-2 B、C柱沉降计算 77

引 言

本次我们的高校实验楼采用砼框架的结构设计。框架结构的结构类型在建筑结构中具有代表性；框架结构是由梁、柱构件通过节点连接形成的骨架结构。框架结构的特点是由梁、柱承受竖向和水平荷载，墙体起维护作用，其整体性和抗震性均好于混合结构，且平面布置灵活，可提供较大的使用空间，也可构成丰富多变的立面造型。砼框架结构空间分隔灵活，自重轻，节省材料；具有可以较灵活地配合建筑平面布置的优点，利于安排需要较大空间的建筑结构；采用现浇混凝土框架时，结构的整体性、刚度较好，设计处理好也能达到较好的抗震效果，而且可以把梁或柱浇注成各种需要的截面形状。因此我们本次的实验楼采用砼框架。

第1章 绪论

1.1 工程概况
1.1.1 基本概况
经上级主管部门批准，拟按一般标准建造一栋六层高校砼框架实验楼。该工程为钢筋混凝土框架结构，横向框架不少于三跨，总建筑面积不小于5000m2。设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，环境类别为一类。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，第一组。建筑室内外高差600mm，室外标高即为现有自然地面标高。
1.1.2 工程地质条件
工程地质条件自然地表以下1m内为杂填土，重度γ=17kN/m3；杂填土下为3m厚可塑性粘土，重度为γ=18kN/m3，液性指数IL=0.62,含水率ω=23.1%，天然孔隙比e=0.8，ES=10MPa，Ck=20kpa，φk=12度；再下为砾石土层，重度为γ=20kN/m3，液性指数IL=0.50,含水率ω=15.2%，天然孔隙比e=0.8，ES=20MPa，Ck=15kpa，φk=18度。未修正前粘土承
载力特征值为180kN/㎡，砾石土层承载力特征值为300kN/㎡。场地土类别为Ⅱ类，地基基础设计等级为丙级。
基础埋深范围内无地下水。
1.1.3 主体结构工程和装饰工程
主体采用现浇混凝土框架结构，肋梁楼盖。混凝土强度等级为C30，钢筋采用HPB300级（箍筋、楼板钢筋）和HRB400级钢筋（梁、柱纵向受力钢筋）。
内外墙均采用小型混凝土空心砌块，厚度200mm，重度11.8kN/㎡。
1.1.4 气象资料
（1）基本风荷载：W0=0.35kN/㎡
（2）基本雪荷载：S0=0.60kN/㎡
1.1.5 荷载资料
（1）实验楼楼面荷载，查《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012），确定楼面活荷载标准值为2.5kN/㎡,走廊活荷载标准值为2.5kN/㎡；
（2）不上人屋面:活荷载标准值为0.5kN/㎡；
（3）内外墙均采用小型混凝土空心砌块，厚度200mm，重度11.8kN/㎡。
1.2 建筑与基础设计型式
（1）建筑设计型式：
本次试验楼建筑采用砼框架结构，框架结构的结构类型在建筑结构中具有代表性；框架结构是由梁、柱构件通过节点连接形成的骨架结构。
（2）基础的设计型式：
基础采用柱下独立基础，柱下独立基础能够满足此实验楼的承载要求。
1.3 框架计算方法
竖向荷载作用下横向框架内力计算（采用弯矩二次分配法），水平荷载作用下横向框架内力计算及侧移计算（采用D值法）。
1.4主要进程安排
（1）外文翻译、调研、复习相关课程、毕业设计开题——寒假、第1周；
（2）建筑设计，绘制建筑施工图——第5～6周；
（3）建筑结构布置和荷载计算——第7周；
（4）竖向荷载作用下横向框架内力计算（采用弯矩二次分配法）——第8周；
（5）水平荷载作用下横向框架内力计算及侧移计算（采用D值法）——第9～10周；
（6）横向框架梁柱内力组合、PK电算比较和截面设计——第11～12周；
（7）主楼梯结构设计——第13周；
（8）基础结构设计——第14周；
（9）绘制横向框架、主楼梯、基础的结构施工图——第12～14周；
（10）用PKPM软件对整栋框架结构进行SATWE电算并绘制出标准层结构平面图（板配筋图）和梁配筋平面图——第15～16周；
（11）电子版毕业设计文件的输入、打印和装订——第8～16周；
（12）指导教师审核，评阅教师审核，毕业设计答辩——第17周。

第2章 建筑结构布置和荷载计算

2.1建筑结构布置
2.1.1 平面布置
本工程选用砼框架结构，本实验楼为六层建筑，建筑高度较小，考虑建筑设计方案和抗震设防要求等因素，本工程平面选用矩形布置，采用横向框架承重方案，见图2-1。
2.1.2 立面布置
本工程共6层，各层均为3.6米，共计21.6米，女儿墙高0.6米。室内地坪标高为+0.000，室内外高差为0.600米。
2.1.3 柱网布置及次梁设置
本工程柱网布置为：横向三跨，跨度分别为6.9米、3.0米、6.9米；纵向12跨，跨度分别为3.3米，3.6米、6米。根据建筑设计要求，为满足房间分隔要求以及合理设置楼板的经济跨度，本工程楼面需设置次梁。本工程的平面布置图如下（图2-1）：
验算的内容：
（1）结构最大高度：H=6×3.6m=21.6m≤55m；
（2）最大高宽比: H/B=21.6m/18.8m=1.149≤4；
（3）长宽比: L/B=51.6m/18.8m=2.745≤6；
（4）最大长度:L=51.6m≤55m；
（5）总建筑面积:S=(51.6×16.8+2×3.6×2)×6=5287.68㎡>5000㎡；
（6）横向框架不少于三跨。
2.1.4 缝的设置
本工程地质条件良好，地质均匀，所以本工程可以不设沉降缝。本工程共长51.6米，约等于现浇钢筋混凝土框架结构应设置伸缩缝的最大间距，故可不设置伸缩缝。本结构平面为矩形，房屋沿高度方向无错层，房屋各部分的刚度、高度和重量相差不大，故不设抗震缝。
2.1.5 基础方案
本工程建设场地和地基条件较好，荷载分布均匀，建筑层数小于7层，根据《建筑地基基础设计规范》规定，该建筑的地基属于丙级地基，本工程采用柱下独立基础。
2.1.6 楼梯方案
根据建筑设计方案以及结构的经济性，本工程采用现浇板式平行双跑楼梯。

图2-1 平面柱网布置图

2.2 荷载计算
2.2.1 确定计算简图
本工程横向框架计算单元取图2-1中⑨号轴线处，框架的计算简图假定底层柱下端固定于基础。按工程地质资料提供的数据，该场地为Ⅱ类场地土，地质条件较好，初步确定本工程采用柱下独立基础，挖去所有杂填土，基础置于第二层可塑性粘土上，基底标高为设计相对标高－1.1m。柱子的高度底层为：h1=3.6+0.6+0.5=4.7m（初步假设基础高度0.5m），二至六层柱高为。柱节点刚接，横梁的计算跨度取柱中心至中心间距离，三跨分别为：L=6900、3000、6900，见图2-2。

图2-2 计算简图
2.2.2 梁柱截面尺寸(柱截面尺寸初估)
框架柱截面尺寸应根据公式估算。式中：，负荷面积×（12～14）kN/ m2×层数，为轴压比，=0.75 。
本结构中，边柱、中柱负荷面积分别为（6.0×3.45）m2 ，（6.0×4.95）层数为6层，其轴压比限值=0.75，C30混凝土=14.3N/mm2。
边柱：
Nc=1.2×6.0×3.45×14×6=2086.56kN
=194551.049mm2
中柱：
Nc=1.1×6.0×4.95×14×6=2744.28 kN
=255876.9231mm2

取柱截面为正方形，考虑到施工、计算简便以及安全因素，取柱子尺寸为： 550mm×550mm。
2.2.3 梁截面尺寸初估
横向框架梁：
取h=(1/10 ～1/18)l，b=(1/2 ～1/3)h
纵向框架梁：
取h=(1/10～1/18)l,b=(1/2 ～1/3)h
见表2-1。
表2-1 框架梁截面尺寸
层次
横向框架梁
纵向框架梁
AB跨、CD跨
BC跨
A、B、C、D轴
1～6
250×600
250×400
250×600
2.2.4 楼板厚度初估
本工程采用全现浇结构，连续双向板；
h≥l/50，h≥80；
板厚取120mm。
2.2.5 材料强度等级
混凝土：均采用C30级。
钢筋：采用HPB300级（箍筋、楼板钢筋）和HRB400级钢筋（梁、柱纵向受力钢筋）。
2.3 荷载计算
2.3.1 屋面横梁竖向线荷载标准值
（1）恒载
屋面横载标准值：
35厚架空隔热板 0.035×25=0.875kN/㎡
防水层 0.4kN/㎡
20厚1 : 3水泥砂浆找平层 0.02×20=0.4kN/㎡
120（100）厚钢混凝土现浇板 0.12×25=3kN/㎡
（AB,CD跨板取120；BC跨取100） （ 0.10×25=2.5kN/㎡）
12厚纸筋石灰粉平顶 0.012×16=0.192kN/㎡
屋面恒载标准值 　 4.87kN/㎡
（4.37kN/㎡）
梁自重
边跨AB.CD跨 0.30×0.70×25-0.3×0.12×25=4.35kN/㎡
梁侧粉刷 2×（0.70-0.12）×0.02×17=0.40kN/㎡
4.75kN/㎡
中跨BC跨 0.3×0.35×25-0.3×0.12×25=1.73kN/㎡
梁侧粉刷 2×（0.35-0.1）×0.02×17=0.17kN/㎡
1.9kN/㎡
作用在顶层框架梁上的线橫载标准值为:
梁自重 G6AB1=G6CD1=4.75kN/㎡ G6BC1=1.9kN/㎡
板传来的荷载 G6AB2=G6CD2=4.87×6=29.22kN/㎡
G6BC2=4.87×3=14.61k/㎡
（2）雪载
作用在顶层框架梁上的线活载标准值为:
G6AB=G6CD=0.5×4.5+0.6×4.5=4.95kN/㎡
G6BC=0.5×2.4+0.6×2.4=2.64kN/㎡
2.3.2 楼面横梁竖向线荷载标准值
（1）恒载
25厚水泥砂浆面层 0.025×20=0.50kN/㎡
120(100)厚钢混泥土现浇板 0.12×25=3kN/㎡
(0.10×25=2.5kN/㎡)
12厚板底粉刷 0.12×16=0.192kN/㎡
楼面恒载标准值 3.692kN/㎡
（3.192kN/㎡）
边跨（AB.CD跨）框架自重 4.75kN/㎡
中跨（BC跨）梁自重 1.9kN/㎡
作用在楼面层框架梁上的线恒载标准值为:.
梁自重: GAB1=GCD1=4.75kN/㎡
G5bc1=1.9kN/㎡
板传来的荷载 　 GAB2=GCD2=3.692×6=22.15kN/㎡
GBC2=3.192×3=11.76kN/㎡
（2）活载
楼面活载： QAB=QCD =2.5×4.5=11.25kN/㎡
QBC=2.5×2.4=6kN/㎡
2.3.3 屋面框架节点集中荷载标准值
（1）恒载
边跨柱连系梁自重 0.3×0.45×6×25-0.12×25=17.25kN/㎡
粉刷 2×（0.45-0.12）×0.02×6×17=1.35kN/㎡
0.6m高女儿墙 0.6×6×2.36=8.50kN/㎡
粉刷 0.6×2×0.02×6×17=2.45kN/㎡
连系梁传来屋面自重 0.5×6×0.5×6×4.87=43.83kN/㎡
顶层边节点集中荷载　 G6A=G6D=73.38kN/㎡
中柱连系梁自重 0.3×0.45×6×25-0.12×25=17.25kN/㎡
粉刷 ［（0.45-0.12）+（0.45-0.10）］×0.02×6×17=1.39kN/㎡
连系梁传来屋面自重 0.5×6×0.5×6×4.87=43.83kN/㎡
0.5×（6+6－3）×3/2×4.37=29.50kN/㎡
顶层中节点集中荷载 G6B=G6C=91.97kN/㎡
（2）活载
Q6A=Q6D=1/2×6×1/2×6×0.7=6.30kN/㎡
Q6B=Q6C=1/2×6×1/2×6×0.7+1/2×（6+6-3）×3/2×0.7=11.03kN/㎡
2.3.4 楼面框架节点集中荷载标准值（图2-3）
1.恒载
边柱连系梁自重 17.25kN/㎡
粉刷 1.35kN/㎡
连系梁传来楼面自重 1/2×6×1/2×6×3.692=33.23kN/㎡
51.83kN/㎡
中间层边节点集中荷载
GA=GD=51.83kN/㎡
框架柱自重 GA'=GD'=0.55×0.55×3.6×25=27.23kN/㎡
中柱连系梁自重 20.25kN/㎡
粉刷 1.39kN/㎡
连系梁传来楼面自重 1/2×6×1/2×6×3.692=33.23kN/㎡
1/2×（6+6－3）×3/2×3.192=21.55kN/㎡
76.42kN/㎡
中间层中节点集中荷载
GB=GC=76.42kN/㎡
柱传来集中荷载 GB'=GC'=27.23kN/㎡
（2）活载
QA=QD=1/2×6×1/2×6×2=18.0kN/㎡
QB=QC=1/2×6×1/2×6×2+1/2×（6+6－3）×3/2×2=31.5kN/㎡
2.3.5 风荷载
已知基本风压ω0=0.35kN/㎡，地面粗糙度属B类，荷载规范 ，风载体型系数 ，迎风面0.8，背风面为-0.5；因结构高度H=22.2m<30m，取风振系数βz=1.0，见表2-2。
表2-2 风荷载计算
层次
βz

Z(m)

ω0
(kN/m2)
A（m2）
Pi（kN）
6
1
1.3
22.2
1.29
0.35
18.6
10.92
5
1
1.3
18.6
1.22
0.35
21.6
11.99
4
1
1.3
15
1.14
0.35
21.6
11.20
3
1
1.3
11.4
1.04
0.35
21.6
10.22
2
1
1.3
7.8
1.00
0.35
21.6
9.83
1
1
1.3
4.2
1.00
0.35
24.3
11.06
例如：底层：=1×1.3×1.00×0.35×24.3=11.06
2.3.6 地震作用
（1）建筑物总重力荷载代表值Gi的计算
1）集中于屋盖处的质点重力荷载代表值G6：
50%雪载 0.5×0.6×(51.6×16.8)=260.06kN
屋面恒载 4.87×51.6×6.9×2+4.37×51.6×3=4144.30kN
横梁 （5.65×6.9×2+2.8×3)×13=1122.81kN
纵梁 （20.25+1.35）×12×2+（20.25+1.39）×12×2=1037.76kN
女儿墙 0.6×3.6×（51.6+16.8）×2=295.49kN
柱重 0.55×0.55×25×1.8×52=707.85kN
横墙 2.36×［21×6.9×1.8+（3×1.8-2.1×2.1/2）×2］=630.62kN
纵墙 （3.6×1.8-2.1×2.1/2）××2.36+4.5×1.8×2.36×20=623kN
(忽略内纵墙的门窗按墙重量算)
钢窗 22×3.3×2.1/2×0.4=30.49kN
G6=8852.38kN
2）集中于三、四、五、六层处的质点重力荷载代表值G5—G2
50%楼面活载 0.5×2.0×16.8×51.6=866.88kN
楼面恒载 3.692×51.6×6.9×2+3.192×51.6×3=3123.12kN
横梁 1122.81kN
纵梁 1037.76kN
柱重 707.85×2=1415.7kN
横墙 630.62×2=1261.24kN
纵墙 623×2=1246kN
窗