土木工程专业设计41221476.docx
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土木工程专业设计41221476
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1引言
本毕业设计的课题由老师选定,主要研究设计宿舍楼设计,采用现浇钢筋混凝土框架结构,共四层,毕业设计是大学教学计划的一个重要的组成部分,它培养了我们综合运用所学基础和专业知识,提高了我们实践能力,在理论上联合了实际。
本毕业设计课题是设计高校宿舍楼,其中包括建筑设计,结构设计两大部分,结构设计包括确定结构体系与结构布置、根据经验对构件初估、确定计算单元计算模型及计算简图、荷载计算、内力计算、选择配筋等内容,在此我选择了第五榀框架进行了计算,在设计的过程中参考了很多资料,结合规范和实际情况设计了宿舍楼,对于建筑设计,参考了房屋建筑学,研究宿舍楼各部分的组合原理、构造方法以及建筑空间环境,从而设计出总平面布置图,平面图、立面图以及剖面图。
对于结构设计主要参考了混凝土上、中两册,建筑结构抗震等。
设计过程以手算为主,设计完成后,数据都是符合规范要求。
2工程概况
2.1工程简介
2.2自然条件
工程地质条件如下简介:
(1)根据勘察报告,建筑场地土类别为Ⅱ类,场地土自上而下分布为:
①人工填土、②中砂、③粘土质粉砂、④粘土、⑤粉砂、⑥中砂、⑦细砂、⑧粉质粘土。
本工程的持力层为②层中砂,②层地基承载力特征值为160kPa,压缩模量为Es=6.0MPa,③层地基承载力特征值为150kPa,压缩模量为Es=5.0MPa,场地土对混凝土结构没有腐蚀性。
⑵基本风压:
0.75kN㎡
⑶该地区地震设防烈度为6度,设计地震分组为第一组,场地类别是第Ⅱ类,设计基本地震加速度为0.05g。
2.3设计资料
2.3.1设计要求
(1)层高:
首层层高3.6米,标准层层高3.3米;
(2)层数:
4层,1至4层均为学生宿舍;
(3)每层均设置公用洗漱间、卫生间及浴室;
(4)辅助用房:
值班室、储藏室、配电室等;
(5)结构形式采用钢筋混凝土框架结构,楼板采用现浇钢筋混凝土楼板。
2.4建筑方案
2.4.1平面设计
该公寓楼根据使用要求,结合场地条件,结构选型等情况,按照建筑模数选择开间和进深,进而选择合理的建筑平面为灵活分割使用空间创造条件。
该公寓楼在设计时保证了住宿、娱乐用房的良好朝向、光照及通风。
2.4.2建筑设计要点
⑴用房采用的是单走廊,双面布房,走廊轴线宽度2.4m,两个楼梯间。
⑵建筑内设有洗漱间、卫生间各两间,对称分布于建筑平面。
⑶建筑立面1至4层对齐。
⑷屋面采用不上人屋面,做保温、防水层,设女儿墙但不设置屋檐以及顶部不凸出楼梯。
(5)混凝土强度等级梁C30,柱C40,受力钢筋采用Ⅱ级。
2.4.3防火要求
为了满足防火等级的要求,建筑安全出口为三个,分别设在建筑的前部和端部,走道和楼梯的最小宽度均大于1.1m。
2.4.4楼梯设计
⑴设计要求
在设计中要求楼梯坚固、耐久、防火,做到上下通行方便,便于搬运家具物品,有足够的通行宽度和疏散能力。
此外,楼梯尚有一定的美观要求。
楼梯间设计应符合现行国家标准《建筑防火规范》和《民用建筑设计规范》的相关规定。
⑵构件规定
楼梯梯段净宽不应小于1.1m,六层及六层以下住宅,一边设有栏杆的梯段净宽不应小于1米,楼梯踏步宽度不应小于0.26m,踏步高不应大于0.175m,楼梯平台净宽不应小于楼梯梯段净宽,且不得小于1.2m。
楼梯下面净空高度的控制为:
梯段上净高大于2200mm,楼梯平台处梁底的净高大于2000mm。
平台深度的计算应从结构边开始,考虑安全因素,平台边缘应退离转角或门边大约一个踏面宽的位置。
3结构选型和布置
3.1结构选型
本结构设计采用钢筋混凝土框架结构体系
3.2结构布置
根据建筑功能要求,横向尺寸较短纵向尺寸较长,故采用横向框架承重方案,具体结构布置详见图3.1。
3.1框架结构平面布置图
施工方案采用楼板柱整体现浇方案,楼盖方案采用整体式肋形梁板结构。
楼梯采用整体现浇板式楼梯,基础方案采用柱下独立基础。
3.3截面尺寸初步估计
边跨梁:
,取,。
中跨梁:
,取,。
纵向框架梁:
,取,。
柱,取。
板厚:
,取。
结构计算简图如图3-2所示。
底层层高为3.6m,其中在求梁截面惯性矩时考虑到现浇楼板的作用,取(为不考虑楼板翼缘作用的梁截面惯性矩)。
AB、CD跨梁:
BC跨梁:
上部各层柱:
底层柱:
图3.2结构计算简图
4荷载计算
4.1恒载计算
4.1.1屋面框架梁荷载标准值
4厚高聚物改性沥青防水卷材防水层
20厚1:
3水泥砂浆保护层
水泥珍珠岩(最薄40mm)2%找坡
100厚憎水膨胀珍珠岩
100厚现浇楼板
20厚1:
3水泥砂浆找平层
15mm厚纸筋石灰抹灰
屋面恒载
边跨框架梁自重
梁侧粉刷
边跨框架梁总重
边跨框架梁自重
梁侧粉刷
中跨框架梁总重
因此作用在顶层框架梁的线荷载为:
4.1.2楼面框架梁线荷载标准值
水磨石地面
100厚钢筋混凝土楼板
15厚石灰抹底
楼面恒载
边跨框架梁及梁侧粉刷
边跨填充墙自重
填充墙粉刷自重
中跨框架梁及梁侧粉刷
因此作用在中间层框架梁的线荷载为:
4.1.3屋面框架节点集中荷载标准值
柱纵向边框架梁自重0.25×0.4×4.2×25=10.5kN
边柱纵向框架梁粉刷(0.4-0.1)×2×0.02×4.2×17=0.8568kN
1000高女儿墙自重1×0.24×4.2×5.5=5.544kN
1000高女儿墙粉刷4.2×0.02×17×2=2.856kN
框架梁传来屋面自重4.2×2.1×4.476×0.5=19.739kN
顶层边节点集中荷载
中柱纵向框架梁自重0.25×0.4×4.2×25=10.5kN
中柱纵向框架梁粉刷0.8568kN
纵向框架梁传来屋面自重0.5×4.2×4.22×4.476=19.739kN
0.5×(4.2+4.2-2.6)×1.3×4.476=16.875kN
顶层中节点集中荷载:
4.1.4楼面框架节点集中荷载标准值
边柱纵向框架梁自重10.5kN
边柱纵向框架梁粉刷0.8568kN
铝合金窗自重.4×2.3×0.5=2.76kN
窗下墙体自重0.9×3.8×0.24×5.5=4.5144kN
窗下墙体粉刷0.9×0.02×2×17×3.8=2.3256kN
窗边墙体自重1.4×2.3×0.24×5.5=4.2504kN
窗边墙体粉刷1.4×0.02×2×2.3×17=2.1896kN
框架柱自重0.4×0.4×3.6×25=14.4kN
框架柱粉刷0.92×0.02×3.6×17=1.1261kN
纵向框架梁传来楼面自重0.5×4.2×4.22×3.405=15.016kN
中间层边节点集中荷载
中柱纵向框架梁自重10.5kN
中柱纵向框架梁粉刷0.8568kN
内纵墙自重(3.6-0.4)×0.2×4.2×5.5=14.784kN
墙粉刷(3.6-0.4)×0.02×2×17×4.2=9.1392kN
扣除门洞重加上门重-2.1×1×(1.78-0.2)=-3.318kN
框架柱自重14.4kN
框架柱粉刷0.02×1×17×3.6=1.224kN
纵向框架梁传来楼面自重0.5×4.2×4.22×3.405=15.016kN
0.5×(4.2+4.2-2.6)×1.3×3.405=12.837kN
中间间层中节点集中荷载
4.2活荷载计算
4.2.1屋面活荷载
4.2.2楼面活荷载
活荷载作用下的结构计算简图。
图4.1活载作用下的计算简图
4.3风荷载计算
风荷载:
基本风压0.5kNm2,风荷载体型系数1.3,风压高度变化系数按B类粗糙度查表4.1,查得高度变化系数。
表4.1B类粗糙度风压高度变化系数
离地高度m
5-10
15
20
30
1.0
1.14
1.25
1.42
作用于屋面梁和梁节点处的集中风荷载标准值如下表4.2:
,其中:
;
:
高度Z处的风振系数。
因高度H=19.25m<30m,故取;
--基本风压,取=0.5kNm2;
表4.2柱顶集中风荷载标准值
层数
离地高度
高度变化系
各层柱顶集中风荷载标准值
4
15.15
1.10
F4=0.5×1.3×1.0×1.10×3.6×3.6=7.79kN
3
11.55
1.01
F3=0.5×1.3×1.0×1.01×3.6×3.6=7.15kN
2
7.95
1.0
F2=0.5×1.3×1.0×1.0×3.6×3.6=7.08kN
1
4.35
1.0
F1=0.5×1.3×1.0×1.0×(2.175+1.8)×3.9=7.56kN
图4.2风荷载作用下的结构计算简图
4.4地震作用计算
4.4.1重力荷载代表值计算
本工程仅需考虑水平地震作用,建筑高度为13.2m,质量和刚度沿高度均布,故可采用底部剪力法来计算水平地震作用。
作用于屋面梁及各层楼面梁处的重力荷载代表值:
屋面梁处:
G=结构构件自重+50%雪荷载
楼面梁处:
G=结构构件自重+50%活荷载
顶层
屋面恒荷(7.2+7.2+2.4)×(4.2×16+3.6×2)×5.14=6061.910kN
梁L1(b××600mm)自重及梁侧粉刷:
(4.2-0.5)×16+3.1×2×2×0.3×(0.6-0.1)×25+(4.2-0.5)×16+3.1×2×0.02×2×(0.6-0.1)×17+(7.2-0.5)×40×0.3×(0.6-0.1)×25+(7.2-0.5)×40×(0.6-0.1)×0.02×2×17=1470.24kN
梁L2(b××500mm)自重及梁侧粉刷:
(2.4-0.5)×0.25×18×(0.5-0.1)×25+(0.5-0.1)×2×0.02×17×(2.4-0.5)×18=94.80kN
女儿墙自重:
(4.2×16+3.6×2+(7.2+2.4+7.2))×2×0.24×0.9×18+4.2×16+3.6×2+(7.2+2.7+7.2)×2×0.02×1×2×17=794.83kN
柱重:
(3.6-0.1)2×(0.5×0.5×25×20×4+1.28×0.02×20×17×4)=770.14kN
活荷载:
(7.2+7.2)×70.2×0.25+70.2×2.4×0.25=294.84kN(取一半)
G5=6061.910+1470.24+94.80+794.83+770.14+294.842=9340kN
标准层
楼面板及其粉刷:
(7.2+7.2+2.4)×(4.2×16+3.6×2)×3.74=4410.81kN
梁L1自重:
1470.24kN梁L2自重:
94.80kN
墙自重:
(3.6-0.6)×(4.2-0.5)×16×2+(3.6-0.5)×(3.6-0.6)×4×(0.24×18+0.02×17)+
(3.6-0.6)×(7.2-0.5)×2×20×(0.24×18+0.02×17)+(3.6-0.5)×(2.4-0.5)×18×(0.24×18+0.02×17)=5017.70kN
柱重:
770.14×2=1540.28kN
活荷载:
(7.2+7.2)×70.2×2.0+70.2×2.4×2.5=2442.96kN(取一半)
G=4410.81+1470.24+94.80+5017.70+1540.28+2442.962=13755kN
底层
楼面板及其粉刷:
(7.2+7.2+2.4)×(4.2×16+3.6×2)×3.74=4410.81kN
梁L1自重:
1470.24kN梁L2自重:
94.80kN
柱自重:
727.35+(4.85-0.1)2×0.5×0.5×25×80+1.28×0.02×(4.85-0.1)2×17×80=1726.12kN
活荷载:
(7.2+7.2)×74.85×2.0+74.85×2.4×2.5=2442.96kN(取一半)
墙自重:
5017.70kN
G=4410.81+1470.24+94.80+5017.70+1726.12+2442.962=13941kN
4.4.2地震作用下框架侧移刚度计算
梁的线刚度计算如下表4.3
表4.3梁的线刚度计算
截面
b×h
(m2)
跨度
l
(m)
矩形截面惯性矩I0
(m4)
边框架梁
中框架梁
Ib=1.5I0
(m4)
Kb=EcIbl
(kN·m)
Ib=2.0I0
(m4)
Kb=EcIbl
(kN·m)
0.3×0.6
7.2
5.4×10-3
8.10×10-3
3.37×104
10.8×10-2
4.50×104
0.25×0.5
2.4
2.6×10-3
3.90×10-3
4.87×104
5.20×10-2
6.50×104
柱的线刚度如下表4.4
表4.4柱的线刚度表
层次
Ec(Nmm2)
b×hmm2
Icmm4
EcIc)
1
4850
3.0×104
500×500
5.21×109
3.68×104
2-4
3600
3.0×104
500×500
5.21×109
4.26×104
柱的侧移刚度计算如下表4.5
表4.5柱的侧移刚度计算
层次
截面
b×h
(m2)
层高
)
矩形截面惯性矩Ic
(m4)
线刚度
Kc=
(kN·m)
K=(一般层)
K=(底层)
(一般层)(底层)
A、D轴边框架边柱
2~4
0.5×0.5
3.6
5.21×10-3
4.83×104
0.70
0.26
13838
1
0.5×0.5
4.85
5.21×10-3
3.68×104
0.92
0.49
11980
A、D轴中框架边柱
2~4
0.5×0.5
3.6
5.21×10-3
4.83×104
0.93
0.32
17031
1
0.5×0.5
4.85
5.21×10-3
3.68×104
1.22
0.53
12958
B、C轴边框架中柱
2~4
0.5×0.5
3.6
5.21×10-3
4.83×104
1.40
0.41
21821
1
0.5×0.5
4.85
5.21×10-3
3.68×104
2.45
0.66
16136
B、C轴中框架中柱
2~4
0.5×0.5
3.6
5.21×10-3
4.83×104
2.69
0.57
30337
1
0.5×0.5
4.85
5.21×10-3
3.68×104
3.53
0.73
17847
表4.6各层D值汇总
2~4
(D值×根数)
1
(D值×根数)
边柱
A、D
13838×8
11980×8
A、D
17031×32
12958×32
中柱
B、C
21821×8
16136×8
B、C
30337×32
17847×32
∑D(kNm)
4.4.3自振周期计算
按顶点位移法计算,考虑填充墙对框架刚度的影响,取基本周期调整系数T=0.6。
计算公式为T1=1.7T,式中为顶点位移(单位为m),按D值法计算,见表4.7
表4.7横向框架定点位移计算
层次
Gi(kN)
∑Gi(kN)
Di
∆i-∆i-1=∑GiD(m)
∆i(m)
4
13755
23095
0.0139
0.1299
3
13755
36850
0.0222
0.1160
2
13755
50605
0.0305
0.0938
1
13941
64546
0.0588
0.0588
T1=1.7×0.6×=0.38s
4.4.4横向水平地震作用计算
对地震作用按6度计算,基本地震加速度0.05g、Ⅱ类场地,设计地震一组,则
Tg=0.45s,采用底部剪力法计算。
由于T1=0.38s<1.4Tg=1.4×0.45=0.63s,故不考虑顶点附加地震作用。
计算结果列于表4.8
结构底部剪力为:
FEK=max×0.85=0.12×0.85×64546=6583.69kN
表4.8各层地震作用及楼层地震剪力
层次
层高)
高度(m)
(kN)
Fi(kN)
(kN)
4
3.6
15.65
13755
194633
0.291
1915.85
3515.69
3
3.6
12.05
13755
149242
0.223
1468.16
4983.85
2
3.6
8.45
13755
103850
0.155
1020.47
6004.32
1
4.85
4.85
13941
59249
0.088
579.37
6583.69
4.4.5变形计算
表4.9变形验算
层次
层间剪力
Vi(kN)
层间刚度
Di
(m)
层高hi(m)
层间相对
弹性转角
备注
4
3515.69
0.00212
3.6
11557
3
4983.85
0.00301
3.6
11096
2
6004.32
0.00362
3.6
1912
1
6583.69
0.00599
4.85
1710
5内力计算
5.1恒荷载作用下的内力计算
以一榀中框架为例,恒载作用下的内力计算采用分层法,这里以顶层为例说明分层法的计算过程,其他层(中间层、底层)计算过程与顶层相同。
中柱的线刚度采用框架梁柱实际线刚度的0.9倍,按照固端弯矩相等的原则,先将梯形分布荷载及三角形分布荷载,化为等效为均布荷载。
顶层等效均布荷载为:
用弯矩分配法并利用结构的对称性取二分之一结构计算,各杆的固端弯矩为:
kN·m
kN·m
kN·m
标准层等效均布荷载为:
表5.1分层法分配系数及恒载作用下固端弯矩计算结果(kNm)
节点
单元
A
分配系数
位置
A下柱
A上柱
AB端
顶层
0.68
-
0.32
中层
0.4
0.4
0.2
底层
0.347
0.444
0.209
固端弯矩
顶层
-
-
-59.84
中间层
-
-
-65.01
底层
-
-
-65.01
节点
单元
B
分配系数
位置
BA端
B下柱
B上柱
BC端
顶层
0.259
0.550
-
0.191
中层
0.167
0.355
0.355
0.123
底层
0.181
0.300
0.385
0.134
固端弯矩
顶层
59.85
-
-
-5.04
中间层
65.01
-
-
-4.25
底层
65.01
-
-
-4.25
节点
单元
C
分配系数
位置
C端
C下柱
C上柱
CD端
顶层
0.259
0.550
-
0.259
中层
0.167
0.355
0.355
0.167
底层
0.181
0.300
0.385
0.181
固端弯矩
顶层
59.85
-
-
-59.85
中间层
65.01
-
-
-68.19
底层
65.01
-
-
-68.19
节点
单元
D
分配系数
位置
BC端
D下柱
D上柱
顶层
0.32
-
0.68
中层
0.2
0.4
0.4
底层
0.209
0.347
0.444
固端弯矩
顶层
59.85
-
-
中间层
68.19
-
-
底层
68.19
-
-
A下柱
AB
传递
BA
B下柱
BG端
传递
G端
0.68
0.32
0.259
0.550
0.191
--59.85
40.70
19.15
6.38
--3.98
--11.93
--25.34
---8.8
8.8
2.71
1.27
0.42
--0.11
--0.23
--0.08
43.41
-43.41
54.61
-25.57
--29.04
--1.28
将各层分层法求得的弯矩图叠加,可得整个框架在恒载作用下的弯矩图。
叠加后框架内各节点弯矩不一定达到平衡,为提高精度,可将节点不平衡弯矩再分配一次进行修正,修正后恒载作用下的弯矩图如图5.3所示。
并求得框架各梁柱的剪力和轴力如图5.4所示。
梁剪力表
A
B左
B右
C左
C右
D
4
58.21
-61.48
12.68
-12.52
62.59
-58.2
3
64.89
-65.13
11.40
-9.84
65.09
-64.93
2
64.64
-65.38
11.49
-9.75
65.44
-64.58
1
63.8
-66.22
11.89
-9.35
65.49
-64.57
柱轴力表
A柱
柱b*h
层高
容重
总重
G
A顶
A底
4
0.6*0.6
3.3
25
29.7
33.78
91.99
121.68
3
0.6*0.6
3.3
25
29.7
67.2
253.78
283.48
2
0.6*0.6
3.3
25
29.7
67.2
415.32
445.02
1
0.6*0.6
3.6
25
42.3
67.2
576.02
618.32
B柱
柱b*h
层高
容重
总重
G
B顶
B底
4
0.6*0.6
3.3
25
29.7
41.56
115.72
145.42
3
0.6*0.6
3.3
25
29.7
83.53
305.46
335.16
2
0.6*0.6
3.3
25
29.7
83.51
495.54
525.24
1
0.6*0.6
3.6
25
42.3
83.51
686.86
729.16