交大希望职业教育学院实验楼设计.docx
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目录
绪论 5
第1章设计基本资料 6
1.1.工程概况 6
第2章楼板、框架梁、柱、截面尺寸的初步估定 7
2.1.楼板厚度h 7
2.2.框架梁截面高度hb与宽度bb 7
2.3.框架柱截面高度hc与宽度bc 7
第3章结构布置及计算简图 9
3.1.柱网布置 9
3.2框架结构计算简图 10
第4章横向框架侧移刚度的计算 11
4.1.横梁线刚度的计算 11
4.2.纵梁线刚度的计算 11
4.3.柱线刚度的计算 11
4.4.各层横向侧移刚度计算 12
第5章重力荷载代表值的计算 16
5.1.屋面及楼面恒荷载计算 16
5.2.墙，门，窗重力荷载计算 17
5.2.1墙体荷载 17
5.2.2门窗荷载 17
5.3.梁柱自重计算 17
5.3.1梁柱平面布置图如图5-1所示 17
5.3.2单位长度梁，柱荷载（KN/m） 17
5.3.3门窗洞口面积及自重 18
5.4重力荷载代表值的计算 19
第6章横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算 22
6.1横向自振周期计算 22
6.1.1横向自振周期的计算。
22
6.1.2假想层剪力计算 22
6.1.3结构顶点的假想侧移计算 22
6.1.4基本自振周期的计算 23
6.2水平地震作用及楼层剪力的计算 23
6.2.1地震影响系数计算 23
6.2.2等效重力荷载代表值计算 24
6.2.3水平地震力的计算 24
6.2.4顶部附加地震作用力计算 24
6.2.5水平地震作用力及各楼层地震剪力计算 24
6.3水平地震作用下的位移验算 25
6.4水平地震作用下的框架内力计算 26
6.4.1反弯点高度计算 26
6.4.2梁端弯矩计算 27
6.4.3梁端剪力及柱轴力计算 27
第7章竖向荷载下框架内力计算 31
7.1计算单元 31
7.2计算简图 32
7.3荷载计算 33
7.3.1恒荷载计算 33
7.3.2活荷载计算 35
7.4框架内力计算 36
7.4.1恒载作用下梁固端弯矩 36
7.4.2活载作用下内力计算 37
7.4.3弯矩二次分配法计算梁柱弯矩 37
7.4.4梁端剪力及柱轴力计算 42
第8章横向框架内力组合 44
8.1结构抗震等级 44
8.2框架梁内力组合 44
8.2.1梁跨中最大弯矩 44
8.2.2梁强剪弱弯调整 45
8.2.3框架柱内力组合 56
第9章截面设计 69
9.1框架梁 69
9.1.1梁正截面受弯承载力计算 69
9.1.2梁斜截面受剪承载力计算 71
9.2框架柱 73
9.2.1剪跨比和轴压比验算 73
9.2.2柱正截面承载力计算 74
9.2.3柱斜截面受剪承载力计算 77
9.3框架梁柱节点核芯区截面抗震验算 78
第10章基础设计 80
10.1设计原始材料 80
10.2基础计算 80
10.2.1示意图 80
10.2.2设计参数 81
10.2.3计算过程 82
10.2.4计算结果 85
第11章结构电算 87
11.1使用软件及软件简介 87
11.2结构计算及计算结果输出 87
11.2.1PMCAD结构建模 87
11.2.2SATWE计算部分 91
11.2.3分析结果图形和文本显示 95
11.3绘制结构施工图 97
结论 98
绪论
毕业设计是大学本科教育培养计划中最后一个主要环节，也是最重要的综合性实践环节。
通过毕业设计，学生可以综合应用所学过的基础课，技术基础课及专业课知识和相应技能等。
毕业设计是一次对大学期间所学知识的全面总结与巩固的过程，更是培养学生解决具体的土木工程设计问题所需的综合能力和创新能力的过程。
实验楼是公共建筑，其规范要求比较严格，能体现处建筑和结构设计的很多重要的方面，选择实验楼建筑和结构设计，从而掌握实验楼设计的基本原理，妥善解决其功能关系，满足使用要求。
框架结构的设计始于欧美，二十世纪厚得到了世界各地大范围的使用，其结构建筑平面布置灵活，使用空间大。
延性较好。
其具有良好的抗震能力。
对实验楼有重要建筑结构非常适用。
能满足其较大的使用面积要求。
框架结构的研究，对于建筑的荷载情况，分析其受力，采用不同的方法分别计算出各种荷载作用下的弯矩、剪力、轴力，然后进行内力组合，挑选出最不利的内力组合进行截面的承载力计算，保证结构有足够的强度和稳定性。
本结构计算选用一榀框架为计算单元，采用手算的简化计算方法，其中计算框架在竖向荷载下的内力时使用的弯距二次分配法，不但使计算结果较为合理，而且计算量较小，是一种不错的手算方法。
本设计主要通过工程实例来强化大学期间所学的知识，建立一个完整的设计知识体系，了解设计总过程，通过查阅大量的相关设计资料，提高自己的动手能力。
鉴于水平有限，设计书中还存在不少缺点甚至错误，敬请老师批评和指正。
第1章设计基本资料
1.1.工程概况
1.1根据该实验楼的使用功能及建筑设计要求，进行了平立面及剖面的建筑设计，主体结构为5层，层高均为3.9m，无附属结构。
1.2地质、水文及气象资料：
地形较为平坦，基本风压为0.35KN/m，未发现地下水，本工程地震设防烈度为7度，地震分组为第2组，场地类别为第二类。
设计基本地震加速度0.10g，Tg=0.4s，αmax=0.08。
地震粗糙度为B类，土的重度为19KN/m³，孔隙比为0.8，地基承载力特征值160Kpa。
查阅《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》表6.1.2得框架抗震等级为三级抗震。
1.3填充墙采用200m厚的加气混凝土砌块，外墙一侧墙体外挂瓷砖，一侧为20mm厚抹灰。
内墙两侧使用20mm厚抹灰，女儿墙做法为200厚加气混凝土砌块，外墙面干挂磨干花岗石石板，内墙采用20mm厚抹灰。
门为实木门，门洞尺寸分别为1.0mx2.1m，1.2mx2.1m，1.5mx2.1m。
窗为铝合金窗，洞口尺寸为2.95mx2.9m及2.1mx2.4m。
1.4楼盖及屋盖均采用现浇钢筋混凝土结构，楼板厚度取100mm。
1.5混凝土：
梁柱板基础均使用C30混凝土。
1.6钢筋：
纵向受力钢筋采用热轧钢筋HRB335,其余采用热轧钢筋HPB300。
第2章楼板、框架梁、柱、截面尺寸的初步估定
2.1.楼板厚度h
根据《混凝土结构设计规范（GB50010-2010）》，主体结构共5层，层高均为3.9m，内外墙的做法：
采用200厚蒸压粉煤灰加气砼砌块（5.5KN/m3）,两侧均为20mm厚抹灰。
，楼层屋盖均为现浇钢筋砼结构。
楼板按连续双向板考虑。
板厚取120mm：
，满足要求。
2.2.框架梁截面高度hb与宽度bb
主梁应满足：
hb=（1/12~1/8）lb，lb为主梁的计算跨度；且hb不宜大于1/4主粱净跨。
lb可近似取为轴线间距，即lb=6600mm。
则AB跨横梁：
hb=（1/12~1/8）lb=（750~1125）mm，取梁高为800mm，梁宽b=300mm。
CE跨横梁：
hb=（1/12~1/8）lb=（575~862）mm，取梁高为600mm，梁宽b=300mm。
BC跨横梁：
取梁高为400mm，梁宽b=250mm。
纵梁：
hb=（1/12~1/8）lb=（550~825）mm，取梁高为600mm，梁宽为300mm。
2.3.框架柱截面高度hc与宽度bc
柱的截面尺寸一般根据轴压比限值按下列公式估算：
N=βFgEn（2-1）
Ac=N/[μN]fc（2-2）
式中：
N——柱组合的轴压力设计值；
β——考虑地震作用组合后柱轴压力增大系数，边柱取1.3，不等跨内柱取1.25，等跨内柱取1.2；
F——按简支状态计算的柱负载面积；
gE——折算在单位建筑面积上的重力荷载代表值，框架结构可近似取12~14kN/m2；
n——欲确定柱截面以上楼层的层数；
Ac——欲确定柱截面的面积；
[μN]——框架柱轴压比限值；根据《建筑结构抗震规范GB50001-2010》，一、二、三级抗震等级分别为0.6、0.7、0.8；
fc——混凝土轴心抗压强度设计值。
柱边长，非抗震设计时不宜小于250mm，抗震设计时不宜小于300mm；圆柱截面直径不宜小于350mm；柱剪跨比宜大于2；柱截面高宽比不宜大于3。
（1）首层：
F=6.6×9=59.4㎡，gE取12kN/㎡
N=1.2×59.4×12×4=3421.44kN
Ac=3421.44/（0.85×16.7×103）=0.241m2，
则取柱边长bc取为600mm；
（2）二~五层：
F=6.6×9=59.4㎡，gE取12kN/㎡
N=1.2×59.4×12×3=2566.08kN
Ac=2566.08/（0.85×16.7×103）=0.180m2，
则取柱边长bc取为600mm；
第3章结构布置及计算简图
3.1.柱网布置
经过对建筑功能、经济实用性、抗震要求等因素综合考虑后，采用框架结构形式。
其中：
楼、屋面结构：
采用现浇钢筋混凝土肋形屋盖。
楼梯结构：
采用现浇钢筋混凝土板式楼梯。
如图3-1所示
图3-1柱网布置图
3.2框架结构计算简图
框架结构计算简图如图3-2所示
图3-2框架结构计算简图
第4章横向框架侧移刚度的计算
4.1.横梁线刚度的计算
表4-1横梁线刚度
类别
bxh
Ec
1.5
2
AB跨
300x800
9000
CD跨
300x600
6900
BC跨
250x400
3000
4.2.纵梁线刚度的计算
表4-2纵梁线刚度
类别
bxh
Ec
所有
300x600
6600
4.3.柱线刚度的计算
表4-3柱线刚度
层次
hc
Ec
bxh
Ic
1
5200
2-5
3900
4.4.各层横向侧移刚度计算
其中：
和h分别为柱的线刚度和高度，α是考虑柱上下端节点弹性约束的修正系数。
，
①首层：
A-1，A-12（2根）
，
D-1，D-12（2根）
，
B-1，B-12（2根）
，
C-1，C-12（2根）
，
A-2~A-11（10根）
，
B-2~B-11（10根）
，
C-2~C-11（10根）
，
D-2~D-11（10根）
，
②二~五层：
A-1，A-12（2根）
，
D-1，D-12（2根）
，
B-1，B-12（2根）
，
C-1，C-12（2根）
，
A-2~A-11（10根）
，
B-2~B-11（10根）
，
C-2~C-11（10根）
，
D-2~D-11（10根）
，
，由《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》表3.4.2知该框架为横向侧向刚度规则。
由以上计算可得，横向框架层间侧移刚度如表4-4所示
表4-4横向框架层间侧移刚度
层次
1
2
3
4
5
664246
853364
853364
853364
853364
第5章重力荷载代表值的计算
本设计为五层实验楼建筑与结构设计，考虑到风荷载作用参与组合的内力与地震作用组合相比一般较小，对结构设计不起控制作用。
故本设计水平荷载仅考虑水平地震作用，未计算风荷载。
5.1.屋面及楼面恒荷载计算
根据《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》5.1.3条：
计算地震作用时，建筑的重力荷载代表值应取结构和构件自重标准值和各可变荷载组合值之和。
各可变荷载的组合值系数，应按表5.1.3采用。
一．屋面永久荷载标准值（不上人），参照《建筑结构荷载规范》
30厚细石混凝土保护层
SBS改性沥青卷材防水
20厚水泥砂浆找平层
150厚水泥蛭石保温层
100厚钢筋混凝土板
V型轻钢龙骨吊顶
合计
二．1~4层楼面
水磨石地面（包括水泥粗砂打底）
100厚钢筋混凝土板
V型轻钢龙骨吊顶
合计
三．屋面及楼面可变荷载标准值
不上人屋面均布活荷载标准值
楼面活荷载标准值
5.2.墙，门，窗重力荷载计算
5.2.1墙体荷载
墙体均为200厚加气混凝土砌块，外墙外挂瓷砖，内侧20mm抹灰，内墙两侧均为20mm，单位墙面重力荷载为：
外墙面：
内墙面：
5.2.2门窗荷载
木门单位面积重力荷载为，铝合金窗单位面积重力荷载
5.3.梁柱自重计算
5.3.1梁柱平面布置图如图5-1所示
图5-1梁柱平面布置
5.3.2单位长度梁，柱荷载（KN/m）
①梁：
梁自重+梁侧面层做法自重
AB跨：
梁高800mm，梁宽300mm，双面抹灰。
梁单位长度荷载为：
BC跨：
梁高400mm，梁宽250mm，双面抹灰。
梁单位长度荷载为：
CD跨：
梁高600mm，梁宽300mm，梁单位荷载为：
②柱：
柱自重+柱四周面层做法自重
600mmx600mm柱：
层次
构件
b
h
γ
β
g
L
n
G
ΣG
1~5
边横梁
0.3
0.8
25
1.05
6.871
9
24
1484.14
3836.56
0.3
0.6
5.153
6.9
中横梁
0.25
0.4
25
1.05
2.911
3
12
104.796
次梁
0.3
0.5
25
1.05
4.295
9
11
425.205
25
1.05
6.9
11
325.991
纵梁
0.3
0.6
25
1.05
5.153
6.6
44
1496.43
1
柱
0.6
0.6
25
1.1
10.798
5.2
48
2695.18
4716.57
2~5
柱
0.6
0.6
25
1.1
10.798
3.9
48
2021.39
梁柱重力荷载计算见表5-1所示
表5-1梁柱重力荷载计算表
5.3.3门窗洞口面积及自重
1-5层外墙窗洞口面积：
1层外墙洞口面积：
1-5层内墙窗洞口面积：
1层内墙窗洞口面积：
2层内墙窗洞口面积：
3-5层内墙窗洞口面积：
铝合金窗0.4，普通木门及玻璃门均为0.2
5.4重力荷载代表值的计算
①顶层重力荷载代表值
女儿墙自重=单位长度重x总长度
女儿墙为200厚加气混凝土砌块，外墙面干挂磨干花岗石板（0.7），内墙面为20mm抹灰：
则女儿墙自重为：
屋面恒载=单位面积重x总轴线面积=
梁自重=3836.559KN
半层高柱自重=1010.693KN
半层高砌体外墙自重:
半层高内墙自重:
半层门窗自重：
屋面活荷载：
0.5x1353.88=676.94KN
②3-4层重力荷载代表值计算
楼面恒载：
4603.92KN
梁自重：
3836.559KN
上半柱自重：
1010.693KN
下半柱自重：
1010.693KN
上下半层高内墙自重：
上下各半层砌体外墙自重：
231.792KN
上下各半层门窗自重：
169.632KN
楼面活荷载：
2.0x1353.88KN=2707.76KN
③2层重力荷载代表值
楼面恒载：
3.4x1353.88KN=4603.19KN
梁自重：
3836.559KN
上下半层柱自重：
2021.386KN
上下各半层砌体外墙自重：
231.792KN
上下各半层内墙自重：
上下各半层门窗自重：
169.632KN
楼面活荷载标准值：
2.0x1353.88KN=2707.76KN
④1层重力荷载标准值
楼面恒载：
3.4x1353.88KN=4603.19KN
梁自重：
3836.559KN
上下半层柱自重：
2358.284KN
上下半层砌体外墙自重：
上下各半层内墙自重：
上下各半层门窗自重：
169.632KN
楼面活荷载标准值：
2.0x1353.88KN=2707.76KN
各层重力荷载代表值如下图：
图5-1各质点的重力荷载代表值
第6章横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算
6.1横向自振周期计算
6.1.1横向自振周期的计算。
将各层重力荷载代表值作为假想为集中力作用在本层位置，以此计算各层位移和顶点位移。
6.1.2假想层剪力计算
（6-1）
6.1.3结构顶点的假想侧移计算
（6-2）
（6-3）
具体过程详见表6-1
表6-1结构顶点的假想侧移计算
层次
5
13347.25
13347.25
853364
15.6
264.1
4
13767.71
27114.96
853364
31.8
248.5
3
13767.71
40882.67
853364
47.9
216.7
2
13778.92
54661.59
853364
64.1
168.8
1
14865.15
69526.74
664246
104.7
104.7
6.1.4基本自振周期的计算
考虑填充墙对自震周期的影响，计算中取折减系数
6.2水平地震作用及楼层剪力的计算
根据《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》5.1.2-1：
高度不超过40m,以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。
6.2.1地震影响系数计算
根据本工程地震分组为第2组，场地类别为第二类，可查得本建筑地震特征周期Tg=0.4s。
（《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》表5.1.4-2）
根据本建筑抗震设防烈度为7°，可查得水平地震影响系数最大值。
（《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》表5.1.4-1）
由于，
6.2.2等效重力荷载代表值计算
6.2.3水平地震力的计算
6.2.4顶部附加地震作用力计算
因为。
故需要考虑顶部附加地震作用力。
，则查得顶部附加地震作用力系数为：
（《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》表5.2.1）
顶部附加地震作用力：
6.2.5水平地震作用力及各楼层地震剪力计算
，
各质点横向水平地震作用及楼层剪力计算见表6-2所示
层次
5
20.8
13347.25
277622.8
0.311
771.05
771.05
4
16.9
13767.71
232674.3
0.261
647.09
1418.14
3
13
13767.71
178980.23
0.261
498.33
1916.47
2
9.1
13778.92
125388.17
0.141
349.58
2266.05
1
5.2
14865.15
77298.78
0.087
215.7
2481.75
表6-2各质点横向水平地震作用计算
各质点水平地震作用及楼层剪力沿房屋高度的分布见图6-1.
图6-1横向水平地震作用及楼层地震剪力
6.3水平地震作用下的位移验算
水平地震作用下框架结构的层间位移和顶点位移以及层间弹性位移角分别按下式计算：
，，
计算过程及结果见表6-3。
层次
5
771.05
853364
0.904
11.203
3900
1/4314
4
1418.14
853364
1.662
10.299
3900
1/2347
3
1916.47
853364
2.246
8.637
3900
1/1736
2
2266.05
853364
2.655
6.391
3900
1/1469
1
2481.75
664246
3.736
3.736
5200
1/1392
表6-3横向水平地震作用下的位移验算
由表可见，最大层间弹性位移角发生在第一层，其值为1/1392<1/550，满足弹性层间位移角限值要求（《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》表5.5.1）。
6.4水平地震作用下的框架内力计算
框架柱端弯矩及剪力分别按下列公式计算：
柱端弯矩：
，，柱端剪力：
梁端弯矩：
，
柱轴力：
，梁端剪力：
具体过程及结构见表6-4~6-6
6.4.1反弯点高度计算
式中：
—标准反弯点高度修正系数；
—上、下层梁梁线刚度变化时反弯点高度比的修正值；
—上、下层层高变化时反弯点高度比的修正值。
以第三层中柱为例：
线刚度为8.308，m=5，n=3，，，，
，则：
，
6.4.2梁端弯矩计算
以第五层AB梁为例进行内力计算，其他梁算法相同。
6.4.3梁端剪力及柱轴力计算
以第五层AB梁和第三层边柱内力计算为例，其他梁柱算法相同。
，
水平地震作用下框架的弯矩图、梁端剪力图及柱轴力图，如图6-2图6-3所示。
层次
边柱（AB跨）
中柱（AB跨）
y
y
5
3.9
771.05
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