某中学教学楼四层钢筋混凝土框架结构设计.docx

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某中学教学楼四层钢筋混凝土框架结构设计

某中学教学楼四层钢筋混凝土框架结构设计

引言1

建筑设计说明2

2．1工程概括2

2．2工程设计依据2

2．3建筑设计的目的和要求2

2．4建筑平面设计3

建筑剖面设计8

建筑体型和立面的设计8

构造设计9

结构设计说明11

3．1工程概况11

3．2设计主要依据和资料11

3．3结构设计方案及布置13

3．4变形缝的设置13

3．5构件初估13

3．6基本假定与计算简图14

3．7荷载计算14

3．8侧移计算及控制14

3．9内力计算及组合15

3．10基础设计15

3．11施工材料15

3．12施工要求及其他设计说明16

4设计计算书16

4．1设计原始资料16

4．2结构布置及计算简图17

4．3荷载计算19

4．4地震作用计算30

4．5竖向荷载作用下框架内力计算41

4．6风荷载计算56

4．7内力组合58

4．8截面设计61

4．9楼板设计69

4．10楼梯设计74

4．11基础设计81

4．12纵向连续梁设计94

5电算部分99

结论154

致谢155

参考文献156

3结构设计说明

31工程概况

某中学教学楼设计要求建筑面积约2000--4000m23-4层经多方论证初步确定设为四层结构为钢筋混凝土框架结构

32设计主要依据和资料

com设计依据

a国家及江苏省现行的有关结构设计规范规程及规定

b本工程各项批文及甲方单位要求

c本工程的活载取值严格按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001执行

com设计资料

1房屋建筑学武汉工业大学出版社

2混凝土结构上下武汉理工大学出版社

3基础工程同济大学出版社

4建筑结构设计东南大学出版社

5结构力学人民教育出版社

6地基与基础武汉工业大学出版社

7工程结构抗震中国建筑工业出版社

8简明建筑结构设计手册中国建筑工业出版社

9土木工程专业毕业设计指导科学出版社

10实用钢筋混凝土构造手册中国建筑工业出版社

11房屋建筑制图统一标准BG50001-2001中国建筑工业出版社

12建筑结构制图标准BG50105-2001中国建筑工业出版社

13建筑设计防火规范GBJ1687中国建筑工业出版社

14民用建筑设计规范GBJI0I8-7中国建筑工业出版社

15综合医院建筑设计规范JGJ49-88中国建筑工业出版社

16建筑楼梯模数协调标准GBJI0I-87中国建筑工业出版社

17建筑结构荷载规范GB5009-2001中国建筑工业出版社

18建筑结构可靠度设计统一标准GB50068-2001中国建筑工业出版社

19混凝土结构设计规范GB500102002中国建筑工业出版社

20地基与基础设计规范GB5007-2002中国建筑工业出版社

21建筑抗震设计规范GB500112001中国建筑工业出版社

22砌体结构中国建筑工业出版社

23简明砌体结构设计施工资料集成中国电力出版社

24土木工程专业毕业设计指南中国水利水电出版社

25土建工程图与AutoCAD科学出版社

26简明砌体结构设计手册机械工业出版社

27砌体结构设计手册中国建筑工业出版社

28砌体结构设计规范GB500102002中国建筑工业出版社

本工程采用框架结构体系抗震等级为四级本工程耐火等级为二级其建筑构件的耐火极限及燃烧性能均按民用建筑设计规范GBJI0I8-7执行

全部图纸尺寸除标高以米为单位外均以毫米为单位本工程结构图中所注标高均为结构标高

33结构设计方案及布置

钢筋混凝土框架结构是由梁柱通过节点连接组成的承受竖向荷载和水平荷载的结构体系墙体只给围护和隔断作用框架结构具有建筑平面布置灵活室内空间大等优点广泛应用于电子轻工食品化工等多层厂房和住宅办公商业旅馆等民用建筑因此这次设计的成集中学教学楼采用钢筋混凝土框架结构

按结构布置不同框架结构可以分为横向承重纵向承重和纵横向承重三种布置方案

本次设计的教学楼采用横向承重方案竖向荷载主要由横向框架承担楼板为预制板时应沿横向布置楼板为现浇板时一般需设置次梁将荷载传至横向框架横向框架还要承受横向的水平风载和地震荷载在房屋的纵向则设置连系梁与横向框架连接这些联系梁与柱实际上形成了纵向框架承受平行于房屋纵向的水平风荷载和地震荷载

34变形缝的设置

在结构总体布置中为了降低地基沉降温度变化和体型复杂对结构的不利影响可以设置沉降缝伸缩缝和防震缝将结构分成若干独立的单元

当房屋既需要设沉降缝又需要设伸缩缝沉降缝可以兼做伸缩缝两缝合并设置对有抗震设防要求的的房屋其沉降缝和伸缩缝均应该符合防震缝的要求并进可能做到三缝合一

35构件初估

com柱截面尺寸的确定

柱截面高度可以取H为层高柱截面宽度可以取为选定柱截面尺寸为500mm×500mm

com梁尺寸确定

框架梁截面高度取梁跨度的l8l12该工程框架为纵横向承重根据梁跨度可初步确定框架梁300mm×600mm

com楼板厚度

楼板为现浇双向板根据经验板厚取130mm

36基本假定与计算简图

com基本假定

第一平面结构假定该工程平面为正交布置可认为每一方向的水平力只由该方向的抗侧力结构承担垂直于该方向的抗侧力结构不受力

第二由于结构体型规整布置对称均匀结构在水平荷载作用下不计扭转影响

com计算简图

在横向水平力作用下连梁梁对墙产生约束弯矩因此将结构简化为刚结计算体系计算简图如后面所述

37荷载计算

作用在框架结构上的荷载通常为恒载和活载恒载包括结构自重结构表面的粉灰重土压力预加应力等活荷载包括楼面和屋面活荷载风荷载雪荷载安装荷载等

高层建筑水平力是起控制作用的荷载包括地震作用和风力地震作用计算方法按《建筑结构抗震设计规范》进行对高度不超过40m以剪切为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构可采用底部剪力法

竖向荷载主要是结构自重恒载和使用荷载活载结构自重可由构件截面尺寸直接计算建筑材料单位体积重量按荷载规范取值使用荷载活荷载按荷载规范取值楼面活荷载折减系数按荷载规范取用

38侧移计算及控制

框架结构的侧移由梁柱杆件弯曲变形和柱的轴向变形产生的在层数不多的框架中柱轴向变形引起的侧移很小可以忽略不计在近似计算中一般只需计算由杆件弯曲引起的变形

当一般装修标准时框架结构在地震作用下层间位移和层高之比顶点位移与总高之比分别为16501700

框架结构在正常使用条件下的变形验算要求各层的层间侧移值与该层的层高之比不宜超过1550的限值

39内力计算及组合

com竖向荷载下的内力计算

竖向荷载下内力计算首先根据楼盖的结构平面布置将竖向荷载传递给每榀框架框架结构在竖向荷载下的内力计算采用分层法计算各敞口单元的内力然后在将各敞口单元的内力进行叠加连梁考虑塑性内力重分布而进行调幅按两端固定进行计算

com水平荷载下的计算

利用D值法计算出框架在水平荷载作用下的层间水平力然后将作用在每一层上的水平力按照该榀框架各柱的刚度比进行分配算出各柱的剪力再求出柱端的弯矩利用节点平衡求出梁端弯矩

com内力组合

第一荷载组合荷载组合简化如下

1恒荷载活荷载2恒荷载风荷载3恒荷载活荷载风荷载4恒荷载地震荷载活荷载

第二控制截面及不利内力框架梁柱应进行组合的层一般为顶上二层底层混凝土强度截面尺寸有改变层及体系反弯点所在层

框架梁控制截面及不利内力为支座截面－MV跨中截面M

框架柱控制截面为每层上下截面每截面组合M及相应的NVN及相应MVNmin及相应MV

310基础设计

在荷载作用下建筑物的地基基础和上部结构3部分彼此联系相互制约设计时应根据地质资料综合考虑地基基础上部结构的相互作用与施工条件通过经济条件比较选取安全可靠经济合理技术先进和施工简便的地基基础方案根据上部结构工程地质施工等因素优先选用整体性较好的独立基础

311施工材料

第一本工程中所采用的钢筋箍筋为Ⅰ级钢fy210Nm㎡主筋为Ⅱ级钢

fy300Nm㎡

第二柱梁钢筋混凝土保护层为35mm板为15mm

第三钢筋的锚固和搭接按国家现行规范执行

第四本工程所有混凝土强度等级均为C30

第五墙体外墙及疏散楼梯间采用240厚蒸压灰砂砖

第六当门窗洞宽≤1000mm时应采用钢筋砖过梁两端伸入支座370并弯直钩门窗洞宽≥1000mm时设置钢筋混凝土过梁

312施工要求及其他设计说明

第一本工程上部楼板设计时未考虑较大施工堆载均布当外荷载达到30Knm时应采取可靠措施予以保护

第二本工程女儿墙压顶圈梁为240mm×120mm内配4φ8φ6250构造柱为240mm×240mm内配4φ10φ6250间隔不大于2000mm

第三施工缝接缝应认真处理在混凝土浇筑前必须清除杂物洗净湿润在刷2度纯水泥浆后用高一级的水泥沙浆接头再浇筑混凝土

第四未详尽说明处按相关规范执行

4设计计算书

41设计原始资料

1冬季主导风向东北平均风速26ms夏季主导风向东南平均风速26ms最大风速237ms

2常年地下水位低于-13m水质对混凝土没有侵蚀作用

3最大积雪厚度032m基本雪压SO04KNM2基本风压WO04KNM2土壤最大冻结深度009m

4抗震设防烈度6度设计地震分组第三组

5地质条件

序号岩石名称厚度FakMPa1耕土11---2黏土282503黏土94110

42结构布置及计算简图

根据该房屋的使用功能及建筑设计的需求进行了建筑平面立面及剖面设计其各层建筑平面剖面示意图如建筑设计图主体结构4层层高均为39m

填充墙面采用240mm厚的灰砂砖砌筑门为木门窗为铝合金窗门窗洞口尺寸见门窗表

楼盖及屋盖均采用现浇钢筋混凝土结构楼板厚度取130mm梁载面高度按梁跨度的11218估算由此估算的梁载面尺寸见表1表中还给出柱板的砱强度等级C30fc143Nmm2ft143Nmm2

表1梁截面尺寸

层次砼强度横梁bh纵梁bhAB跨BC跨CD跨1-4C30300600250500300600250500

柱载面尺寸可根据式NβFgEnAc≥N[UN]fc估算表2查得该框架结构在30m以下抚震得级为三级其轴压比值[UN]09

表2抗震等级分类

结构类型烈度6789框架结构高度m≤30＞30≤30＞30≤30＞30≤25框架四三三二二一一剧场体育等三二一一

表3轴压比限值

结构类型抗震等级一二三框架结构070809柱截面尺寸柱截面高度可取h115-120HH为层高柱截面高度可取b1-23h并按下述方法进行初步估算

a框架柱承受竖向荷载为主时可先按负荷面积估算出柱轴力再按轴心受压柱验算考虑到弯矩影响适当将柱轴力乘以12-14的放大系数

b对于有抗震设防要求的框架结构为保证柱有足够的延性需要限制柱的轴压比柱截面面积应满足下列要求

c框架柱截面高度不宜小于400mm宽度不宜小于350mm为避免发生剪切破坏柱净高与截面长边之比不宜大于4

根据上述规定并综合考虑其他因素设计柱截面尺寸取值统一取500500mm

基础采用柱下条形基础基础距离室外地平05室内外高差为045框架结构计算简图如图所示取顶层柱的形心线作为框架柱的轴线梁轴线取至板底2-4层柱高度即为层高39m底层柱高度从基础顶面取至一层板底即h13904505485m框架计算简图见图1

图1框架计算简图

43荷载计算

com恒载标准值计算

屋面刚性防水屋面有保温层苏J01-2005127

40厚C20细石砼内配直径4间距150双向钢筋08kNm2

20厚13水泥砂浆找平002x2004kNm2

70厚水泥防水珍珠岩块或沥青珍珠岩保温层

007x1007kNm2

20厚13水泥砂浆找平层002x2004kNm2

100厚结构层　　　　　　　　　　　　　　01x2525kNm2

12厚板底抹灰　　　　　　　　　　　　　0012x2025kNm2

合计　　　　　　　　　482kNm2

楼面

水磨石地面10mm面层20mm水泥砂浆打底素水泥打底

065kNm2

130厚钢筋砼板　　　　　25×013325kNm2

12厚水泥沙浆　　　　　　　　　　　　　　0012×2025kNm2

合计　　　　　　　　　　414kNm2

梁自重

边跨梁bXh300×600mm

梁自重25×03×06-013375kNm

抹灰层12厚水泥砂浆

＜0012×06-013×20012×03＞×20＝0312kNm

合计4062kNm2

中间跨梁bXh250×500mm

梁自重25×025×05-013300kNm

抹灰层12厚水泥砂浆

＜0012×05-013×20012×025＞×20＝026kNm

合计326kNm2

柱自重　bXh500×500mm

柱自重25×050×050625kNm

抹灰层12厚水泥砂浆0012×050×4×20＝048kNm

合计673kNm

外纵墙自重

标准层

纵墙240灰砂砖

楼面教室20

走道25

第二雪荷载　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　04

屋面活荷载与雪荷载不同时考虑两者中取大值

com竖向荷载下框架受荷总图

本次设计的教学楼纵向柱距为450m横梁跨度为690m单区格板为450m×690mL1L2152所以按双向板传递荷载板上荷载分配如图２所示

图2板面荷载分配图

图3计算单元的选取

第一A-B轴间框架

　屋面板荷载

　板传至梁上的三角形和梯形荷载等效为均布荷载

　恒载　

　活载

楼面板荷载

恒载　

活载

梁自重

A-B轴间框架梁均布荷载屋面梁恒载梁自重板传荷载

活载板传荷载

楼面梁恒载梁自重板传荷载

活载板传荷载

第二B-C轴间框架梁均布荷载

　屋面板传荷载

　恒载　

　活载

楼面板荷载

恒载　

活载

梁自重

B-C轴间框架梁均布荷载屋面梁恒载梁自重板传荷载

活载板传荷载

楼面梁恒载梁自重板传荷载墙自重

活载板传荷载

第三C-D轴间框架梁均布板荷载同A-B轴

第四A柱纵向集中荷载计算

顶层柱

女儿墙自重做法墙高900mm100mm砼压顶

顶层柱恒载梁自重板传荷载板传荷载

标准层柱

标准层柱恒载墙自重梁自重板传荷载

第五B柱纵向集中荷载计算

顶层柱

顶层柱恒载梁自重板传荷载

标准层柱

标准层柱恒载内纵墙自重梁自重板传荷载

基础顶面恒载底层内总墙基础梁自重

结构在进行梁柱的布置时柱轴线与梁的轴线不重合因此柱的竖向荷载对柱存在偏心框架的竖向荷载及偏心距如图4所示

图4框架竖向荷载图

com重力荷载代表值计算

结构的重力荷载代表值应取结构和构件自重标准值加上各可变荷载组合值即

其中可变荷载为雪荷载

屋面活载

楼面活载教室

走道

屋面处的重力荷载代表值的计算

女儿墙的计算

屋面板结构层及构造层自重的标准层

顶层的墙重

其余层楼面处重力荷载代表值计算

底层楼面处重力荷载代表值计算

屋顶雪荷载标准值

楼面活荷载标准值

总重力荷载标准值

44地震作用计算

com横向框架侧移刚度计算

横梁线刚度ib计算过程见下表4柱线刚度ic计算见表5

表4横梁线刚度ib计算表

层次类别Ec

Nmm2b×hmm2Iomm4LmmEcIoL

Nmm15EcIoL2EcIoL1-4AB跨30×104300×60054×10963002．57×1010385×10105．14×1010BC跨30×104250×5002．6×10921003．71×10105．57×

10107．43×1010

表5柱线刚度ic计算表

层次hcmmEcNmm2b×hmm2Icmm4EcIchcNmm1485030×104500×5003．22×10102-4390030×104500×5004．00×1010

取BC跨梁的相对线刚度为10则其他为

AB跨BC跨1层柱2-4层柱

相对刚度I06910043054

框架梁柱的相对线刚度如图4作为计算各节点杆端弯矩分配系数的依据

图5计算简图

柱的侧移刚度按式Dαc计算式由系数αc为柱侧移刚度修正系数由相关的表可查根据梁柱线刚度比的不同例如中框架柱分中柱和边柱边柱梁分中柱和边柱等现以第2层B-3柱的侧移刚度计算为例其余见表6

表6框架柱侧移刚度

AD轴中框架边柱

层次线刚度一般层一般层根数底层底层13．22×10101．580581954462-44．00×10101270388122456

A-15D-15轴边框架边柱

层次αcDi根数13．22×1010119053870642-44．00×10100．95032100994

BC轴中框架中柱

层次αcDi根数13．22×10104．3607641255062-44．00×10103．140611192786

BC轴边框架中柱

层次αcDi根数13．22×10103．2707151174542-44．00×10102．620567178934

把上述不同情况下同层框架柱侧移刚度相加即得框架各层间侧移刚度∑Di见下表

横向框架层间侧移刚度Nmm

层次12345

∑Di214368305882305882305882305882

com振周期计算

横向地震自振周期利用顶点假想侧移计算计算过程见表7

表7结构顶点的假想侧移计算

层次GikNVikN∑DiNmmΔμimmμimm44139413930588213．5177．8348849023305882295164．3248841390730588245．5134．8152331914021436889．389．3

按式T117计算基本周期T1其中μT的量纲为m

取07则

T117×07×0502S

com横向水平地震力计算

本工程中结构不超过40m质量和刚度沿度分布比较均匀变形以剪切型为主故可用底部剪力法计算水平地震作用结构总水平地震作用标准值按式FEKα1Gep计算即

Gep085∑G1

085×19140

16269kN

由于该工程所在地抗震设防烈度为6度场地类别为Ⅱ类设计地震分组为第三组则

则

式中r---衰减指数在的区间取09---阻尼调整系数除有专门规定外建筑结构的阻尼比应取005相应的

因14Tg14×045063T10502S则取为0

FI1-δnFiVi43916554139685000345202072020733912654884617826031118215384222398754884427350215125935101514854855233253800128749758512

各质点水平地震作用及楼层地震剪力沿房屋高度的分布如图56

图6水平地震作用分布图7层间剪力分布

com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μi分别按式

和μΔμk计算

计算过程见表9表中还计算了各层的层间弹性位移角Δμihi

表9横向水平地震作用下的位移验算

层次ViDi△μiμihiθe420207305882066632390015909338422305882126566390013095251015305882167440390012335158512214368273273485011777由表9可见最大层间弹性位移角发生在第1层其值为15909＜1550满足式Δμe≤[θe]h的要求其中[Δμh]1550由表查得

com水平地震作用下框架内力计算

水平地震作用下的内力采用改进的反弯点法框架柱端剪刀及等矩分别按式Vij计算其中Dij取自表∑Dij取自表5层间剪刀取自表7各柱反弯点高度比y按式yyny1y2y3确度各修正值见表10各层柱剪力计算见表9

表10柱剪力计算

层次A轴柱B轴柱C轴柱D轴柱

第

四

层

同A轴

同B轴

第

三

层

同A轴

同B轴层次A轴柱B轴柱C轴柱D轴柱

第

二

层

同A轴

同B轴

第

一

层

同A轴

同B轴

表11各柱的反弯点高度

层次A轴柱B轴柱C轴柱D轴柱

第

五

层

同A轴

同B轴

第

四

层

同A轴

同B轴

第

三

层

同A轴

同B轴

第

二

层

同A轴

同B轴层次A轴柱B轴柱C轴柱D轴柱

第

一

层

同A轴

同B轴

梁端弯矩剪力及柱轴力发别按下式计算

VbMb1Mb2l

Ni

表12横向水平地震作用下A轴框架柱

层号48．090．36420．0711．48315．380．4532．9926．99220．410．46442．6736．93126．10．58752．2874．31

表13横向水平地震作用下B轴框架柱

层号413．260．4528．4423．27325．360．5049．4549．45230．670．5059．8159．81134．260．5574．7791．39

结果如图8图9图10

图8地震作用下的框架弯矩图

图9地震作用下的框架剪力图

图10地震作用下的框架轴力图

45竖向荷载作用框架内力计算

竖向荷载作用下的内力一般可采用近似法有分层法弯矩二次分配法和迭代法当框架为少层少跨时采用弯矩二次分配法较为理想这里竖向荷载作用下的内力计算采用分层法

竖向荷载作用下框架的内力分析除活荷载较大的工业与民用建筑可以不考虑活荷载的不利布置这样求得的框架内力梁跨中弯距较考虑活载不利布置法求得的弯局偏低但当活载占总荷载的比例较小时其影响很小若活荷载占总荷载的比例较大时可在截面配筋时将跨中弯距乘以1112的较大系数

框架横梁均布恒荷载活荷载可从前面荷载计算中查得具体数值见图10其中框架柱的相对线刚度除底层柱之外其于各层乘以09

图11横向框架荷载作用图

由于柱纵向集中荷载的作用对柱产生偏心在恒荷载和活荷载的作用下的偏心矩如图121