毕业论文范文——沈阳市建筑学校4号教学楼上部结构设计

江西科技学院本科生毕业论文（设计） 密级： 学号：本科生毕业论文（设计）沈阳市建筑学校4号教学楼上部结构设计学 院： 土木工程学院 专 业： 土木工程 班 级： 学生姓名： 指导老师： 完成日期： 摘 要现代工程实中框架结构是建筑常采用的结构体系。它平面布置灵活.墙体只分隔与围护的作用，门窗开置的大小、形状都比较自由。所以，框架结构多适用于教室、教学楼等房屋建筑。本毕业设计工程为沈阳市建筑学校4号教学楼上部结构设计，主体建筑为四层框架结构体系。本文教学楼楼进行结构设计。结构设计主要综合考虑了结构在恒载、活载、风荷载和地震荷载作用下的情形，载分析结构在风荷载和地震荷载作用下横向的各种性能。结构计算过程主要采用手算，包括弯矩二次分配法进行竖向荷载作用下弯矩、轴力和剪力的计算、竖向荷载和水平地震作用下内力的组合。具体计算了结构的梁柱弯矩、轴力及剪力，进行相应的内力组合，由此进行了截面设计。现浇楼板屋盖采用双向板布置，最后完成楼梯的设计，楼梯采用板式楼梯。 关键词：框架结构；内力组合；双向板；板式楼梯AbstractModern engineering construction in the solid frame structure is often adopts the structure of the system. It flexible layout. The wall space and the role of the palisade, only the size of the doors and Windows open place, shapes are free. So, the frame structure more suitable for classroom, office buildings and other buildings.This graduation design project for the shenyang architectural schools teaching building 4 upper structure design, the main building for four layers framework structure system. In this paper, the building floor for structural design. Were considered in structure design of main structure under dead load, live load, wind load and earthquake loads, load analysis of the structure under wind load and earthquake load properties of the transverse. Structure calculation process by hand, including the bending moment secondary distribution method for vertical load under the action of bending moment and axial force and shear force calculation, vertical load and horizontal earthquake under the action of internal force combination. Concrete structure are calculated by beam bending moment and axial force and shear force, internal force of the corresponding combination, cross section design. Cast-in-place floor roof use bidirectional board layout, finally completed the design of stair, stairs using plate stairs.Key words: frame structure; Internal force combination; Two-way slab; Plate stairs目 录第1章 工程概况说明11.1 建筑概况11.2 设计资料11.2.4 工程地质条件11.2.2 气象资料11.3 建筑内容11.3.1 平面功能设计:11.3.2 房间布置：11.3.3 安全设施：21.4 建筑要求2第2章 结构选型说明32.4 结构选型32.4.1 结构体系选型：32.4.2 其它结构选型32.2 框架结构计算3第3章 框架截面尺寸的初步确定53.1 标准层平面布置图53.2 确定框架计算简图 53.3 梁柱截面初步确定63.4 框架柱截面尺寸6第4章 荷载计算74.1 屋面横梁竖向线荷载标准值74.2 楼面横梁竖向线荷载标准值84.3 架节点的集中荷载的标准值84.4 楼面的框架节点的集中荷载的标准值94.5 风荷载104.6 地震作用荷载统计114.7 地震作用计算13第5章 框架内力计算165.1 节点分配系数计算175.2 杆件固端弯矩185.3 节点固端弯矩195.4 内力计算195.4.1 恒载作用下框架内力计算195.4.2 活载作用下的框架内力245.5 风荷载作用下的位移、内力计算305.6 地震作用下横向框架的内力计算35第6章 框架内力组合396.1 弯矩调幅计算396.2 框架梁内力组合406.3 框架柱内力组合43第7章 框架梁、柱截面设计477.1 基本理论477.2 梁、柱截面承载力及配筋计算47第8章 现浇楼面屋面板设计648.1 楼面板计算配筋658.2 屋面板计算配筋68第9章 楼梯结构设计计算719.1 梯段板计算719.2 休息平台板计算729.3 梯段梁TL1计算73参考文献74致 谢7578第1章 工程概况说明1.1建筑概况该建筑物为四层钢筋混凝土框架结构体系，总建筑面积约2400m2。首层及底层建筑层高为3.6m，其余各层建筑层高为3.6m。室内外高差：450mm。建筑设计使用年限50年。1.2设计资料1.2.4工程地质条件根据建筑场地的地质钻孔资料，场区杂填土土层厚度=0.5m，层底高程=-0.5m，承载力特征值aka=80Kpa；粘土土层厚度=1.3m，层底高程=-1.8m，承载力特征值aka=280Kpa；场地土的特征周期（卓越周期）为0.250s，勘测时间，勘测范围内未见地下水。1.2.2气象资料气温：气温最热月平均33，最冷月平均-1，夏季极端最高41,冬季极端最低10 。雨量：年终雨量1450mm，日最大降水强度19mm/d。基本风压：W0=0.255 kN/m2。基本雪压：0.6 kN/m2。1.3建筑内容1.3.1平面功能设计:本教学楼中间设为走廊，房屋前后均有设采光及兼作通风的窗，走廊宽2.4m，满足师生的通行需求以及疏散需求。教学楼底层一共设有三个入口，一个正前方的正大门，两个两侧的侧门。主体内各楼层均设有三个楼梯，各有单独的入口，具体式详见施工建筑图。1.3.2房间布置：本教学楼楼主要设有教室；每层有几个较小的教室与适度的男女卫生间；满足每层办公人员的主要需求；房间基本为南北向布置，均在外侧设有高度相等的窗户，满足采光通风美观等设计要求。1.3.3安全设施：紧急情况疏散人群要求方面：最远房间门楼梯在5m左右，三个楼梯加起来最多可让9个人并列通过，符合建筑设计规范要求。防火要求方面：在各个楼道口均设有消防栓1.4建筑要求结构设计正常使用年限为50年。第2章 结构选型说明2.4结构选型2.4.1结构体系选型：采用钢筋混凝土现浇框架结构体系体系。对于四层的教学楼，可采用钢筋混凝土框架结构、混合结构、底层框架或内框架砖房结构。该建筑要求布置灵活，同时考虑该建筑处于7度地震区，选用框架结构。由于结构承受纵横向水平地震作用，因此选纵横向承重框架。2.4.2其它结构选型1）屋面结构：采用现浇混凝土板作承重结构。屋面为不上人屋面。2）楼层结构：采用现浇混 凝土结构。3）楼梯结构：双跑楼梯。2.2框架结构计算1)确定框架的计算简图假设框架柱嵌固于基础上，框架梁与框架柱刚接。由于各层柱的截面尺寸一样，因此梁跨等于柱截面行心轴线之间的距离。底层柱高 从基础顶面算至二楼楼面，故底层柱高为4.9m，其余各层的柱高从楼面算至上一层楼面，故均为3.6m。故可绘出计算简图。多层框架为超静定结构，在内力计算之前，预先估算梁、柱截面尺寸与结构所才的材料强度等级，求得框架中各杆件的线刚度与相对线刚度。2)梁柱的截面尺寸大致根据下列公式估算：框架梁：h=L/(812)，b=h/(23)框架柱：3)荷载计算把板划分为双向板计算。取荷载的标准值均查阅规范而来。4)计算线刚度用公式I=EI/L计算，但在计算梁的刚度时，边梁要乘1.5，中间梁要乘2，这是考虑到楼板对翼缘所起的约束作用。5)内力计算恒荷载和活荷载的内力计算均采用力矩分配法，活荷载选取满跨布置来计算。风荷载以及地震荷载采用反弯点法。6)内力组合各种框架情况下的内力求和后，根据最不利又是可能的原则进行内力组合。考虑结构塑性内力重分布有利影响时，在内力组合之前应对竖向荷载作用下的内力进行调幅。当有地震作用时，应考虑恒荷载、活荷载的组合以及重力荷载代表值和地震作用进行组合，比较这两种组合内力，取不利者。由于构件控制截面的内力值应取支坐边缘处，为此，先计算各梁的控制截面处的内力值。也可采用轴线处的内力值，这样计算得的钢筋用梁比需要的钢筋用梁略多一点。7)梁柱截面设计：梁主要验算正、斜截面的承载力，柱主要验算轴压比和正、斜截面的承载力。在验算时活荷载按满跨布置。第3章 框架截面尺寸的初步确定3.1标准层平面布置图图3.1 标准层平面布置图3.2 确定框架计算简图选一榀框架进行计算，假定框架柱嵌固于基础顶面，框架梁与柱刚接。由于各层柱的截面尺寸不变，故梁跨等于柱截面形心轴线之间的距离。底层柱高从基础顶面算至二楼楼面，故底层柱高为4.9m二至四层柱高为3.6m。由此可绘出框架的计算简图见下所示：图3.2计算简图3.3梁柱截面初步确定梁的截面尺寸主梁： h=（1/121/8）L=500mm750mm 取h=600mm b=（1/31/2）h=200mm300mm 取b=250mm连系梁： h=（1/121/8）L=400mm600mm 取h=400mm b=（1/31/2）h=130mm250 取b=250mm3.4框架柱截面尺寸柱截面尺寸根据式估算。式中 考虑地震荷载组合时柱的轴力设计值， 弯矩对框架柱轴力的影响，中柱扩大系数取1.1，边柱取1.2 。 轴压比。柱轴压比不宜超过建筑设计抗震规范1的规定。 ，为该柱承担的楼面荷载面积近似按1/2柱距划分。 柱：b=400mm，h=400mm 第4章 荷载计算荷载计算简图见下所示： 图4.1恒载图 图3.84活载图4.1屋面横梁竖向线荷载标准值屋面恒载标准值：防水层 0.4 kN/m2找平层：20厚1：3 水泥砂浆找平层 0.0220=0.4kN/m2防腐隔热：35厚架空隔热板 0.03525=0.875kN/m2结构层：100厚现浇钢筋混凝土板（加抹灰） 0.126=2.9kN/m2 屋面恒载标准值 4.47kN/m2梁自重边跨AB、CD跨 0.2500.6026=3.9kN/m中跨BC跨 0.250.426=2.9kN/m 作用在顶层框架梁上的线恒荷载标准值为：梁自重 3.9kN/m，2.9kN/m板传来的荷载 4.473.84 =21.44kN/m4.472.4=10.72kN/m活载作用在顶层框架梁上的线活荷载标准值为：=0.73.84=3.22kN/m=0.72.4=1.68kN/m 3.84楼面横梁竖向线荷载标准值恒载30厚水泥砂浆层 0.60kN/m2结构层:100厚现浇钢筋混凝土板（加抹灰） 0.126=2.9kN/m2 楼面恒载标准值 3.2kN/m2边跨框架梁自重 AB、CD跨 3.9kN/m BC跨 2.9kN/m板传来荷载 =3.23.84=15.36kN/m=3.22.4=6.648kN/m活载=23.84=9.6kN/m=22.4=3.84kN/m4.3架节点的集中荷载的标准值图4.3恒载顶层集中力恒载 边跨连系梁自重 0.250.63.8426=18.72kN连系梁传来的屋面自重 0.53.840.53.844.47=25.75kN_ 顶层边的节点集中荷载 =44.47kN 中柱的连系梁自重 0.250.63.8426=18.78kN连系梁传来的屋面自重 0.53.840.53.844.47=25.75kN 0.5(3.84+3.84-2.4)2.4/24.47=19.31kN_ 顶层中节点集中荷载 =63.78kN活载 =0.53.840.53.840.5=2.88kN=0.53.840.53.840.5+0.5(3.84+3.84-2.4)2.4/20.5=5.04kN4.4楼面的框架节点的集中荷载的标准值 图4.4 恒载中间层节点集中力恒载(未考虑填充墙重量) 边柱连系梁自重 18.72kN连系梁传来的楼面自重 0.53.840.53.843.2=19.63kN _ 36.15kN中间层边节点集中荷载框架柱自重 =36.15kN=0.40.43.626=14.98kN_ 中柱连系梁自重 18.72kN连系梁传来的楼面自重 0.53.840.53.843.2=19.63kN 0.5(3.84+3.84-2.4)2.4/23.2=13.82kN_ 50.97kN中间层中节点集中荷载柱传来的集中荷载 =50.97kN=14.98kN活载 =0.53.840.53.842=9.6kN =0.53.840.53.842.0+0.5(3.84+3.84-2.4)2.4/22.0 =20.16kN4.5风荷载本地的风荷载的基本风压 =0.55，本设计工程位于市区内，所以地面粗糙度类别为C类。按荷载规范可得公式：结构的总高度为14.7m大于30m且高宽比大于1.5，风振系数 =1.0 。具体计算数值见下表4.1表4.1 风荷载的计算楼层41.00.551.3015.60.558.643 .8331.00.551.3012.00.5517.247 .6621.00.551.308.500.5517.287 .6611.00.551.304.900.5520.409.04风荷载作用下的框架受力图： 图4.5横向框架上的风荷载4.6 地震作用荷载统计建筑物重力荷载代表值的计算在进行重力荷载代表值得计算时，根据抗震规范的重力代表值取结构和构配件的标准值与可变荷载的组合值之和。其中，楼面的活载系数组合值取0.5，屋面的雪荷载组合值取0.5，屋面的活载不考虑。（1） 集中在屋盖处的质点重力荷载代表值：50%雪荷载 0.543.214.4=155.32 kN屋面重力恒载： 4.4743.214.4=2780.70kN横梁重力荷载： (3.962+2.92.4) 10=536.64kN纵梁重力荷载： 8.7294=673.92kN柱重力荷载： 0.40.4261.836=269.57kN横墙荷载： 3.61561.8+(2.41.8-0.92.4/2)2=607.5kN纵墙： 外： (3.841.8-1.81.5/2)16+3.841.83.613=520.99 kN钢窗： 161.81.50.50.4=8.64kN_ =5554.39kN(2) 集中在三层到八层的质点重力荷载代表值：50%楼面活载 0.52622.08=622.08kN楼面恒载： 3.2622.08=1865.244kN横梁重力荷载： 536.64kN纵梁重力荷载： 673.92kN柱重力荷载： 269.572=539.14kN横墙荷载： 607.52=1215kN纵墙荷载： 520.992=1041.98kN钢窗： 8.642=17.28kN_ =11439.202kN(3) 集中在二层处的质点重力荷载代表值：50%楼面活载： 622.08kN楼面恒载： 1865.244kN横梁重力荷载： 536.64kN纵梁重力荷载： 673.92kN柱重力荷载： 0.40.426(2.45+1.8)40=707.2kN横墙荷载： 1215kN纵墙荷载： 520.992.45/1.8=1230.12kN钢窗： 8.642=17.28kN_ =7052.78kN4.7 地震作用计算（1）框架梁柱的抗侧移刚度计算在进行框架梁柱的抗侧移刚度时，首先先计算截面梁柱的,= 。然后考虑楼板的翼缘效应，将梁柱的惯性矩乘增大系数。增大后的框架梁柱的惯性矩可取：边框架梁柱=1.5；中间框架梁柱=2。框架梁的线刚度，= , 为混凝土弹性模量，的混凝土弹性模量为30，L为梁柱长度，具体计算结果见下表2.7：表3.84 梁柱的线刚度杆件名称截面尺寸(mm)相对刚度边框架梁2506003066001边框架梁2504003024000.741中框架梁2506003066001.333中框架梁2504003024000.985底层柱4004003049000.387中层柱4004003039000.526计算框架柱的横向内侧移刚度D值时，利用D值法，D=。其中的为梁柱的线刚度比值K，对柱抗侧刚度的影响系数。在一般层中，；在底层中，。式中为梁的线刚度，为柱的线刚度，为层高，具体计算见下表。表4.3 框架柱的横向侧移刚度D值楼层柱类型及截面（400400）根数二至四层边框架边柱1.900.496.814边框架中柱3.310.628.714中框架边柱2.530.567.8116中框架中柱4.410.699.6216底层边框架边柱2.580.683.174边框架中柱4.490.733.614中框架边柱3.440.74 3.4116中框架中柱5.990.823.8116底层： =4(3.17+3.61)+163.81=143.22一般层： =4(6.81+8.71)+169.61=340.64（2）框架自振周期的计算根据各层的重力荷载代表值，计算框架顶的的假定的水平位移，求出其自振周期,=2。式中为考虑结构非承重砖墙影响的折减系数，由于本结构是框架结构，取0.6。为层间相对位移。具体计算见下表：表4.4 框架顶的的假想水平位移楼层总位移45554.395554.39340.6416.31 285.17 36477.2412031.63340.6435.32 268.86 26477.2418508.87340.6454.34 233.54 17052.7825561.65143.22179.20 179.20 则自震周期为：=1.70=1.70.6=0.545s(3) 地震作用的计算 本工程的地震设防烈度 为7度；抗震等级为三级；场地类别为类；设计地震分组为第一组，查规范建筑抗震设计规范可得，=0.3，=0.08=0.048结构等效的总重力荷载：=0.8525561.65=21727.401.4=1.40.30=0.42s,考虑框架顶部附加集中力的作用=0.080.07=0.080.545+0.07=0.114框架横向水平地震的作用标准值：结构底部：=0.04821727.40=1042.92kN =255193.69=0.1141042.92=118.89kN各个楼层地震作用、地震剪力标准值计算见下表；表4.5 楼层地震作用和地震剪力标准值楼层415.75554.3987203.92 434.65 434.65 312.46477.2478374.60 283.79 719.63 28.56477.2455056.54 199.35 917.79 14.97052.7834558.62 125.13 1042.92 图4.6横向框架上的地震作用第5章 框架内力计算本结构采用弯矩分配法。在竖向荷载作用下的框架产生的侧向位移非常小，可忽略不计。框架的内力采用无侧移的弯矩分配法，便于进行简化计算。具体方法是：对整体框架按照结构力学的一般方法。首先计算出各节点的弯矩分配系数与各节点的不平衡弯矩。然后进行分配、传递。在工程设计中，每节点只需分配两至三次即可满足精度要求。相交于同一点的多个杆件中的某一杆件，其在该节点的弯矩分配系数的计算过程为：1）确定各杆件在该节点的转动刚度S。2）计算弯矩分配系数。3）相交于一点杆件间的弯矩分配。在弯矩分配之前，应需先求出所有节点的固端弯矩，可查阅相关静力计算手册得到。在弯矩分配过程中，一个循环可同时放松和固定多个节点。可以加快收敛速度。具体计算见下弯矩分配系数根据结构力学的原则，可计算出本横向框架各杆件的杆端弯矩分配系数，由于该框架为对称结构，取框架的一半进行简化计算，见下图。图5.1a恒载图 5.1b恒载产生的节点不平衡弯矩5.1节点分配系数计算节点：=4=40.387=1.548=4=41.333=5.332=4=40.526=2.404 =（0.387+5.332+0.5264=4.352= =1.416/4.352=0.172 =5.332/4.352=0.593 =1.78/4.352=0.232节点：=20.903=1.97=（0.387+5.332+0.5264+1.97=10.95 =1.3334/10.95=0.489 =0.5264/10.95=0.190 =0.9852/10.95=0.181 =0.3874/10.95=0.141节点： =(0.526+0.526+1.333)4=9.54 = =0.5264/ 9.54=0.221=1.3334/9.54=0.558节点： =(0.526+0.526+ 1.333)4+0.9892=11.51=1.3334 /11.51=0.463= =0.5264/ 11.51=0.183=0.985 2/11.51=0.171节点，同，相对相同。节点：=(1.333+0.526 )4=7.436=1.333 4/7.436=0.717=0.526 4/7.436=0.283节点=（1.333+0.526）4+0.9852=9.406=1.3334/9.406=0.567=0.5264/9.406=0.224=0.9852/9.406=0.2095.2杆件固端弯矩横梁固端弯矩顶层横梁：=-=- =- 3.962=-11.7kNm=- =- 2.91.22=-1.39kNm=1/2=-0.695kNm板传来的恒载作用：=- (1-2a2/l2+a3/l3)=- 21.4462(1-22.42/62+2.43/63) =-61.55kNm=- =- 10.722.42=-3.22kNm=- =- 10.722.42=-1.93kNm二四层横梁：自重作用：=-=- =- 3.962=-11.7kNm=- =- 2.91.22=-1.39kNm=1/2=-0.695 kNm板传来的恒载作用：=-=- (1-2a2/l2+a3/l3)=-1/1215.3662(1-22.42/62+2.43/63)=-41.65kNm=- =- 6.6462.42=-2.30kNm=- =- 6.6462.4=-1.39kNm5.3节点固端弯矩节点的固端弯矩=-11.7+(-54.48)=-66.18kNm节点的固端弯矩+=11.7-1.39+11.7=64.79kNm节点的固端弯矩=-11.7+(-41.65)=-53.35kNm节点的固端弯矩+=11.7-1.39+41.65=51.96kNm5.4内力计算5.4.1恒载作用下框架内力计算图5.2恒载弯矩分配过程图图5.3载作用下的弯矩图(kNm)图5.4恒载作用下梁剪力、柱轴力(kN)层q(kN/m)(板传来作用)g(kN/m)(自重作用)a(m)l(m)gl/2u=(l-a)q/2421.443.92.4611.738.59-29.4245.212.6346.646-52.92315.363.92.4611.726.645-38.8343.560.7938.56-40.14215.363.92.4611.726.645-36.4442.431.0038.35-40.35115.363.92.4611.726.645-31.6539.731.3538.00-40.70表5.1 AB跨梁端剪力(kN)表5.2 BC跨梁端剪力(kN)层q(kN/m)(板传来作用g(kN/m)(自重作用)l(m)gl/2lq/4412.662.902.403.486.64011.08-11.0839.602.902.403.485.769.24-9.2429.602.902.403.485.769.24-9.2419.602.902.403.485.769.24-9.24表5.3 AB跨跨中弯矩(kNm)层q(kN/m)(板传来作用)g(kN/m)(自重作用)a(m)l(m)gl/2u=(l-a)q/2421.443.902.406.0011.7038.59-29.422.6346.646-55.49315.363.902.406.0011.7026.645-38.830.7938.56-30.27215.363.902.406.0011.7026.645-36.441.0038.35-32.03115.363.902.406.0011.7026.645-31.651.3538.00-35.77表5.4 柱轴力(kN)层边柱A轴、D轴中柱B轴、C轴横梁端部压力纵梁端部压力柱重柱轴力横梁端部压力纵梁端部压力柱重柱轴力4柱顶46.646 44.4714.9892.13 64.00 63.7814.98127.78 柱底107.11 142.76 3柱顶38.56 36.1514.98181.82 49.38 50.9714.98243.11 柱底196.80 258.09 2柱顶38.35 36.1514.98271.30 49.59 50.9714.98358.64 柱底285.248 373.62 1柱顶38.00 36.1514.98360.43 49.94 50.9714.98474.53 柱底375.41 489.51 5.4.2活载作用下的框架内力梁的固端弯矩顶层=-=- (1-2a2/l2+a3/l3) =-1/123.2262(1-2.42/62+2.43/63)=-8.73kNm=- =-