[工学]幼儿园结构设计.doc

毕业设计（论文）南江枫林幼儿园结构设计摘要此次毕业设计主要是幼儿园的结构设计。采用混凝土框架结构，层数为3 层，建筑总高度是14.3m，建筑面积3809m2。根据要求，抗震设防烈度为七度。本设计针对第8轴线框架进行了手算计算，考虑了恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载和地震荷载等作用。计算内容主要包括荷载分析和结构内力计算。手工计算完毕后，用结构分析软件PKPM进行了整体框架计算。关键词 幼儿园；结构设计；框架结构；内力计算 THE STRUCTURE DESIGN OF NAN JIANG FENG LIN KINDERGARTENABSTRACTThe graduated design of the main structure of the kindergarten design. The design uses a frame structure and the number of construction of the main layers of is 3.The total building height is 14.3m, building area of 3809m2. Upon request, the seismic intensity of seven degrees.Framework of the design for the 8 axis hand count calculation, consider the dead load, live load, snow load, wind load and seismic loading role. The calculation including load analysis and structural internal force calculation. Manual calculation is completed, the overall framework for computing structural analysis software PKPM.KEY WORDS kindergarten Structural design; Frame structure; Calculation of Internal Forces目录摘要2ABSTRACT3目录41.结构设计任务61.1研究内容61.2任务与要求61.2.1任务61.2.2要求62.结构平面布置及梁柱截面尺寸82.1结构平面布置82.2框架梁截面尺寸82.3框架柱截面尺寸92.4屋面板、楼板厚度103.荷载计算113.1恒荷载标准值计算113.1.1屋面113.1.2各层楼面113.1.3梁自重113.1.4柱自重123.1.5外纵墙自重123.1.6内纵墙自重133.1.7外横墙自重143.1.8内横墙自重153.1.9女儿墙自重153.2活荷载标准值计算153.2.1屋面和楼面活荷载标准值153.2.2雪荷载标准值163.2.3风荷载标准值计算163.2.4水平地震作用164.一榀框架内力计算194.1框架选取194.2框架荷载确定204.2.1恒荷载204.2.2活荷载234.2.3风荷载254.3内力分析264.3.1恒载作用下的内力分析264.3.2活载作用下的内力分析314.3.3风载作用下的内力分析334.3.4水平地震作用下的内力分析35参考文献38附录1.电算一榀框架的在各荷载作用下的标准内力图39致谢451.结构设计任务1.1研究内容广州市市区某南江枫林社区拟建一幼儿园，建筑面积3809m2，3层，已完成建筑设计，要求完成此建筑的结构设计。侧重结构的荷载分析和结构内力计算。1查阅相关资料，撰写文献综述，并翻译相关的外文2南江枫林幼儿园结构体系选择与结构布置3分析结构所受的各种荷载大小、及传递路径4手算一榀框架在各种荷载作用下的内力5结构电算，并分析比较手算和电算的内力差异 6撰写设计计算书，绘制结构施工图1.2任务与要求1.2.1任务对给定的南江枫林幼儿园建筑施工图，选择结构体系，布置结构构件，进行荷载分析，手算结构内力，并电算复核内力，绘制结构施工图，最后撰写设计计算书。1.2.2要求(1)文献综述、外文与课题相关，且外文翻译语句通顺，句意明了。查阅与课题相关文献，撰写文献综述1篇（附参考文献至少10篇，包括2篇外文），字数不少于3000；翻译外文1-2篇，要求所选原文不能和前三年本专业毕业生已使用过的原文相同，所选原文的发表时间为近5年以内，字数不少于3000，并附原文复印件或PDF打印稿。(2) 结合课题具体情况，提出自己的设计方案，写开题报告一篇，字数不低于3000；(3) 要求具体分析结构荷载的大小和传递路径，并手算各种荷载作用下结构的内力；(4) 结构建模正确，荷载输入无误，参数设置正确，电算结果可靠。(5) 设计计算书要求内容完整，层次分明，数据可靠，文字简练。结构施工图表达清晰、规范。(6) 严格遵守纪律，保质保量完成规定的设计任务；2.结构平面布置及梁柱截面尺寸2.1结构平面布置本工程采用混凝土框架结构，结构柱网布置图如下：图1结构柱网布置图2.2框架梁截面尺寸框架结构中框架梁的截面高度hb可根据结构承载力、刚度及裂缝控制条件确定，主梁按hb=（1/121/8）Lb确定，次梁按hb=（1/181/12）确定。梁的截面尺寸首先按照梁的跨度进行估算，见表1。表1 梁的截面尺寸估算梁跨度L（mm）梁高系数梁高（mm）梁宽系数梁宽（mm）实选截面bh（mmmm）横向框架梁6500(1/121/8)L541812.5(1/31/2)h208469350700纵向框架梁7500(1/121/8)L625937.5(1/31/2)h258581350700纵向框架梁5700(1/121/8)L475712.5(1/31/2)h167375350700纵向框架梁3300(1/121/8)L275412.5(1/31/2)h92206.2350700过道梁2400(1/121/8)L200300(1/31/2)h67150350700横向次梁6500(1/181/12)L361541(1/31/2)h156313250600竖向次梁3900(1/181/12)L216325(1/31/2)h156218200400注 ：过道梁的截面尺寸与横向框架梁一致，以保证框架的整体性，同时为了方便施工框架梁截面统一350700。2.3框架柱截面尺寸根据规定：柱截面尺寸应满足 (1-1) N=G q Sn12 (1-2)式中N柱轴向压力设计值，N;uN框架柱的轴压比限值，按表1-2取值；fc柱混凝土轴心抗压强度设计值，N/mm2；bc、hc分别为框架柱的截面宽度和高度，mm；G竖向荷载分项系数（已考虑活荷载），取1.25；q每一楼层单位面积的竖向荷载标准值，可取14KN/mm2；S柱一层的负荷面积；n楼层数；1考虑水平力产生的附加系数，风荷载或四级抗震时， 1=1.05，三一级抗震等级时， 1=1.051.15；2边柱、角柱轴向力增大系数，边柱2=1.1，角柱2=1.2，中柱2=1.0。混凝土建筑设计规范（GB 500102002）的11.4.16条 规定：表2框架柱的轴压比限值un非抗震设计抗震设计一级二级三级四级1.00.70.80.91.0柱的截面尺寸估算见表3表3柱的截面尺寸估算柱uNfc (N/mm2)Gq(N/mm2)S(mm2)n12N(N)AC中柱1.014.31.251.410-23.57510741.051.02.631061.83105边柱1.014.31.251.410-23.48710741.051.12.821061.97105角柱1.014.31.251.410-24.60310741.051.03.381062.37105选柱的尺寸为500mm500mm，则2.4屋面板、楼板厚度混凝土建筑设计规范（GB 500102002）的10.1.1条 规定：表4屋面板、楼板厚度估算位置跨度（m）系数计算板厚度（mm）最小计算厚度（mm）实际选用板厚度（mm）楼板6.51/45 L144 80150屋面板4.51/35 L128801503.荷载计算3.1恒荷载标准值计算3.1.1屋面 保护层：高聚物改性沥青卷材防水屋面 2.20 kN/m2 结构层：150厚现浇钢筋混凝土板 0.1525=3.75 kN/m2 抹灰层：10厚粉刷石膏砂浆 0.0112=0.12 kN/m2 合计： 6.07kN/m23.1.2各层楼面 保护层：15厚白水泥大理石子面 0.01525=0.38kN/m2 结构层：150厚现浇钢筋混凝土板 0.1525=3.75kN/m2 抹灰层：10厚粉刷石膏砂浆 0.0112=0.12 kN/m2 合计： 4.25kN/m23.1.3梁自重(1) bh = 350700 梁自重： 0.35(0.70.1)25=5.25 kN/m 抹灰层：10厚粉刷石膏砂浆 0.0112(0.70.1)20.352=0.228kN/m 合计： 5.49 kN/m(2) bh = 250600 梁自重： 0.25(0.60.1)25=3.125 kN/m 抹灰层：10厚粉刷石膏砂浆 0.0112(0.60.1)20.252=0.18 kN/m 合计： 3.31kN/m(3) bh = 200400 梁自重： 0.2(0.40.1)25=1.5kN/m 抹灰层：10厚粉刷石膏砂浆 0.0112(0.40.1)20.22=0.12kN/m 合计： 1.62kN/m3.1.4柱自重 bh = 500500 柱自重： 0.50.525=6.25 kN/m 抹灰层：10厚粉刷石膏砂浆 0.01120.54=0.24 kN/m 合计： 6.49 kN/m3.1.5外纵墙自重 (1)标准层 纵墙在计算单元内高度相当于: 铝合金窗在计算单元内高度相当于: 纵墙自重： 1.970.255.5=2.71 kN/m 铝合金窗自重： 0.920.35=0.32 kN/m 25厚水刷石外墙面： 1.970.5=0.99 kN/m 粉刷10厚石膏砂浆内墙面： 1.970.12=0.24 kN/m 合计： 4.26 kN/m (2)楼梯间 纵墙在计算单元内高度相当于 铝合金窗在计算单元内高度相当于 纵墙自重： 3.120.255.5=4.29 kN/m 铝合金窗自重： 0.480.35=0.16 kN/m 粉刷10厚石膏砂浆内墙面： 3.120.12=0.37 kN/m 合计： 4.82kN/m (3) 卫生间 纵墙在计算单元内高度相当于 铝合金窗在计算单元内高度相当于 纵墙自重： 3.060.255.5=4.21 kN/m 铝合金窗自重： 0.540.35=0.18kN/m 粉刷10厚石膏砂浆内墙面： 3.060.12=0.37 kN/m 合计： 4.76kN/m3.1.6内纵墙自重（1）标准层 纵墙在计算单元内高度相当于为: 内走廊木框玻璃窗在计算单元内高度相当于: 木门在计算单元内高度相当于 纵墙自重： 1.970.255.5=2.71 kN/m 木框玻璃窗： 0.340.25=0.09 kN/m 木门： 0.590.15=0.09 kN/m 粉刷10厚石膏砂浆内墙面： 1.970.12=0.24 kN/m 合计： 3.13 kN/m（2）卫生间 纵墙在计算单元内高度相当于为 木门在计算单元内高度相当于 纵墙自重： 2.560.255.5=3.52 kN/m 木门： 1.040.15=0.16 kN/m 粉刷10厚石膏砂浆内墙面： 2.560.12=0.31 kN/m 合计： 3.99 kN/m3.1.7外横墙自重(1)标准层 横墙自重： (4.20.8)0.255.5=4.26 kN/m 25厚水刷石外墙面： (4.20.8)0.5=1.55 kN/m 粉刷10厚石膏砂浆内墙面： (4.20.8)0.12=0.37 kN/m 合计： 6.18 kN/m(2)底层 横墙自重： (4.90.8)0.255.5=4.26 kN/m 25厚水刷石外墙面： (4.2+0.450.8)0.5=1.78 kN/m 粉刷10厚石膏砂浆内墙面： (4.20.8)0.12=0.37 kN/m 合计： 7.79 kN/m3.1.8内横墙自重(1) 标准层 横墙自重： (4.20.8)0.255.5=4.26 kN/m 粉刷10厚石膏砂浆内墙面： (4.20.8)0.122=0.74 kN/m 合计 5.00 kN/m3.1.9女儿墙自重 做法：100mm混凝土压顶，1300mm加气混凝土墙 1.40.255.5=1.92 kN/m 压顶混凝土： 1.40.2525=8.75kN/m 水刷石外墙面： (1.42+0.25)0.5=1.53 kN/m 合计： 12.2 kN/m3.2活荷载标准值计算3.2.1屋面和楼面活荷载标准值 上人屋面： 2.0 kN/m2 教室： 2.0 kN/m2 走廊： 2.5 kN/m23.2.2雪荷载标准值 参考广州市：n=100年，Sk=0.5 kN/m2 。屋面活荷载和雪荷载不同时考虑，两者中取大者。在本次计算中活载大于雪载，故不考虑雪载作用。3.2.3风荷载标准值计算主体结构计算时，垂直于建筑物表面的风荷载标准值k应按k=zsz0计算，风荷载作用面积应取垂直于风向的最大投影面积。式中：k为风荷载标准值（KN/m2）；z为高度z处的风振系数；s为风荷载体型系数；z为风压高度变化系数；0为基本风压（KN/m2）。根据荷载规范3（GB500092001）（2006版）的7.4.1条规定可知，当建筑物高度30m时，可不考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响，即取z=1.0，本结构风荷载体型系数s=1.3，本工程地面粗糙度类别为D类，按荷载规范（GB500092002）表7.2.1选取， 根据荷载规范3（GB500092002）附表D.4可知基本风压0=0.7 KN/m2，风荷载的负荷宽度取计算单元的宽度6.5，作用高度取节点上下半层的高度，其详细计算见表5。表5 风荷载计算层数层高（m）离地高度（m）（kN/m2）(kN/m2)开间(m)作用高度(m)(kN)34.212.61.30.621.00.500.4036.53.59.1724.28.41.30.621.00.500.4036.54.21114.24.21.30.621.00.500.4036.54.2113.2.4水平地震作用(1)各层重力： 图2一榀框架各层重力荷载代表值（2）横向水平地震作用力先计算梁、柱线刚度，再计算出结构基本自振周期，从而计算出地震作用力。表6梁线刚度ib的计算梁编号EC(N/mm2)bh(mmmm)I0(mm4)L(mm)ECI0/L(N.mm)线刚度ibDG跨3.01043507001.28101075005.12101010.21010JN跨3.01043507001.28101081004.7410109.481010GJ跨3.01043507001.28101045003.6010107.21010表7柱线刚度ic的计算层数柱高L/mmEC(N/mm2)bh（mmmm）Ic（mm4）ECIc/L(N.mm)142003.01045005005.2081093.7210102342003.01045005005.2081093.721010表8各层柱横向侧移刚度计算（D值法）楼层ic（KN、m）KcD=12c ic/ hc2（kN/m）根数一般层：K=ib/2ic底层：K=ib/ic一般层：c=K/(2+K)底层：c=（0.5+K）/(2+K)23D轴3.721042.740.581.4710410G轴4.670.701.771047J轴4.480.691.7410410N轴2.550.561.411046D 52.951041D轴3.721043.740.581.4710410G轴4.670.701.771047J轴4.480.691.7410410N轴2.550.561.411046D52.95104高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ 99-98）的4.3.7条 规定：用假想顶点位移uT计算结构基本自振周期，计算结构见表9表9假想顶点位移uT计算结果层次317925.3617925.365295000.030.20216819.234744.565295000.070.17116819.252669.925295000.100.10结构基本自振周期考虑非结构墙影响折减系数，则结构基本自振周期为：s。由于该工程所在地区抗震设防烈度为7度，场地类别为II类，设计地震分组为第一组，建筑抗震设计规范（GB 500112001）的附录A故：max=0.08， Tg=0.35s建筑抗震设计规范（GB 500112001）的5.1.5条 规定：由于TgT15Tg，所以：总水平地震作用力：各层水平地震作用： 则有：表10地震荷载计算层数层高hi高度Hi重量GiGiHi水平力Fi剪力Qi34.212.61493.7818821.630.516108.56108.5624.28.41401.611773.440.32367.95176.5114.24.21401.65886.720.16133.87210.384.一榀框架内力计算4.1框架选取 本设计决定选号轴线框架为一榀框架进行内力计算。（图中阴影部分）图3手算一榀框架图图4一榀框架简图图5板荷载传递路线图4.2框架荷载确定 由之前荷载计算可确定框架荷载4.2.1恒荷载（1）梁DG（截面尺寸）图6 梁DG计算简图 1）梁自重设计值： 2）墙传线荷载： (梁DG上无墙) 3）板传线荷载： 则 综合1）2）3），(2)梁GJ（截面尺寸）图7梁GJ计算简图 1）梁自重设计值： 2）墙传线荷载： 3）板传线荷载： 综合1）2）3），(3)梁JN（截面尺寸）图8梁JN计算简图 1）梁自重设计值： 2）墙传线荷载： 3）板传线荷载： 综合1）2）3）： 由上可知标准层框架恒载图：图9标准层框架荷载图4.2.2活荷载（1）梁DG（截面尺寸）图10 梁DG计算简图 1）板传线荷载： 则 综合上 (2)梁GJ（截面尺寸） 图11梁GJ计算简图 1）板传线荷载： 则 综合上 (3)梁JN（截面尺寸） 图12 梁JN计算简图 1） 综合上 由上可知标准层框架活载图：图13标准层框架荷载图4.2.3风荷载 由表5可知 , , 图14各层柱剪力图则计算各层柱总剪力4.3内力分析4.3.1恒载作用下的内力分析（1）求梁柱惯性矩 梁惯性矩： 柱惯性矩：DN柱： 对于中框架梁取（注：考虑现浇楼板对梁刚度的加强作用）（2）梁柱线刚度及相对线刚度计算 框架梁柱的相对线刚度如下，作为计算各节点杆端弯矩分配系数的依据。 表6相对线刚度构件线刚度相对线刚度框架梁DG0.54GJ0.92JN0.52框架柱DN1.0图15各梁柱线刚度（3）计算弯矩分配系数上柱下柱右梁左梁上柱下柱右梁左梁上柱下柱右梁左梁上柱下柱0.650.350.220.410.370.380.410.210.340.66上柱下柱右梁左梁上柱下柱右梁左梁上柱下柱右梁左梁上柱下柱0.390.390.220.160.290.290.260.270.290.290.150.20.40.4上柱下柱右梁左梁上柱下柱右梁左梁上柱下柱右梁左梁上柱下柱0.390.390.220.160.290.290.260.270.290.290.150.20.40.4DGJN图16弯矩分配系数42（4）计算各节点固端弯矩进行二次弯矩分配得到恒载作用下的一榀框架内力图如下：上柱下柱右梁左梁上柱下柱右梁左梁上柱下柱右梁左梁上柱下柱0.650.350.220.410.370.380.410.210.340.66-70.1670.16-5.075.07-87.4101.3845.624.95-14.32-26.68-24.0831.333.7517.3-34.46-66.9113.7-2.8612.48-9.4415.6512.0411.9-17.238.65-20.2-7.05-3.86-4.11-7.6-7-2.5-2.75-1.43.937.652.2551.9364.21-43.72-20.545.9142.9-88.7379.5-79.51上柱下柱右梁左梁上柱下柱右梁左梁上柱下柱右梁左梁上柱下柱0.390.390.220.160.290.290.260.270.290.290.150.20.40.4-70.1670.16-5.075.07-87.4101.3827.427.415.43-10.41-18.88-18.88-16.9222.2323.8723.8712.35-20.24-40.6-40.5522.813.7-5.217.72-13.44-9.4411.12-8.4616.8811.9-10.126.18-33.5-20.3-12.2-12.2-6.880.641.171.171.05-2.75-2.96-2.96-1.539.5219.0419.043828.9-66.8268.11-31.15-27.15-9.8216.0937.7932.81-86.796.84-55-41.81上柱下柱右梁左梁上柱下柱右梁左梁上柱下柱右梁左梁上柱下柱0.390.390.220.160.290.290.260.270.290.290.150.20.40.4-70.1670.16-5.075.07-87.4101.3827.427.415.43-10.41-18.88-18.88-16.9222.2323.8723.8712.35-20.24-40.6-40.5513.7-5.217.72-9.4411.12-8.4611.9-10.126.18-20.3-3.31-3.31-1.87-1.5-2.73-2.73-2.441.81.941.9412.85.655.6537.7924.09-61.8165.97-31.1-21.61-13.3120.6437.7125.81-84.1790.12-55-34.912.05-10.812.91-17.5DGJN图17弯矩二次分配法的分配过程图18恒载作用下框架弯矩图（kNm）根据弯矩图，去处梁脱离体，利用脱离体的平衡条件，可求出梁端剪力及跨中弯矩；取柱为脱离体，利用脱离体的平衡条件，可求出柱段剪力，并绘出框架在恒荷载作用下的剪力图。图19恒载作用下框架剪力图（kN）（下端为负）依据剪力图，由节点的竖向平衡条件可求出框架柱的轴力。图20恒载作用下轴力图（kN）4.3.2活载作用下的内力分析（注：除荷载值外，其余计算步骤与恒载作用下的一榀框架内力图计算步骤相同：算出一榀框架线刚度得到一榀框架分配系数算出活载作用下各节点固端弯矩根据节点形式确定传递系数二次弯矩分配法计算框架节点弯矩由一榀框架弯矩图去确定剪力图以及轴力图，参照恒荷载算法）。图21活载作用下弯矩图（kNm）图22活载作用下剪力图（kN）（下端为负）图23活载作用下轴力图（kN）4.3.3风载作用下的内力分析（1）使用反弯点法计算风荷载的框架内力，其中假定梁柱的反弯点位于各自的中点处，且柱中点处的水平剪力按各柱支承框架长度与框架总宽度之比进行分配，则对于D轴柱，其支承长度为左跨长的一半即 3.75m；对于 G 轴柱，其支承长度为6m；对于 J 轴柱，其支承长度为6.3m，顶层柱端弯矩等于柱中点处剪力乘上该层层高的一半；顶层梁端弯矩计算时，从左至右依次沿反弯点处对每一个节点取隔离体，由节点处弯矩平衡条件可求梁端弯矩；框架梁各反弯点处的剪力等于梁端弯矩除以该段梁的长度，梁端剪力可对梁取隔离体由静力平衡条件求出。轴力可参照恒荷载的内力算法，其他各层梁柱的内力计算，从顶上第二层到下面各层，依次将每一层取出，重复以上步骤即可。表7各柱中点处水平剪力分配如下：（kN）柱分配系数三层（9.17）二层（20.17）一层（31.17）D3.75/20.1=0.1871.723.775.82G(3.75+2.25)/20.1=0.2982.736.029.29J(2.25+4.05)/20.1=0.3142.886.329.79N4.05/20.1=0.2011.844.066.27（2）计算框架弯矩：图24风荷载作用下弯矩计算简图同理得出其他各层弯矩如图：图25风载作用下弯矩图（kNm）图26风载作用下剪力图（kN）图27风载作用下轴力图（kN）（注：由于风的方向两面皆可故图中数据只表示大小）4.3.4水平地震作用下的内力分析由之前算出各层水平地震作用力运用反弯点法计算出各自反弯点高度，通过内力计算出柱端弯矩，再通过节点弯矩平衡计算出梁端弯矩。由一榀框架弯矩图计算剪力和轴力。得出水平地震作用下的内力图（参照风荷载作用下的内力计算）。表8各柱中点处水平剪力分配如下：（kN）柱分配系数三层（108.56）二层（176.51）一层（210.38）D3.75/20.1=0.18720.3033.0139.34G(3.75+2.25)/20.1=0.29832.3552.6062.69J(2.25+4.05)/20.1=0.31434.0955.4266.06N4.05/20.1=0.20121.8235.4842.29（2）内力图图28地震作用下弯矩图（kNm）图29地震作用下剪力图（kN）图30地震作用下轴力图（kN）参考文献1 GB500092006,建筑结构荷载规范S.2 GB500102010,混凝土结构设计规范S.3 GB500