某中学试验楼结构设计-砌体结构课程设计

1.1 设计规模(1)本工程为某中学教学楼，其平面图见附图。共五层，层高3.7米，窗台高1米，窗高2.1米。(2)地面为水泥豆石地面；顶棚为在预应力混凝土板上喷白浆；内墙水泥砂浆抹灰，喷白浆；外墙清水，外墙底层窗下墙为水刷石；檐口及勒脚部分为水刷石。1.2设计资料(1)楼面活荷载：2.0KN/m2，荷载组合值c0.7。(2)楼地面做法：30mm水泥豆石地面，密度24 KN/m3。(3)地基承载力标准值为185KN/m2。(4)砖混结构，承重墙和柱均为砖砌体(密度19 KN/m3) ，水平承重构件为钢筋混凝土混凝土构件，条石基础，6度抗震设防。水泥砂浆密度, 19 KN/m3。(5)材料：叶岩砖MU10、MU15；砂浆M5M10；楼板、屋面板、梁、过梁、楼梯等均可选用预制构件。2 建筑方案2.1确定建筑方案前主体结构体系的考虑做建筑方案前应对主体结构体系有初步考虑，以便在确定建筑方案时有所遵循。本工程采用混合结构体系，即砖墙承重，钢筋混凝土预制楼盖。这是因为：1 本工程荷载不大，无振动、在房间进深6m左右、层高3.70m，符合混合结构的适用范围；2 从抗震设防要求来看，本工程为五层楼，总高为19m左右；层高小于4m；最大房间面积57.6，横墙最大间距控制在10m左右；这些均能符合地震设计烈度为6的要求。2.2 建筑方案的确定1.建筑方案为“”字形（如图一），对称布置，共有五层，有一个主要入口，以南北超向为主。2方案分析：1.使用功能分析：从朝向看，以第方案较好，有半数房间朝南。2.经济分析：此方案建筑面积较少，934.92，故以第方案较经济。3.结构分析：1.从总体布置看，此方案为好，平面简单，防震缝少。2.从墙体布置来看，此方案横墙基本能拉通，房屋整体刚性较大。3 结构方案3.1 主体结构方案此方案结构为砖墙承重、钢筋混凝土预制楼盖及加气混凝土屋面板的混合结构体系。考虑建筑属于横墙较少的建筑（指横墙间距大于4.5m、或横墙间距一部分小于4.5m，而大于4.5m的房间面积占该层总面积1/4以上时）而且房屋总高较高（五层部分为18.5m），为了加强抗震能力，在所有纵横墙交界处设置钢筋混凝土构造柱。同时为了加强屋盖结构的整体刚度。按照建筑地基基础设计规范GB50007-2002的规定：在软弱地基时，三层和三层以上房屋的长高比宜小于或等于2.5，当时，应尽量做到纵墙不转折或少转折，内横墙间距不宜过大。虽然建筑物的整体刚度较好，但考虑有局部填土，以及6度抗震设防要求，应加强层间钢筋混凝土圈梁的布置。3.2 墙体的方案和布置3.2.1温度伸缩缝、沉降缝、防震缝的设置1.温度伸缩缝：根据相关规定，本工程温度伸缩缝间距宜在60m以内。故在实验楼的第五列横墙应该设置一道温度伸缩缝。2.沉降缝：虽然浅层土质不甚均匀，但考虑到地基容许承载力较高，建筑物的不均匀沉降量不大，可不必设置沉降缝。3.防震缝：此实验楼都是五层的，没有高差，所以不需要设置防震缝。3.2.2墙体布置1.横墙布置a当墙体按刚性方案分析受力时，横墙间距不应大于32m；横墙开洞洞口的水平截面面积不超过横墙全截面面积的50%；多层房屋横墙长度不小于总高度的一半，单层房屋横墙长度不小于其高度；横墙厚度不小于180mm。b当按烈度为6度考虑抗震设防时，横墙间距不应大于15m，本例为9.6m。2.纵墙布置 一般来说，为了抗震和抵抗不均匀沉降的需要，要求内外纵墙直通，中间没有转折。但本工程门厅及主要楼梯处人流密集，希望把走道局部加宽0.6m；同时，立面处理也希望把五层部分和门厅部分突出一些。3.墙厚及墙垛尺寸的选定 根据抗震、隔音、保暖、施工等要求，确定本工程墙体最小厚度240mm，教学区外墙最小厚度为370mm。 在具体计算前，暂定教学区建筑物全部外墙均为370mm厚；门厅走道墙（首层），因开洞较多，暂定370mm厚；教学区建筑物其余内墙均暂定240mm厚。 当按烈度为6度考虑抗震设防时，要求240mm以上墙体的砖强度等级不低于MU10，砂浆强度等级不低于M5。故本工程均按此进行初算。3.2.3砖墙高厚比验算对240mm和370mm厚的墙体，分别选择墙高H较大、并开洞比例较大者进行验算。取砂浆强度等级为M5，。纵墙承重，=1 。1.教学区建筑物的240mm墙，可取首层教室走道墙进行验算。墙高取板底至室内地坪下0.5m，H=3.700.21+0.5=3.99m，横墙间距L=9m，开有两个1m宽的门，共2m。 满足要求。 2.教学区建筑物的370mm墙。H以首层为最大，下部取至室外地坪下0.5m，有地沟时取至地沟底，但不低于砖大放脚顶部。首层外纵墙有一深1.30m的地沟，基础和砖大放脚埋置较深，故H取至地沟底。纵墙承重，=1 。 （因外纵墙有各种开洞情况）取最小值0.72。 x24=17.28 满足要求。3.2.4钢筋混凝土圈梁设置当按本地基本烈度6度考虑抗震设防时，建筑抗震设计规范要求屋盖处及隔层楼盖处沿外墙及内纵墙设置钢筋混凝土圈梁。沿内横墙的钢筋混凝土圈梁除在同上述高度处设置外，在屋盖处间距不应大于7m，楼盖处间距不大于15m。在软弱地基时，建筑地基基础设计规范规定基础墙（指外纵墙、内纵墙及主要内横墙的基础墙）处应加设钢筋混凝土圈梁。圈梁通常在平面内连成封闭系统。纵墙承重房屋采用预制长向板（见后面楼盖方案讨论）时，由于房屋的纵向没有钢筋联系，房屋的纵向对温度变化和其他外力影响的抵抗能力较小，易在纵墙上产生裂缝。因此宜每层都设置钢筋混凝土圈梁，以加强房屋整体性。根据本工程考虑抗震设防要求和有局部填土的具体情况，在全部纵墙基础墙上应设置钢筋混凝土圈梁（兼可作为钢筋混凝土构造柱的锚故端）；同时在各层楼盖及屋盖处亦应设置钢筋混凝土圈梁，其平面布置见图31a图31（a）钢筋混凝土圈梁布置本工程教学区的圈梁全部设在板底的同一水平处（即圈梁顶面和板底平），高180mm宽同墙厚（图31b、c）。行政区楼层和锅炉房的圈梁设置方案从略。图31（b） 图31（c）3.2.5 构造柱的布置为加强建筑物抗震能力，本工程在所有纵横墙交界处设置钢筋混凝土构造柱。平面布置见图32。图32 构造柱布置平面构造柱截面尺寸为，截面配筋为、箍筋为，施工时应先留马牙槎砖砌体（要求拆模后能观察施工质量优劣）。墙和构造柱的连接应采取沿墙高500mm设置水平拉结钢筋的连接措施，每边伸入墙内不应小于1000mm。构造柱应和圈梁连接，交接处应加密柱的箍筋间距。加密范围在圈梁上下均不小于1/6层高或450mm，箍筋间距不宜大于100mm。构造柱的竖向钢筋一般可锚固在柱根部所增设的混凝土座中。本工程用基础梁代替。3.3 楼盖的方案和布置楼盖采用预制梁、板，按本地区有关单位编制的通用构件选用。教室和其他大房间的承重体系都是纵墙承重，楼盖方案可以用长向板搭在内外纵墙上，也可以在纵墙上每开间设置进深梁，再在进深梁和横墙上放置短向板。这两种布置方案要进行分析比较，方法如下：3.3.1确定比较单元 因教室数量比较多，取教室的基本单元为比较单元。3.3.2取两种可能的方案 、6m预应力混凝土长向圆孔板楼盖；、短向预应力圆孔板加进深梁楼盖。选板时的荷载： 地面（30mm豆石混凝土一次压完） 活荷载 2.0 选梁时的荷载： 板面活载及地面 预制板自重及灌缝 根据选择6m预应力混凝土长向圆孔板YB60.1 允许荷载 3.40 YB60（1） 允许荷载 4.05 教室讲台部分（YB60（2）允许荷载 6.84 ）选择短向预应力混凝土圆孔板YB30.1 允许荷载 2.93 YB30（1） 允许荷载 4.45 根据选择进深梁矩形截面SL60.2 允许荷载 27.30 200550mm （考虑教室讲台部分附加荷载）两种方案各项的指标和布置图见表31及图33。图33（a）纵墙承重长向圆孔板方案（）；（b）横墙承重短向圆孔板方案（）3.3.3方案比较1.由材料用量分析：第方案略多于第方案（经济指标略）2.从使用情况分析：第方案比第方案为好，房间净空高、顶棚平整。3.从施工吊装、工期、运输方面分析：由于构件重量都在以内，数量以第方案为最少，故第方案比第方案要好。4.从抗震性能分析：以第方案为好；因纵墙由预制梁联系，短向板直接铺在梁和横墙上，使得楼盖和横墙间的联系较好，房屋的横向刚度较大。 经比较，确定以长向预应力混凝土圆孔板为基本方案；但开间小于3.9m的房间则采用短向预应力圆孔板。3.3.4楼板布置表31方案每个计算单元的构件数 量构件重量（t）教室最小净空（m）每平米楼面面积构件型号最大最小混凝土重（cm）钢筋重（kg）造价（元）预应力混凝土长向圆孔板81.711.253.499.814.84YB60.1YB60(1)YB60(2)预应力混凝土短向圆孔板加进深梁171.720.52.999.724.65YB30.1YB30(1)YB60.2注：1教室面积按54计，净空为层高3.7m时的情况； 2构件材料按有关标准图集76G1, 76G3, 78G23中表格内容取用；3造价暂缺一般房间排楼板时应使板缝留有一定宽度以便灌缝，抗震要求板缝至少40mm，以使板和板之间有可靠的连接加强整体性。在距横墙边处应留出一定宽度的现浇板带以便通过暖气、上下水等立管（指第方案，在本例中为120mm），板边不能压入横墙。教室的讲台位置应布置能承受较大荷载的预制板。典型房间排板情况见图33（a）。厕所间的楼板布置往往要特殊处理（图34）。布置时应对照厕所设备及管道布置图进行。如厕所沿外墙留260mm宽现浇板带以便立管穿过；厕所部分板选用YB36.4（该板型号较大，允许大便坑位的下水管穿越楼板时可凿伤一根板肋，但必须经设计验算同意后才可施工）等措施，都是按照设备、管道布置图的要求考虑的。通常情况下，厕所、盥洗室一般使用现浇钢筋混凝土板，以防止铺设在预制板上的油毡防水层受损，造成漏水的后果。走道板遇楼梯间，板的型号往往要改变，要求和楼梯间的板、梁布置相配合，遇横墙时，应留出现浇板带的位置，以拉接两边横墙，加强房屋的整体性。上述措施祥见图34。 图34 厕所、走道的楼板布置 厕所通气道尺寸应能和板型号相符合如600900mm即可； 厕所沿外墙留260mm现浇带，便于立管穿过； 厕所板选“4”号预应力圆孔板是考虑若小水管开洞需穿肋时允许伤一个肋； 走道板通楼梯间时，板的型号要求变化，并能和楼梯的布置配合； 楼梯间横墙处排板时，应留出现浇带，现浇带贯通横墙以便加强拉接。3.3.5 房屋的方案和布置屋盖的布置和楼盖相仿，大房间采用长向板方案。为了减轻屋盖重量、节约材料，本工程采用承重和保暖合一的配筋加气混凝土屋面板。该地区加气混凝土厂生产的加气混凝土板，当跨度为6m时，允许荷载（不包括板自重）为1.0 。因其承载能力低，屋面层做法和屋面活荷载应受到限制：本工程板面抹水泥砂浆找平层，厚度限制10mm（0.2 ）；防水层用二毡三油上铺小石子（0.35 ）；屋面活荷载按0.5，（此为工业和民用建筑结构荷载规范规定的一般屋面活荷载）共计1.05 。虽然超出该楼板的允许荷载5%，但这是在允许范围内。故可选用。由于加气混凝土板不能再做建筑找坡层，故采用结构找坡的屋盖结构方案，即将加气混凝土屋面板铺成所需坡度（2%）。由于加气混凝土屋面板的刚度较差，应采用适当的构造措施加强。本工程为了保证6m加气混凝土板的刚度需要，每隔5块加气混凝土板带布置一条120mm宽的现浇钢筋混凝土板带（图35），并沿内外纵横墙设置圈梁将板箍住。图353.3.6 基础方案由于本工程横墙间距大部分能满足抗震设防要求，其间距较密，纵横墙体传来的荷载并不大，在基础砌置标高处又无地下水，故可以采用灰土垫层、其厚度取两步（300mm厚）。考虑其边缘不易夯实，实际基础宽度应比计算宽度增加100mm左右。本工程基础底部标高取室外地坪下1.30m处（即1.60m处）。根据地质资料，该标高处已能保证基础做在预定的持力层上。根据前述室内外地坪及基础砌置标高，外墙基础自室内地坪下埋深1.30m，内墙基础自室内地坪下埋深1.60m。现以外墙为典型，选择基础截面形式。由地基承载力计算公式可得地基承载力设计值， 本工程取。初步估计外墙算至室内地坪的荷载设计值，则条形基础的宽度b可计算得出： 以下计算暂按考虑。（上式中d取室内外平均值）。基础剖面图见图36，图中灰土垫层，符合刚性角要求。 图364 结构计算在确定结构方案的基础上、应对各种结构构件（屋面板、楼板、墙体、基础、挑檐、过梁、楼梯、沟盖板等）进行计算，以确保其安全可靠和经济合理。本工程中屋面板、楼板、楼梯、过梁为定型预制构件，只需按实际条件选用，不必进行设计计算。雨罩、挑檐、过梁的计算在此省略。下面仅就荷载计算、墙体验算，基础进行讨论。4.1 荷载计算荷载计算是结构计算的第一步，下面将有关数据列出，这些数据是选择预制板、梁以及墙体、基础计算的依据。4.1.1屋面及楼面荷载1. 屋面荷载（）六层做法防水层 0.35水泥砂浆找平层 （10mm） 10 X 0.02 = 0.2配筋加气混凝土 (175mm) 1.26刮腻子 0.05 静荷载 1.86（标） 活荷载 0.7 （标） 静+活 2.56（标） 1.86 X 1.2+0.7 X 1.4=3.09（设） 1.86X 1.35+0.7 X 0.7 X 1.4= 3.20(设)取此值2. 楼面荷载（） 水泥地面 20 X 0.02=0.4 焦渣垫层(70mm) 14 X 0.07=0.98 预制空心板 2.0 刮腻子 0.05 静荷载 3.43（标） 活荷载 2.0 （标） 静+活 5.43（标） 3.43 X 1.2+2.0 X 1.4=6.92取此值 3.43 X 1.35+1.4 X 0.7 X 2.0=6.59 4.1.2墙体荷载按每平方米墙面计算。如370mm墙（实按365mm计算）单面抹灰的墙面重量为： 砖砌体 抹灰20mm厚 7.27各种墙体重量见表43：表43 （）墙体240mm墙370mm墙（实际按365mm计算）490mm墙120mm厚板条隔断标准荷载（）单面抹灰双面抹灰单面抹灰双面抹灰单面抹灰双面抹灰4.905.06单面水刷石5.33（5.40）7.277.61（7.77）9.659.98（10.14）0.90注：表中括号内荷载为一面水刷石、一面抹灰。4.2 墙体验算墙体的宽度和厚度在方案阶段已初步确定。墙体计算的任务是根据已定墙厚核算墙体强度，确定需采用的砂浆强度等级（砖的强度等级在考虑材料供应时已确定）。计算中如发现初步确定的墙厚不合理，也可以采取变更墙厚、增设凸出墙面的墙垛、改变墙垛尺寸等措施。此外，还应该注意受到电闸箱、消火栓等削弱的门旁或窗旁墙垛，不合适时尽可能预先改变它们的位置。4.2.1选取计算单元本工程建筑体型较为简单，选取计算单元时要考虑下列情况：首先，所选单元要有代表性；其次，要对可能因荷载较大、截面较小而引起强度不足的局部特殊部位进行核算。本工程拟对以下单元进行强度验算（平面位置见图45）：图45 砖墙核算部位平面示意图1、 窗间墙：代表教学楼五层外墙窗间墙的一般情况。选择时要注意选取楼层荷载较大，否则不能满足最不利荷载情况。立面见图46。2、 门间墙：代表教学楼五层内纵墙门间墙的一般情况。立面见图47。3、 门厅墙：立面图48 。 除了以上计算单元外，其他横墙及行政区的内纵墙都没有被选为计算单元。这是因为：大部分横墙不承受楼板传来的荷载，其所受压应力必然很小；即使部分横墙承受短向板传来的荷载，但由于墙上洞口削弱较少，应力不会超过内纵墙。实际工程中究竟选哪些部分进行验算，和工程的复杂程度，设计人员的经验有关系。凡是设计人员认为没有把握的地方，都应进行验算。4.2.2墙体验算 墙体验算是混合结构建筑结构计算的重要组成部分。它可以用下列一般格式进行验算；亦可用自行设计的表格进行验算。两种格式都可使用。本例在计算墙体及基础时，楼面活荷载不予折减。下面仅以窗间墙为例进行（图49）：图491、五层墙体验算。因考虑四、五层墙体采用同一强度等级的砖和砂浆（MU10，M5，）。而五层墙体荷载较四层为轻，故不必验算。2、四层墙体验算（IIII，VIVI截面）a IIII截面荷载： 标准值 设计值屋面 2.56x3x3=23.04 3.2x3x3=28.8 楼板 5.43x3x3=48.87 6.92x3x3=62.28墙重 ( 3.70x3-2.1x2.1)x7.77=51.98 51.98x1.2=62.38 =123.89 KN =153.46KN预制板搭在墙70mm，但因它伸出钢筋锚入现浇的钢筋混凝土圈梁，则可按搭在墙上250mm考虑（图49）(注：此处和前面圈梁设计不一致，主要是想提示大家该种做法的支撑长度考虑)。板的有效支承长度近似按下式算出： 四层楼面板对墙偏心引起的弯矩，=48.87x139.32=6808.57IIII截面偏心距e= 54.96 （由荷载标准值算得）b IIII截面墙体强度验算 ， ； =0.15由、M2.5，查相关表格数据得 =0.55 0.55x370x900x1.50=274725N取 274.73KN=153.46KN，满足要求。cVIVI截面荷载 标准值 设计值上部传来荷载 123.89 KN 153.46KN 本层（第四层）墙体重 51.98KN 62.38KN = 175.87KN =215.84KNdVIVI截面墙体强度验算截面按轴心受压构件验算 ，由、M2.5查相关表格数据可得 0.83x370x900x1.50=414585N取 414.59KN=215.84KN，故满足要求。3、三层墙体验算（IVIV、IIIIII截面） a IVIV截面荷载 标准值 设计值上部传来的荷载 175.87KN 215.84KN楼板 48.87KN 62.28KN = 224.74KN =278.12KN 四层楼面板对墙偏心引起的弯矩,=48.87x139.32=6808.57IVIV截面偏心距, e=6808.57/224.74=30.30mmb. IVIV截面墙体强度验算 、30.30/370=0.08、M2.5，查表得 ，=0.655 0.655x370x900x1.50=327172.5N取 327.17KN =278.12KN ，满足要求。C截面荷载标准值 设计值上部传来荷载 224.74KN 278.12KN 本层（第三层）墙体自重 51.98KN 62.38KN = 276.72KN = 340.5KN d截面墙体强度验算截面墙体按轴心受压构件验算 ，M2.5，0.83x370x900x1.50=414585N取414.59KN=340.5KN，满足要求。4、第二层墙体验算（IIII、II截面）a IIII截面荷载 标准值 设计值上部传来荷载 276.72KN 340.5KN 楼板 48.87KN 62.28KN =325.59KN =402.78KN三层楼面板对墙偏心引起的弯矩 =48.87x139.32=6808.57IIII截面偏心距, e=6808.57/325.59=20.91mmb. IIII截面墙体强度验算 、20.91/370=0.0565、M2.5，查表得 ，=0.73 0.73x370x900x1.50=364635N取 364.64KN=402.78KN ，满足要求。C.II截面荷载标准值 设计值上部传来荷载 325.59KN 402.78KN 本层（第二层）墙体自重 51.98KN 62.38KN = 377.57KN =465.16K N dII截面墙体强度验算II截面墙体按轴心受压构件验算 ，M2.5，=0.87，0.87x370x900x1.69=489.61KN取489.61KN=465.16KN，满足要求。5、首层墙体验算（II，00截面）b II截面荷载 标准值 设计值上部传来荷载 377.57KN 465.16K N 楼板 48.87KN 62.28KN =426.11KN =527.44KN三层楼面板对墙偏心引起的弯矩 =48.87x139.32=6808.57IIII截面偏心距, e=6808.57/426.11=15.98mmb. IIII截面墙体强度验算 、15.98/370=0.0432、M7.5，查表得 ，=0.777 0.777x370x900x1.69=437.27KN取 437.27KN=426.11KN ，满足要求。C.00截面荷载标准值 设计值上部传来荷载 426.11KN 527.44KN 本层（第一层）墙体自重 51.98KN 62.38KN = 478.09KN = 589.82KN dII截面墙体强度验算II截面墙体按轴心受压构件验算 ，M7.5，=0.87，0.87x370x900x1.69=489.61KN取489.61KN=589.82KN，4.2.3各区各层砂浆强度等级和砖强度等级的确定表表44 各层砂浆强度等级计算部位首层二层三层四层五层教学区五层部分外墙教学区内纵墙教学区五层部分内墙垛M7.5M7.5M7.5M7.5M7.5M7.5M5M5M5M5M5M5M5M5M5计算部位首层二层三层四层五层教学区五层部分外墙教学区内纵墙教学区五层部分内墙垛MU15MU15MU15MU10MU10MU10MU10MU10MU10MU10MU10MU10MU10MU10MU10表45 各层砖强度等级4.3基础计算已知地基的允许承载力设计值，室内地坪的绝对标高为67.100m，基础砌置标高为65.500m。距室内地坪1.60m，室内外高差300mm。墙体条形基础宽度按下式计算 墙体在室内（0.000）处每米长的荷载设计值：对没有开洞的墙体（如横墙等）直接取1m墙体进行计算；对开有门窗洞口的墙体（如外墙、内纵墙等）则可取一个房间范围内的墙体进行计算，然后除以墙体长