土木工程毕业设计计算书论文-四层公寓楼设计.doc

西京学院1. 工程概况本工程为空军工程学院留学生公寓楼。总建筑面积5054.4平方米，此建筑纵向长为70.2m,主体横向18m，主体结构共4层，层高为3.0m。风荷载：基本风压=0.4kN，地面粗糙度为B类。雨雪条件：基本雪压为0.25kN。抗震设计条件：建设场地的地震基本烈度为8度，建筑抗震类别为乙类，建筑结构抗震等级为框架二级，场地土为II类。建筑结构的安全等级为二级，设计地震分组为第一组。设计使用年限为50年。2. 结构布置及计算简图 根据房屋的使用功能及建筑设计的要求，进行了建筑平面，立面及剖面设计，标准建筑平面，结构平面。填充墙采用240mm厚的烧结空心砖砌筑。门为木门，门洞0.9m2.1m,3.0m2.7m,0.8m2.1m，1.22.4，2.42.1。窗为塑钢窗，洞口尺寸为1.8m1.8m，1.8 0.8，1.8m1.5m，2.4m0.8m。楼盖及屋盖均采用现浇钢筋混凝土结构，楼板厚度取100mm.梁截面高度按梁跨度1/12-1/8估算，由此估算的梁截面尺寸见表1,表中还给出了各层梁，柱和板的混凝土强度等级。其设计强度： C35(),C30() 表1 梁截面尺寸（mm）及各层混凝土强度等级层次混凝土强度等级横梁（bh）纵梁(bh)次梁（bh）AB跨，CD跨BC跨2-4C303006002503003006003005001C35300600250300300600300500由已知条件查表可知该框架结构的抗震等级为二级，其轴压比限值=0.8,各层的重力荷载代表值近似取14kN。则边柱及中柱的负载面积7.83.9m和7.85.1m。由式A 得各层柱截面面积为：边柱： A中柱： 如取柱截面为正方形，则边柱和中柱截面长度分别为407mm和457mm。根据以上计算结果并考虑其它因素，柱截面尺寸取值为：底层柱600600mm，其它层柱550550基础选用柱下独立基础，基础埋深1.55m,基础高1.0m。框架结构计算简图如图1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层柱高即层高取3.0m.底层柱高度从基础顶面算至一层楼底即h=3.0+0.45+0.55=4.0 取h=4.0m (a) 横向框架 (b) 纵向框架 图1 框架结构计算简图3. 重力荷载计算3.1. 屋面及楼面的永久荷载标准值 屋面（不上人） 30厚细石混凝土保护层 22 三毡四油防水层 0.4kN 20厚水泥砂浆找平层 20 240厚水泥蛭石保温层 3100厚钢筋混凝土板 25合计 4.82 kN 1-3层楼面荷载： 8mm厚瓷砖地砖 0.55100厚钢筋混凝土板 25 20mm厚硬性水泥砂浆找平层 0.0220=0.400合计 3.53.2. 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 2.0 楼面活荷载标准值 2.0屋面雪荷载标准值 0.25合计 4.253.3. 梁、柱、墙、窗、门重力荷载计算梁，柱可根据截面尺寸，材料容重及粉刷等计算长度上的重力荷载对墙，窗，门等可计算单位面积上的重力荷载。具体过程略，计算结果见表2。表2 梁、柱重力荷载标准值层次构件b/mh/mr/g/n1边横梁0.30.6251.054.7257.20024816.483614.934中横梁0.250.3251.051.9691.8001035.442次梁0.30.5251.053.9387.40514408.25246纵梁0.30.6251.054.7257.20018612.36柱0.60.6251.109.94.0441742.424边横梁0.30.6251.054.7257.20024816.488481.882中横梁0.250.3251.051.9691.8001035.442次梁0.30.5251.053.9387.40514408.25246纵梁0.30.6251.0547.257.200186123.6柱0.550.55251.108.3193.0441098.108注：1.表中为考虑梁柱的粉刷层重力荷载而对其重力荷载的增大系数；g表示单位长度构件重力荷载；n为构件数量2.长度取净长，柱长度取层高。外墙为490mm厚砌块，外墙面贴瓷砖（0.5）内墙面为20mm厚抹灰，则外墙单位墙面重力荷载为： 内墙为240mm厚砌块，两侧均为20mm厚抹灰，则内墙单位墙面重力荷载为： 木门单位面积重力荷载为0.2；铝合金窗单位面积重力荷载为0.4kN/m。3.4. 重力荷载代表值集中于各楼层标高处的重力荷载代表值G为计算单元范围内各层楼面上的重力荷载代表值及上下各半层的墙柱等重量，计算G时，各可变荷载的组合值按表1.16的规定采用，屋面上的可变荷载均取雪荷载。具体计算过程略，计算结果见图3。4. 框架侧移刚度计算图 2 重力荷载代表值 4.1. 横向框架侧移刚度计算 表3 横梁线刚度类别层次边横梁1341078002.18103.27104.36102-43.0103006005.41078002.08103.12104.1510中横梁1362524007.381.11101.48102-43.0102503005.62524007.031.05101.4110表4 柱线刚度计算表层次14000308108.505102-430003.0105505507.637.62610横向侧移刚度计算方法如下。横梁线刚度计算过程见表4.柱的侧移刚度D值按下式计算D=,为柱的侧移刚度修正系数，可由表2.2 所列公式计算。根据梁、柱线刚度比的不同，柱分为中框架中柱和边柱，边框架中柱和边柱以及楼梯间柱等。现以第2层B-3柱的侧移刚度计算为例，说明计算过程，其余柱的计算过程略，计算结果见表。第2层C-7柱及其与其相连的梁的相对线刚度如图3所示，图中数据取自表3和4，由表2.2可得梁柱线刚度比为 图 4柱及梁的相对线刚度表5 中框架柱侧移刚度D值（）层次边柱（14）中柱（14）0.5580.218221660.7470.2722765769752210.5130.403257060.6780.44028067752822表6 边框架柱侧移刚度D值（）层次A-1,A-19,D-1,D-19B-1,B-19,C-1,C-192.2230.526534840.3740.1581606527816010.2560.335213690.3430.36022964177332 表7 楼梯间框架柱侧移刚度D值（）层次C-6,C-7,C-13,C-14D-6,D-7,D-13,D-140.4190.173175910.5610.2192226815943610.3840.371236650.5150.40425770197740将上述不同情况下同层框架柱侧移刚度相加，即得框架各层层间侧移刚度，见下表8。表8 框架各层层间侧移刚度层次12341127894113511811351181135118 由表8可见=0.9940.7,故该框架为规则框架。因为纵向框架侧移比横向纵向框架小，故不用验算纵向框架侧移刚度。5. 横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算5.1. 横向水平地震作用下框架结构的内力和侧移计算5.1.1 横向自振周期计算 结构顶点的假想侧移由式计算。计算过程见下表9。表9 结构顶点的假想侧移层次46883.896883.8911351186.1 61.1 36883.8913767.78113511812.1 55.0 26883.8920651.67113511818.2 42.9 17205.1927856.86112789424.7 24.7 按式计算基本周期，其中的量纲为m，取=0.7则：=0.294s5.1.2 水平地震作用及楼层地震剪力计算 因为本设计方案中结构高度不超过40m,质量和刚度沿高度分布较均匀，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:=0.85（7205.19+6883.893）=23678.33kN 因1.4T 所以应不考虑顶部附加水平地震作用。各质点的水平地震作用按式 将上述和代入可得具体过程见表10。各楼层地震剪力按式，结果仍见表10。表10 各质点横向水平地震作用及楼层地震剪力计算表层次413.06883.8989490.57 0.38 72.03 72.03 310.06883.8968838.90 0.29 55.41 127.44 27.06883.8948187.23 0.20 38.79 166.23 14.07205.1928820.76 0.12 23.20 189.43 各质点水平地震作用及楼层地震剪力沿房屋高度的分布见图5。5.1.3 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分别按式（）=和式u=，计算过程见表11。表中还计算了各层的层间弹性位移角。 图4 楼层地震剪力表11 横向水平地震作用下的位移验算层次472.0311351180.060.4930001/472773127.4411351180.110.4330001/267212166.2311351180.150.3130001/204861189.4311278940.170.1740001/23817由表11可见,最大层间弹性位移角发生在第2层，其值为1/204861/550，满足的要求，其中。5.1.4 水平地震作用下框架内力计算以平面图中轴线横向框架内力计算为例，说明计算方法其余框架内力计算略。框架柱端剪力及弯矩分别按式和计算，其中取自表5，取自表8，层间剪力取自表11。各柱反弯点高度比y按式确定，其中由表查得。本计算中底层柱需考虑修正值，第2层柱需考虑修正值，其余柱均无修正。具体过程及结果见下表12。表12 各层柱端剪力及弯矩计算层次边柱中柱yy43.072.031135118221661.410.080.241.015.23276571.763.150.452.372.9033.0127.441135118221662.490.080.000.007.47276573.113.150.464.285.0323.0166.231135118221663.250.080.161.568.18276574.053.150.506.086.0814.0189.431127894257064.320.080.325.5311.74280674.713.150.509.439.43注：表中M量纲为V量纲为。 梁端弯矩，剪力及柱轴力分别按下式计算：； ； 式其中梁线刚度取自表3，具体过程见表13。 表13 梁端弯矩、剪力及柱轴力计算层次边梁中横梁柱轴力边柱N中柱N45.230.667.80.762.242.242.41.87-0.76-1.1136.461.697.81.042.712.712.42.26-1.8-2.3328.182.377.81.357.997.992.46.66-3.15-7.64113.33.547.82.1611.9711.972.49.98-5.31-15.46注：1）柱轴力中的负号表示拉力。当为左震时，左侧两根柱为拉力，对应的右侧两根柱为压力。 2）表中M单位为KN.m,V的单位为kN，N的单位为kN，l的单位为m 。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所示。 图5 左地震作用下框架弯矩，梁端剪力及柱轴力图5.2. 横向风荷载作用下框架内力和侧移计算5.2.1 风荷载标准值 风荷载标准值按式。基本风压=0.4由荷载规范第7.3节查得（迎风面）和（背风面）。B类地区，H/B=13.0/70.2=0.19，由表1.15查得 =0.42; 由表查得 表14 沿房屋高度分布风荷载标准值层次413.01.001.071.444.332.70310.00.7691.001.363.822.3927.00.5381.001.263.542.2114.00.3081.001.153.232.02 (a)风荷载沿房屋高度的分布（单位:） (b)等效节点、集中风荷载（单位:kN） 图6 框架上的风荷载取轴线横向框架，其负载宽度为7.8m,由式得沿房屋高度的分布风荷载标准值为：q=根据各楼层标高处的高度，,代入上式可得各楼层标高处的 q(z),见下表14；q(z)沿房屋高度的分布见图 6（a）荷载规范规定，对于高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋结构，应采用风振系数来考虑风压脉动的影响。本设计中房屋高度H=13.0m30m,且H/B=0.19,风压脉动的影响较小。因此，该房屋无需考虑风压脉动的影响。框架结构分析时，应按静力等效原理将图6（a）的分布风荷载转化为节点集中荷载，如图6（b）所示，集中荷载：5.2.2 风荷载作用下的水平位移验算. 根据图6（b）所示的水平荷载由式计算层间剪力，然后依据表5求出轴线框架的层间侧移刚度，再按式计算各层的相对侧移和绝对侧移。计算过程见表15。5.2.3 风荷载作用下框架结构内力计算风荷载作用下框架结构内力计算过程与水平地震作用下的相同。仍以轴线横向框架计算为例，其余框架内力计算从略。轴线横向框架在风荷载作用下的弯矩。梁端剪力及柱轴力见图7表15 风荷载作用下框架层间剪力及侧移计算层次123417.7517.2321.5120.6877.1759.4242.1920.681075469964699646996460.720.600.420.210.721.311.741.940.1793883550.19877030.14113290.0691782 由表15可见，风荷载作用下框架的最大层间位移角为1/5031远小于1/550，满足规范要求。 表16 风荷载作用下各层柱端剪力及弯矩计算层次边柱中柱yy43.020.681135118221660.400.080.240.291.50276570.503.150.450.680.8333.042.191135118221660.820.080.000.362.47276571.033.150.461.421.6723.059.421135118221661.160.080.160.562.92276571.453.150.502.172.1714.077.171127894257061.760.080.322.254.78280671.923.150.503.843.84 注：表中M量纲为V量纲为。表17 风荷载作用下梁端弯矩，剪力及柱轴力计算层次边梁中横梁柱轴力边柱N中柱N41.500.627.80.270.210.212.40.18-0.27-0.0932.181.767.80.510.590.592.40.49-0.78-0.0722.292.687.80.640.910.912.40.76-1.42-0.1915.344.497.81.261.521.522.41.27-2.94-0.2注：1 柱轴力中的负号表示拉力。当为左震时，左侧两根柱为拉力，对应的右侧两根柱为压力。 2 表中M单位为KN.m,V的单位为kN，N的单位为kN，l的单位为m。6. 竖向荷载作用下框架结构的内力计算6.1. 横向框架内力计算6.1.1 计算单元取轴线横向框架进行计算，计算单元宽度为7.8m,如图8所示。由于房间内布置有次梁，故直接传给该框架的楼面荷载如图中的水平阴影线所示，计算单元范围内的其余楼面荷载则通过次梁和纵向框架梁以集中力的形式传给横向框架，作用于各节点上。由于纵向框架的中心线与柱的中心线不重合，因此在框架节点上还作用有集中力矩。 在图9 中，对于第4层： 为房间和走道板传给横梁的梯形和三角形荷载，由图9所示几何关系可得： 分别为由边纵梁、中纵梁直接传给柱的恒荷载，它包括梁自重、楼板重、女儿墙等重力荷载。计算如下：(a)框架弯矩图 (b) 梁端剪力及柱轴力图图7 横向框架在水平风荷载作用下的弯矩、梁端剪力和轴力图 图8横向框架计算单元6.1.2 荷载计算6.1.2.1 恒荷计算 图9 各层梁上作用的恒载 =127.37kN =148.76kN集中力矩： 对23层，包括梁自重和其上横墙自重，为均布荷载形式。其它荷载计算方法同第6层，结果为： =169.43kN 对1层 6.1.2.2 活荷载计算活荷载作用下各层框架梁上的荷载分布如图11所示。对于第4层： 图10 各层梁上作用的活载同理，在屋面雪荷载作用下 对25层 对1层 将以上计算结果汇总表18，表19。 表18 横向框架恒载汇总表层次43.9383.1517.35211.568127.37148.7615.9218.602320.013.1512.68.4169.43223.3121.1827.91110.013.1512.68.475.31228.2122.0428.536.1.3 内力计算梁端、柱端弯矩采用二次分配法计算。由于结构和荷载均对称，故计算时可用半框架。其中恒荷载弯矩计算过程及所得的弯矩如图11所示，活荷载弯矩计算过程及所得的弯矩表19 横向框架活载汇总表层次47.24.822.8363.64.5257.24.822.8363.64.517.24.828.84.326.655.4如图12所示。梁端剪力可根据梁上竖向荷载引起的剪力与梁端弯矩引起的剪力叠加而得。柱轴力可由梁端剪力和节点集中力叠加得到。计算柱底轴力还需考虑柱的自重，如表20和表21。6.2. 横向框架内力组合6.2.1 结构抗震等级结构的抗震等级可根据结构类型、地震烈度、房屋高度确定。本工程为二级抗震等级。6.2.2 框架梁内力组合 本设计方案中考虑了四种内力组合，即， ，。此外，对于本方案这种内力组合与考虑地震作用的组合相比一般较小，对结构设计不起控制作用，故不予考虑。各层梁的内力组合见表22，表中，两列中的梁端弯矩M为经过调幅后的弯矩（调整系数为0.75）。现以第一层AB跨梁考虑地震作用的组合为例，说明各内力的组合方法。对支座负弯矩按相应的组合情况进行计算，求跨间最大正弯矩时，可根据梁端弯矩组合值及梁上荷载设计图11 分配及弯矩图（M单位：） 表20 恒荷作用下梁端剪力及柱轴力（kN）层次荷载引起剪力弯矩引起剪力总剪力柱轴力AB跨BC跨AB跨BC跨AB跨BC跨A柱B柱462.3111.67-0.31062.062.6211.67189.37216.82211.38238.83396.708.82-0.12096.5896.828.82482.38510.28558.96586.41296.708.82-0.15096.5596.858.821363.121390.571601.791629.24196.708.82-0.20096.5096.98.821663.381713.871954.352004.8表21 活荷载作用下梁端剪力及柱轴力（kN）层次荷载引起剪力弯矩引起剪力总剪力柱轴力AB跨BC跨AB跨BC跨AB跨BC跨A柱B柱=420.952.88-0.12020.8321.072.8849.6357.07320.952.88-0.16020.7921.112.8892.22114.18220.952.88-0.05020.9120.992.88248.35285.15120.952.88-0.08020.8721.032.88298.02342.18 图12 活荷载作用下的弯矩分配及弯矩图（M单位：kN.m）图14 均布和梯形荷载作用下的计算图形 图15 均布和三角形荷载作用下的计算图形值，由平衡条件确定。由图14可得 若，说明,其中x为最大正弯矩截面至A支座的距离，则x可由下式求解：，将求得的x值代入下式即可求得跨间最大正弯矩值。 若，说明，则 ；若，则 同理，可求得三角形分布荷载和均布荷载作用下的的计算公式（图15） x 由下式解得： 本设计中，梁上荷载设计值 左震 则x可由 解得则 右震 则 剪力计算：AB净跨 左震： 右震 则 - 57 -表22 框架梁内力组合层次截面位置内力一层AM-25.01-14.115.06109.77-41.42-54.1778.17-135.88-47.87-49.77112.57V96.520.871.5032.53140.21143.9973.13145.02151.15145.02M-25.94-14.483.9485.39-54.34-44.41-113.1253.39-49.50-51.40V96.921.031.5032.53144.67140.89145.5173.62151.85145.72M-1.88-1.745.88145.232.96-11.86139.12-144.07-4.28-4.69187.95V8.822.884.90121.038.0420.39-123.27144.2014.7914.62跨间136.88329.56238.79238.79三层AM-25.2-14.43.7090.28-53.05-43.72-117.1858.86-48.42-50.40105.67V96.5520.912.8628.09145.81138.60140.1878.11151.25145.13M-25.94-14.613.2178.28-45.49-53.5846.40-106.24-49.63-51.58V96.8520.992.8628.09139.06146.2778.45140.53151.74145.61M-1.88-1.564.11100.170.96-9.4095.27-100.06-4.10-4.4491.58V8.822.883.9883.489.2019.23-81.78102.7114.7914.62跨间185.56291.67128.50128.50续表22 框架梁内力组合四层AM-32.68-13.630.9723.58-55.17-57.61-12.56-58.54-57.75-58.3062.70V6220.830.276.60100.31100.9966.5781.16104.53103.56M-34.15-14.090.6516.01-57.91-59.55-21.47-52.69-60.19-60.71V62.6221.070.276.60101.35102.0367.3381.91105.61104.64M-4.82-2.120.8320.48-9.50-7.41-25.2614.68-8.63-8.7554.77V11.672.880.6917.0718.5016.7632.23-5.4918.6318.04跨间86.84212.3921.4921.49 表23 A柱柱端弯矩及轴力组合层次截面内力NMM4柱顶M24.9313.440.9723.5845.6348.075.8654.9147.1048.7354.915.8647.10N189.3749.630.276.60289.44290.12198.75212.48305.28296.73290.12198.75305.28柱底M-10.15-8.56-0.28-6.58-22.61-23.32-6.73-20.70-22.26-24.16-6.73-6.73-22.26N216.8249.630.276.60322.38323.06225.11238.83342.34329.67225.11225.11342.343柱顶M5.167.22.4158.0312.2318.30-51.9468.7614.1716.2768.76-51.9414.17N1069.69198.642.8671.651530.311537.521047.731196.771642.721561.721196.771047.731642.72柱底M-5.26-7.29-1.98-47.48-13.00-17.9940.83-57.93-14.39-16.5240.8340.83-14.39N1097.14198.642.8671.651563.251570.461074.091223.121679.781594.661074.091074.091679.782柱顶M5.047.12.5758.6611.7618.23-52.7669.2513.9015.9969.25-52.7613.90N1363.12248.354.24103.871943.321954.011319.781535.832088.561983.431535.831319.782088.56柱底M-5.83-8.31-2.57-58.66-14.23-20.7051.42-70.59-16.18-18.6351.4251.42-16.18N1390.57248.354.24103.871976.261986.951346.131562.182125.622016.371346.131346.132125.621柱顶M3.395.012.4951.117.2413.52-47.5058.819.5911.0858.81-47.509.59N1663.38298.025.74136.402364.332378.791598.041881.752543.582413.281881.751598.042543.58柱底M-1.7-2.51-7.46-153.344.20-14.60156.64-162.31-4.81-5.55156.64156.64-4.81N1713.09298.025.74136.402423.982438.451645.761929.472610.692472.941645.761645.762610.69 表24 横向框架A柱柱端组合弯局设计值的调整层次4321截面柱顶柱底柱顶柱底柱顶柱底柱顶柱底129.62109.68151.72178.38129.56211.3691.28536.39212.48238.831196.771223.121535.831562.181881.751929.47注：表中弯矩为相应于本层柱净高上，下梁端的弯矩设计值表25 横向框架A柱剪力组合（kN）层次4-10.63-6.710.389.22-20.73-21.69-3.60-21.58-21.06-22.1548.453-3.16-4.391.3331.97-7.65-11.0026.35-35.99-8.66-9.94133.622-3.3-4.671.5635.55-7.88-11.8129.59-39.73-9.13-10.50153.231-1-1.471.9561.95-0.60-5.5158.84-61.96-2.82-3.26176.45 注：表中V以绕柱端顺时针为正。为相应于本层柱净高上、下两端的设计值层次截面内力NM M4柱顶M-18.07-10.591.4836.49-36.89-33.16-60.3815.52-34.98-36.5115.52-60.38-34.98N211.3857.070.42-10.47325.04326.09219.43241.21342.43333.55241.21219.43342.43柱底M5.57.23-0.8019.4716.7214.7029.00-11.5014.6616.72-11.5029.0014.66N238.8357.070.42-10.47357.98359.03245.78267.56379.49366.49267.56245.78379.493柱顶M-1.08-5.684.55-107.05-14.19-2.72-115.10107.57-7.14-9.25107.57-115.10-7.14N1254.18228.165.35-117.931785.761799.241190.881436.181921.301824.441436.181190.881921.30柱底M1.136.05-3.6487.5913.574.3995.08-87.107.589.83-87.1095.087.58N1281.63228.165.35-117.931818.701832.181217.231462.531958.361857.381462.531217.231958.36表26 B柱柱端弯矩及轴力组合2柱顶M-1-5.84.87-111.18-14.64-2.37-119.37111.88-7.15-9.32111.88-119.37-7.15N1601.71285.157.95-178.692271.322291.361488.681860.352447.462321.261860.351488.682447.46柱底M0.976.57-4.87111.1815.583.31119.71-111.547.8810.36-111.54119.717.88N1627.04285.157.95-178.692301.722321.751512.99