12班初级中学教学楼建筑框架设计.doc

2015届建筑结构专业毕业设计12班初级中学教学楼建筑框架设计 第一章 建筑设计1.1 建筑概况（1）建设地点：本建筑位于城市新建的居住小区内，基地平坦。地面粗糙度为C类。 图1-1 建筑地形图 (2)建筑类型：五层教学楼，框架填充墙结构(3)建筑技术条件 地形概况：拟建工程位于市区，地形较平坦，地质情况较为简单，无不良地质现象。 气象条件：基本风压 ，基本雪压， 水文地质条件：场地地下水及土层对砼、砼内钢筋及钢结构等无腐蚀性。 地震效应评价及地基岩土承载力特征值建议值 该场地抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，该场地设计基本地震加速度值为0.15g，建筑场地类别为类。 建筑地层一览表（标准值）序号岩土分类厚度范围(m)天然重度(KN/m3)地基承载力fak(kpa)1杂填土1.0202强风化泥岩722.84103中风化基岩12.25.03300 1.2 建筑平面图 图1-2 建筑平面布置图 图1-3 建筑剖面图 图1-4 建筑剖面图 教学楼尺寸为45.9m18m，教学楼的纵向长度为45.9m，横向长度为16.8m。建筑总高度为21m，室内外高差为0.45m，基础采用柱下独立基础，总建筑面积为4109平方米。教学楼与多功能厅之间有一个2.1m的走廊相连接，多功能厅的层高为4.5m，尺寸为12m18m。 楼梯布置:本栋教学楼布置两部楼梯和一部电梯，楼梯的尺寸为36007200， -轴和-轴各设置一部。电梯尺寸为36003600。第二章 结构布置及有关尺寸的初步估算2.1 结构布置及梁,柱截面尺寸的初选本工程结构布置如下图所示，选取横向框架作为计算单元 图2-1 结构平面布置图2.1.1 结构选型 根据建筑办公楼的要求，为使平面布置灵活，获得较大的使用空间，本结构采用混凝土框架结构体系，屋面结构采用现浇混凝土肋型屋盖刚柔性结合的屋面，板厚100mm。楼面结构，采用现浇混凝土肋型楼盖，板厚100mm。楼梯结构，采用混凝土板式楼梯。2.1.3 梁柱截面尺寸初估梁、柱截面尺寸的估算：（1）梁截面 1.AB跨： 主梁：L =7200mm h=（）L=600mm900mm,取h=700mm b=（）h=233mm350mm，取b=300mm 故横向与纵向框架梁的尺寸为300mm700mm 次梁：横向与纵向框架次梁尺寸为300mm500mm 2.BC跨：BC跨横向框架梁的尺寸为300mm500mm。(2)柱截面 考虑地震作用组合的各种结构类型，采用轴压比来估算柱的截面尺寸，按下式计算： ：为考虑地震作用组合后柱轴力压力增大系数，边柱取1.3，等跨内柱取1.2,不等 跨取1.25； 则底层中柱的轴力设计值为 N=1.2147.2(7.2+3)/25=3084.48kN该项目工程全部使用C30的混凝土, 查表 =14.3N/mm2 ，(轴压比)，其中由于抗震等级为三级，故=0.9。 故将框架柱的尺寸确定为bh=500mm500mm。并且为了施工的方便性，可以使得各层的所有柱子的截面尺寸都保持不变。2.1.4计算简图将基础距离室外地坪的高度设为0.8m，室内外高差为0.45m，所以底层的柱子高 度为h=3.6+0.8+0.45=4.85m，其余各层柱高从楼面算到上一层楼面，所以都是3.6m,于是框架的计算见图为下图2-2表示。 图2-2 横向框架计算简图2.2 荷载计算2.2.1 屋面与楼面的恒荷载标准值计算一、屋面防水层（刚性）：30厚C20细石混凝土 24 0.03=0.72防水层（柔性）：三毡四油上面铺小石子 0.4 找平层：15厚水泥砂浆 0.015m200.3找坡层：40厚水泥石灰焦渣砂浆找坡 0.040m140.56保温层：60厚矿渣水泥 0.060m140.84结构层：100厚现浇钢筋混凝土板 0.10m252.5抹灰层：10厚混合砂浆 0.01m170.17合计 5.87 二.标准层楼面： 水磨石面层 0.65 20厚1：3干硬性水泥砂浆 0.02m200.4结构层：100厚现浇钢筋混凝土板 0.10m252.5抹灰层：10厚混合砂浆 0.01m170.17合计： 4.13 三卫生间楼面2厚水泥砂浆贴10厚300 300防滑地砖 0. 3420厚水泥细砂浆面层 0.02m200.430厚水泥砂浆找坡 （0.03+3.40.01/2）m200.9615厚水泥砂浆找平 0.015m200.3结构层：100厚现浇钢筋混凝土板 0.10m252.5抹灰层：10厚混合砂浆 0.01m170.17合计： 5.17 2.2.2 屋面与楼面活荷载计算一、根据荷载规范查得 ：屋面：2.0楼 面：2.5走 廊: 3.5二.雪荷载=1.00.65 =0.65 2.2.3 梁、柱、墙、门、窗的重力荷载计算一、梁自重：1.边横梁、纵梁：bh=300mm700mm梁自重： (0.7m-0.12m)250.3m =4.35 抹灰层：10厚混合砂浆： (0.7m-0.12m)2+0.3m 0.01m17=0.25合计： 4.6 2中横梁：bh=300mm500mm梁自重： (0.5m-0.12m) 25 0.3m =2.85抹灰层：10厚混合砂浆： (0. 5m-0.12m)2+0.3m 0.01m17=0.18 合计： 3.03 3.次梁：bh=300 mm500 mm因为次梁的尺寸和作法相同，所以次梁的重力荷载也是3.03。4.基础梁：bh=300 mm500mm梁自重： 25 0.3m0.5m=3.75二.柱自重：柱尺寸：bh=500 mm500 mm柱自重： 0.5m0.5m25 =6.25抹灰层：10厚混合砂浆： 0.01m0.5m417=0.34 合计： 6.59 三.外墙自重：标准层：墙体： （3.6m-1.8m-0.5m）0.20m9.8=4.32铝合金窗： 0.35 1.8m=0.63 水刷石外墙面： （3.6m-1.8m）0.5 =0.9 水泥粉刷内墙面： （3.6m-1.8m）0.36 =0.648合计： 6.498 底层：墙体： （3.6m-1.8m-0.5m）0.20m9.8=4.32 铝合金窗： 0.35 1.8m=0.63 水刷石外墙面： （3.6m-1.8m）0.5 =0.9水泥粉刷内墙面： （3.6m-1.8m）0.36 =0.648合计： 6.498 四.内墙自重：标准层：墙体： （3.6m-0.5m）0.20m9.8=6.2水泥粉刷内墙面： 3.6m0.36 2=2.16合计： 8.36 底层：墙体： （3.6m-0.5m）0.2m0.98=6.2 水泥粉刷内墙面： 3.6m0.36 2=2.16 合计： 8.36 五.女儿墙自重：女儿墙使用200mm厚的水泥空心砖，=9.8kN/m3，两侧均为20mm厚的抹灰，墙高设计为900mm，另外上面为100厚混凝土盖顶。则单位面积内的重力荷载为：9.80.20m+170.02m2=2.33第三章 结构的线刚度与横向侧移刚度计算3.1 结构的线刚度计算 在框架结构中，为了增大梁的有效翼缘，增大梁的有效刚度，减少框架的侧移，现浇楼板的楼可以作为梁的有效翼缘。为考虑这一有利的作用，在计算梁的截面惯性矩的时候，对于中框架取I=2 Io（Io为梁的截面惯性矩），边跨梁I=1.5 Io 梁采用C30混凝土，查表的，其弹性模量i边EI/L=中跨梁：i中EI/L=底层柱：i底EI/L=其余各层柱：i上EI/L=令i上1.0,则其余各杆件的相对线刚度为： i边 i中 i底则该框架的相对线刚度如下图3-1所示：1.01.241.441.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.00.741.241.241.241.241.241.241.241.241.241.441.441.441.440.740.740.74 图3-1 框架梁柱的相对线刚度3.2 结构的横向侧移刚度计算底层： A、D柱 B、C柱 标准层： A、D柱 B、C柱 计算结果见下表3-1：表3-1 横向侧移刚度统计表层号12345D43531.0876834.0876834.0876834.0876834.08第四章 框架的风荷载、地震荷载集中于各楼层标高处的重力荷载代表值Gi4.1 地震荷载作用下的梁、柱、墙、门、窗重力荷载标准值4.1.1 梁、柱、墙、门、窗重力荷载标准值一墙自重1、外墙作法：全部使用200mm厚的水泥空心砖，=9.8kN/m3，,一侧为20mm的厚抹灰层，=17kN/，一 侧墙体为水刷石墙面，=0.5kN/。所以外墙的重力荷载标准值为：9.80.20m+170.02m+0.5 =6.24 2、内墙使用200mm厚的水泥空心砖，=9.8kN/m3,两侧均为20mm厚的抹灰层。所以内墙的单位面积重力荷载标准值为：9.80.20m+170.02m2=5.74二门窗单个重力荷载计算除大门为玻璃门，办公室为木门窗：全部使用铝合金玻璃窗4.1.2 重力荷载代表值 重力荷载代表值指该建筑物的相关构件自重标准值和可变荷载组合值之和。其中前所乘的系数0.5为可变荷载的组合值系数。当计算顶层时，可变荷载取雪荷载，系数仍取0.5。（1） 底层重力荷载代表值 恒载：首层板重 3.416.845.9=2621.8KN 表4-1 首层框架梁柱自重类别截面尺寸 mm密度kNm-3净跨 mm体积 数量单重KN总重KN主梁300X600 2554000.972 2024.3486主梁300X600 2560001.08 827216主梁300X600 2572001.296 1432.4453.6走道梁250X400 2524000.24 10660走道梁250X400 2521000.21 45.2521次梁200X500 2554000.54 1813.5243次梁200X500 2560000.6 41560次梁200X500 2572000.72 21836首层柱500X5002547001.1754029.371175二层柱500X5002536000.94022.5900 梁总重：1575.6KN二层外墙和墙重：981.07KN 二层内墙和门重：1306.7 KN首层外墙和窗重：961.6 KN 首层内墙和门重：1323.77 KN活载：楼面活载 7.2245.92.5+2.445.93.5=2037.9KN =2621.8+1575.6+（1175+900）/2+（981+1306.7+960.6+1323.77）/2+0.52033.9=8897.6KN 其余各层计算如上表4-1所示 集中于各楼层标高处的重力荷载代表值Gi的计算简图如下： 41各层重力荷载代表值 4.1.3 横向水平地震作用下框架的侧移计算表4-2 结构顶点的假想侧移计算表层次mm58092.68792.87776834.08716.3292.648056.816849.66276834.08731.3276.338056.824906.44776834.08746.3245.028056.832963.23276834.08761.3198.718897.641860.81143531.087137.4137.4框架的自振周期：取,则s4.1.4 横向水平地震作用下的楼层地震剪力计算根据抗震结构规范，建筑物高度不超过40m，变形以剪切型为主的且质量和刚度沿高度分布较均匀，可以使用底部剪力法计算水平地震作用。结构总的横向水平地震作用标准值计算如下： 查表得 ，；因为，所以可不考虑顶部附加地震作用分数。 计算各质点的水平地震作用标准值，将上述和代入可得 计算结果见表4-3：表4-3各质点横向水平地震作用下楼层地震剪力计算表层次HimGi/519.258092.6169262.880.336482.83682.51415.658056.8126088.690.250359.251041.76312.058056.897084.260.193277.341319.1028.458056.868079.830.135194.001513.1014.85 8897.6 43153.260.086123.581636.684.1.5 水平地震作用下的位移验算横向水平地震作用下的该一榀框架结构的每层间位移和顶点位移各按下面两式计算： 计算结果见表4-4所示，表中的层间弹性位移角=/。 表4-4层次 =/5682.5176834.0870.0013360041041.7676834.0870.0019360031319.1076834.0870.0025360021513.1076834.0870.0028360011636.6843531.0870.00544850由上表可知，该框架的最大层间位移角位于在第二层，其为/h= 1/550，满足要求。4.2 风荷载标准值计算及位移验算4.2.1 风荷载标准值计算 计算公式为： 计算结果见下表 层次51.31.00.8419.250.4020.167.7141.31.00.7415.650.4025.928.7331.31.00.7412.050.4025.928.7321.31.00.748.450.4025.928.7311.31.00.744.850.4029.710.00所以，该框架在风荷载作用下的标准值示意图见下图4-2：7.7116.4425.1733.943.9 图4-2 风荷载作用下的结构受荷图，单位为4.2.2 风荷载作用下框架的的位移验算风荷载作用下框架的层间位移计算公式为： 该框架在横向风荷载作用下的侧向位移计算结果见下表： 表4-6层次57.717.7176834.080.000013.60.00000348.7316.4476834.080.00023.60.0000638.73 25.1776834.080.00033.60.0000828.73 33.976834.080.00043.60.0001110.00 43.943531.080.0014.850.0002由上表可知，风荷载作用下该框架的最大层间位移角最大值为0.0002/h= 1/550，满足要求。 第五章 地震荷载与风荷载的内力计算5.1 水平地震荷载作用下的内力计算水平地震作用下的框架柱端弯矩使用D值法计算。5.1.1 各层柱端弯矩及剪力计算相关的计算公式： 具体计算结果见下表：表5-1层次hi/mVi/（N/mm）边柱中柱yy53.6682.51537838.5615390.9319.521.240.3021.0849.1923026.1129.212.680.3536.8068.3543.61041.76537838.5615390.9329.791.240.4042.9064.3523026.1144.592.680.4064.2196.3133.61319.10537838.5615390.9337.751.240.4561.1674.7523026.1156.462.680.4591.47 111.7923.61513.10537838.5615390.9343.301.240.5077.9477.9423026.1164.762.680.50116.57116.5714.851636.68304717.569724.6852.231.240.71179.8573.4612040.8664.673.6220.71222.6990.96表中M的单位为，V单位为。5.1.2 梁端弯矩、剪力及柱轴力计算通过以上计算所得的数据，使用节点弯矩平衡的计算方法，由梁线刚度按其分配的方式计算粱端弯矩。具体的计算公式为： 具体计算过程及结果详见表5-2:表5-2 层次边梁走道梁柱轴力边柱N中柱N549.1931.627.211.2236.7336.732.424.49-11.22-13.27485.4361.637.220.4371.4871.482.447.65-31.65-40.493117.6581.497.227.6694.5194.512.463.01-59.31-75.842139.1096.327.232.70111.72111.722.474.48-92.01-117.621151.4096.097.234.37111.44111.442.474.29-126.38-157.54 1、绘制内力图 （1）弯矩图：64.3561.6336.8096.3142.9074.75117.6561.16139.1077.9477.9473.46179.85151.485.4381.4964.2194.51111.7991.47111.72151.4116.57116.57111.44222.6971.4885.4361.6381.4996.3296.32139.1096.0994.51111.72111.4490.96117.6521.0849.9149.1931.6236.7368.3536.7331.6249.9171.4836.8096.3164.21111.7991.47116.57222.6990.9668.3564.3542.9074.7561.1677.9477.9473.46179.8521.0849.1996.09 图5-1 地震作用下的框架弯矩图M（）（2）剪力图根据弯矩和剪力的关系，可采用隔离体方法计算剪力 绘制剪力图如下：34.3752.2343.3032.7037.7527.3329.7920.4319.5211.2224.4929.2144.5947.6556.4663.0174.4864.7674.2964.67 图5-2 横向水平地震作用下的框架剪力图KN（3）轴力图横向框架在水平地震作用下的柱的轴力就等于梁端传来的梁端剪力，横向框架在水平地震作用下的轴力图如下图所示： 31.6559.3192.01126.3840.4975.84117.62157.5411.2213.27 图5-3 地震作用下的框架柱轴力图KN5.2 风荷载作用下的内力计算风荷载作用下的框架柱端弯矩使用D值法计算。5.2.1 各层柱端弯矩及剪力计算计算公式同地震荷载，具体计算结果见表5-3：表5-3 层次hi/mVi/（N/mm）边柱中柱yy53.67.7176834.0815390.931.541.240.301.663.8823026.112.312.680.352.915.4143.616.4476834.0815390.933.291.240.404.747.1123026.114.932.680.407.1010.6533.625.1776834.0815390.935.031.240.458.159.9623026.117.552.680.4512.2314.9523.633.976834.0815390.936.781.240.5012.2012.2023026.1110.172.680.5018.3118.3114.8543.943531.089724.689.811.240.7133.7813.8012040.8612.143.6220.7141.8017.07表中M的单位为，V单位为。5.2.2 梁端弯矩、剪力及柱轴力计算通过以上计算所得的数据，使用节点弯矩平衡的计算方法，由梁线刚度按其分配的方式计算粱端弯矩。计算公式也同地震荷载，具体计算过程及结果详见表5-4：表5-4 层次边梁走道梁柱轴力边柱N中柱N53.882.507.20.892.912.912.41.94-0.89-1.0548.776.287.22.097.287.282.44.85-2.98-3.81314.710.217.23.5011.8411.842.47.89-6.48-8.2220.3514.147.24.7916.4016.402.410.93-11.27-14.34126.0016.387.25.8919.0019.002.412.67-17.16-21.12 1、绘制内力图 (1)弯矩图，风荷载作用下的弯矩图如下图所示：7.111.662.9110.654.7414.79.968.1520.3512.2012.2013.8033.7810.2111.847.1014.1418.3116.3818.3119.0017.0741.0812.2316.414.958.777.2810.2111.8416.414.1419.0016.3826.0020.3514.73.883.882.505.412.912.912.505.413.882.9110.657.1018.3118.3117.0741.0812.2314.956.287.288.776.287.111.664.749.968.1512.2012.2013.8033.783.8826.00 图5-4 风荷载作用下的框架弯矩图M（）（2）剪力图6.789.8112.1410.177.554.932.311.543.295.035.8912.674.7910.932.094.850.891.943.507.89 图5-5 风荷载作用下的框架剪力图KN（3）轴力图 根据梁端剪力可以求出框架柱在风荷载作用下的轴力图：17.1621.1214.3411.276.488.23.812.980.891.05 图5-6 风荷载作用下的框架柱轴力图KN第六章 竖向荷载下的框架内力计算6.1 框架结构的荷载计算6.1.1 框架的计算单元 选取框架作为计算单元 由于楼板在施工时是整体现浇的，则使用双向板，取横向框架进行计算，所以该计算单元的计算跨度为7.2m。为了计算的方便性，可以将梁上的三角形与梯形荷载按下列各式换成等效的均布荷载计算：三角形： 梯形： 其中，6.1.2 框架的荷载计算一. AB, CD轴间的框架梁：屋面板向下传递的荷载：恒载：=21.129KN/m KN/m 活载： 楼面板向下传递的荷载：恒载：=13.242KN/m 活载：=6.413KN/m 梁自重：4.60kN/mAB, CD两轴间的框架梁均布荷载为：屋面梁： 恒载梁自重板传荷载4.60kN/m+21.129kN/m=25.729kN/m 活载1.60kN/m楼面板传荷载：恒载梁自重板传荷载4.60kN/m+13.242kN/m=17.842kN/m 活载6.413kN/m二. BC两轴间的框架梁：屋面板传荷载：恒载：活载楼面板传荷载：恒载：活载：梁自重：3.03kN/mBC两轴间的框架梁均布荷载为为：屋面梁： 恒载梁自重板传荷载3.03kN/m+12.356kN/m=15.386kN/m 活载0.938kN/m楼面板传荷载：恒载梁自重板传荷载3.03kN/m+7.744kN/m=10.744kN/m 活载3.75kN/m三.A轴方向上的柱纵向集中荷载计算： 顶层柱：女儿墙自重： 顶层柱恒载女儿墙梁自重板传荷载= 7.267.2+4.6(7.2-0.5)+7.417.2+25.7297.22=229.068kN顶层柱活载板传荷载=0.567.2+1.67.22=9.79kN标准层的柱恒载墙自重梁自重板荷载=6.498(7.2-0.5)+4.6(7.2-0.5)+4.657.2+3.037.22+13.2427.22+18.363.6=232.51kN标准层的柱活载板传荷载=2.257.2+6.4137.22=39.29kN基础顶面荷载底层外纵墙自重基础自重6.498(7.2-0.5)+3.754.85=61.724kN四B轴方向上的柱纵向集中荷载计算：顶层柱荷载梁自重板传梁荷载4.6(7.2-0.5)+7.417.2+9.897.2+3.037.22+21.1297.22=242.208kN顶层柱活载=板传荷载=0.567.2+1.67.22+0.757.2=15.19kN标准柱恒载=墙梁自重板传荷载6.498(7.2-0.5)+4.6(7.2-0.5)+4.657.2+6.27.2+3.037.22+13.2427.22+18.363.6=277.15kN标准层活载板传荷载2.257.2+3.757.2+6.4137.22=66.29kN基础顶面恒载=底层外纵墙自重基础自重6.498(7.2-0.5)+3.754.85=61.724kN框架柱自重：柱自重： 底层：0.5m0.5m254.85m=31.96kN 其余柱：0.5m0.5m253.6m=23.72kN 6.2 恒荷载作用下的框架内力计算6.2.2 恒荷载作用下框架的弯矩计算一、恒荷载作用下框架的弯矩计算按下面公式求得： 恒荷载作用下框架的计算简图如图6-4所示: 图6-1恒载作用下的受荷简图则： 二由前面所算得的梁、柱的相对线刚度，求出各节点的弯矩分配系数: 分配系数下表所示： 底层标准层顶层 A柱0.2480.4420.3100.2200.3900.3900.3600.640B柱0.1930.2240.3430.2400.1750.2030.3110.3110.2530.2960.451三.恒荷载作用下的框架弯矩与剪力计算梁： 柱： 四弯矩分配及传递分配及传递过程与结果如表6-1所示：层次边节点中节点上柱下柱右梁左梁上柱下柱右梁五层分配系数0.640.360.2530.4510.296-111.37111.37-66.4771.2840.09-11.36-20.25-13.2915.07-5.6820.05-4.786.65-6.01-3.38-5.55-9.89-6.4880.34-80.34114.51-34.92-79.59四层分配系数0.390.390.220.1750.3110.3110.203-77.2977.29-46.5430.1430.1417.00-5.38-9.56-9.56-6.2535.6415.07-2.698.50-10.13-4.783.13-18.73-18.73-10.560.571.021.020.6747.0526.48-73.5480.98-18.67-13.32-48.99三层分配系数 0.390.390.220.1750.3110.3110.203-77.2977.29-46.5430.1430.1417.00-5.38-9.56-9.56-6.2515.0715.07-2.698.50-4.78-4.783.13-10.71-10.71-6.03-0.36-0.64-0.64-0.4334.534.5-69.0180.05-14.98-14.98-50.09二层分配系数0.390.390.220.1750.3110.3110.203-77.2977.29-46.5430.1430.1417.00-5.38-9.56-9.56-6.2515.0717.08-2.698.50-4.78-5.283.13-11.49-11.49-6.48-0.27-0.49-0.49