某市中学教学楼框架结构设计结构设计.doc

聊城大学本科毕业设计某市中学教学楼框架结构设计结构设计建筑部分1 总平面设计本工程为教学楼，其采用框架结构,层高均为3.9米。总高18.9米,总建筑面积约为4340.75m2 左右。在建筑设计过程中兼顾安全，适用，经济，美观四个原则，并依据建筑设计资料集进行详细说明。总平面设计要求综合总体规划，基地环境等具体条件合理分区，妥善解决平面各组成部分之间的相互关系，选择合适的交通联系方式。并且简捷明快，管理方便，满足人在心理，视觉和其它各种使用上的要求，按照建筑性质，规划和基地，确定平面形式，使布局紧凑，节约用地，并且为立面设计创造有利条件，考虑合理性及经济。2 平面设计建筑平面是建筑在水平方向房间各部分的组合关系。本设计中，考虑各房间的使用要求以及合理性不止，综合建筑物框架结构特点，初步确定柱网的布置。2.1 交通联系部分的设计交通联系部分是人流通行和集散不可缺少的内容，这部分设计的主要内容有：（1）交通路线简捷，明快，联系方便。（2）人流通畅，紧急疏散时迅速安全。（3）满足一定的采光和通风要求。（4）力求节省交通面积，同时应考虑空间处理等问题。结合本建筑的具体要求，设置以下交通联系部分：2.1.1 走廊水平交通本设计中走廊为宽3.0m内走廊,在建筑物中延长向布置,同时满足功能使用要求和防火疏散规定。2.1.2 楼梯垂直交通楼梯设计主要依据使用要求和人流通行情况确定梯段宽度和休息平台的宽度，选择适当的楼梯形式，考虑整幢建筑的楼梯数量，以及楼梯间的平面位置和空间组合。楼梯的位置应布置均匀，导向明确，显明易找，因考虑到建筑面积不大，房间少，故在建筑物中间布置一双跑式楼梯，以便满足行走和防火要求，楼梯踏步为150mm270mm。2.2 卫生间的平面设计卫生间在满足设备布置及人体活动要求的前提下，力求布置紧凑，节约面积，使管道集中，并尽可能有自然采光和通风条件。根据本建筑设计的类型和使用的人数，每层在建筑物的中间部分设男、女厕所各一间。平面的组合形式详见建筑施工图。3 立面设计建筑立面设计是满足房屋使用要求和技术经济条件的前提下，运用建筑物造型和里面构图的一些规律，紧密结合平面布置，剖面的内部空间组合条件而进行设计。联系建筑平面及剖面建筑体型组合，运用建筑形式美的一些基本规律，使他在满足使用要求的前提下，适应环境条件，符合美学的基本规律，也更加富有现代气息和艺术的感觉。本设计中，外立面上采用大面积的铝合金门窗，充分显示框架结构中，框架的特点。外墙采用乳白色面砖贴面。建筑物室内地坪和室外地坪相差450mm，设四个台阶:150mm300mm 。建筑立面效果见建筑施工图。4 剖面设计建筑剖面图是表示建筑物在垂直方向房屋各部分的组合关系，剖面设计主要分析建筑物各部分应有的高度，建筑物的层数，空间的组合和利用，以及在建筑物剖面中的结构和构造的关系等。4.1层数的确定根据建筑物的使用要求，城市规划要求，进而确定大楼为五层建筑物。4.2层高的确定根据使用要求，采光、通风、感观和模数，确定第一层层高为3.6m，第二、三、四层层高为3.6 m，顶层层高为3.6m,设女儿墙为0.9m。4.3室内外高差为防止室外雨水倒流入室内及建筑物沉降使室内地坪标高过低，同时也增强了建筑物的立面效果，故取室内外高差450mm。见建筑施工图。5建筑构造设计 5.1墙体墙体的厚度应满足强度、稳定性，保温隔热、防火隔音等方面的要求，结合设计资料，统一取外墙为240mm厚，内墙为240mm厚，采用外墙空心砖，内墙砌体填充。5.2屋面结构该层面上设女儿墙，且为上人屋面。四屋面防水及排水采用柔性防水，屋面用细石砼保护，防水采用改性油毡（SBS）防水。屋面排水采用有组织排水，即屋面雨水顺坡流入雨水管，再散水流入排沟。屋面泛水做法：将油毡直接引申到墙面，并在墙面上做水泥沙浆滴水线，泛水的高度取250mm，它满足大于150mm的规范要求。5.3雨水口构造雨水口是屋面雨水汇集并排出至落水管的关键部位，构造上要求排水通畅，防止渗漏和堵塞。雨水口四周须铺一层油毡，并铺到漏斗口内，用沥青胶贴牢。采用铸铁漏斗形的定型件用水泥沙浆埋嵌牢固，缺口及交接处等薄弱环节可用油膏嵌缝，再用蓖网铁置压盖。6 结构选型及平面布置1)结构体系选型：选用钢筋混凝土现浇框架结构体系。2)屋面结构：采用现浇钢筋混凝土屋盖，刚柔性相结合的屋面，屋面板厚120mm。3)楼面结构：全部采用现浇钢筋混凝土楼盖，板厚120mm。4)楼梯结构：采用钢筋混凝土梁式楼梯。5)结构平面布置如图6.1所示：图6.1结构平面布置图结构设计7 设计原始资料（1）.冬季主导风向东北平均风速2.6 m/s，夏季主导风向东南平均风速2.6 m/s，最大风速23.7 m/s。(2).常年地下水位低于-1.3m，水质对混凝土没有侵蚀作用。(3).最大积雪厚度0.32m，基本雪压SO=0.35KN/M2,基本风压WO=0.45 KN/M2,土壤最大冻结深度0.09m。(4).抗震设防烈度7度，设计地震分组第三组.(5).地质条件如表7.1表7.1序号岩石名称厚度Fak(MPa)1耕土1.1-2黏土2.82503黏土9.41108 结构设计方案及布置 钢筋混凝土框架结构是由梁，柱通过节点连接组成的承受竖向荷载和水平荷载的结构体系。墙体只给围护和隔断作用。框架结构具有建筑平面布置灵活，室内空间大等优点，广泛应用于电子、轻工、食品、化工等多层厂房和住宅、办公、商业、旅馆等民用建筑。因此这次设计的成集中学教学楼采用钢筋混凝土框架结构。按结构布置不同，框架结构可以分为横向承重，纵向承重和纵横向承重三种布置方案。本次设计的教学楼采用横向承重方案，竖向荷载主要由横向框架承担，楼板为预制板时应沿横向布置，楼板为现浇板时，一般需设置次梁将荷载传至横向框架。横向框架还要承受横向的水平风载和地震荷载。在房屋的纵向则设置连系梁与横向框架连接，这些联系梁与柱实际上形成了纵向框架，承受平行于房屋纵向的水平风荷载和地震荷载。9 构件初估9.1 柱截面尺寸的确定柱截面高度可以取，为梁的计算跨度；柱截面宽度可以取为。选定柱截面尺寸为500 mm500mm9.2 梁尺寸确定 框架梁截面高度取梁跨度的l/8l/12。该工程框架为纵横向承重，根据梁跨度可初步确定框架梁300mm600mm9.3 楼板厚度 楼板为现浇双向板，根据经验板厚取120mm。10 基本假定与计算简图10.1 基本假定第一：平面结构假定：该工程平面为正交布置，可认为每一方向的水平力只由该方向的抗侧力结构承担，垂直于该方向的抗侧力结构不受力。第二：由于结构体型规整，布置对称均匀，结构在水平荷载作用下不计扭转影响。10.2 计算简图在横向水平力作用下，连梁梁对墙产生约束弯矩，因此将结构简化为刚结计算体系，计算简图如后面所述。11 结构布置及计算简图 根据该房屋的使用功能及建筑设计的需求，进行了建筑平面、立面、及剖面设计其各层建筑平面剖面示意图如建筑设计图，主体结构为局部5层，层高均为3.6m。填充墙面采用240 mm厚的灰砂砖砌筑，门为木门，窗为铝合金窗，门窗洞口尺寸见门窗表。楼盖及屋盖均采用现浇钢筋混凝土结构，楼板厚度取120mm，梁载面高度按梁跨度的1/121/8估算，由此估算的梁载面尺寸见表11.1。表11.1 梁截面尺寸层次砼强度横梁（bh）纵梁(bh)AB跨BC跨CD跨1-5C30300600300500300600300600柱载面尺寸可根据式N=FgEn AcN/UNfc估算表11.2查得该框架结构在30m以下，抚震得级为三级，其轴压比值UN=0.9表11.2 抗震等级分类结构类型烈 度6789框架结构高度/m30303030303025框架四三三二二一一剧场、体育等三二一一表11.3 轴压比限值结构类型抗 震 等 级一二三框架结构0.70.80.9柱截面尺寸：柱截面宽度可取b=（1/12-1/18）H，H为层高；柱截面高度可取h =（1-2）b，并按下述方法进行初步估算。a） 框架柱承受竖向荷载为主时，可先按负荷面积估算出柱轴力，再按轴心受压柱验算。考虑到弯矩影响，适当将柱轴力乘以1.2-1.4的放大系数。b） 对于有抗震设防要求的框架结构,为保证柱有足够的延性,需要限制柱的轴压比,柱截面面积应满足下列要求。 c) 框架柱截面高度不宜小于400mm,宽度不宜小于350mm。为避免发生剪切破坏，柱净高与截面长边之比不宜大于4。根据上述规定并综合考虑其他因素，设计柱截面尺寸取值统一取500500mm。基础采用柱下条形基础，基础+距离室外地平0.5，室内外高差为0.45,框架结构计算简图如图所示，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层柱高度即为层高为3.6m，底层柱高度从基础顶面取至一层板底，即h1=3.6+0.45+0.5=4.55m。框架计算简图如图11.1所示。图11.1 框架计算简图12 荷载计算12.1 恒载标准值计算（1）屋面：防水层（刚性）30厚C20细石混凝土防水 1.0kN/m2防水层（柔性）三毡四油铺小石子 0.4kN/m2找平层:15厚水泥砂浆 0.02m20 kN/m3=0.4kN/m2找坡层：40厚水泥石灰焦渣砂浆2%找平 0.04m14 kN/m3=0.56 kN/m2保温层：80厚矿渣水泥 0.08m14.5 kN/m3=1.16 kN/m2结构层：120厚现浇钢筋混凝土板 0.12m25 kN/m3=3kN/m2抹灰层：10厚混合砂浆 0.01m17 kN/m3=0.17kN/m2合计 6.59kN/m2（2）楼面：水磨石地面(10mm面层,20mm水泥砂浆打底，素水泥打底)0.65kN/m2120厚钢筋砼板 250.12=3kN/m212厚水泥沙浆 0.01220=2.5kN/m2合计 3.89kN/m2（3）梁自重： 边跨梁 bh=300600mm梁自重 250.3(0.6-0.12)=3.6kN/m抹灰层：12厚水泥砂浆0.012(0.6-0.12)2+0.0120.3200.298kN/m 合计 3.898kN/m2（4）柱自重：bh=500500mm柱自重 250.500.50=6.25kN/m抹灰层：12厚水泥砂浆 0.0120.504200.48kN/m 合计 6.73kN/m（5）外纵墙自重：标准层：纵墙（240灰砂砖） 18(3.6-0.6-1.8)0.24=5.18kN/m铝合金门窗 0.351.8 =0.63kN/m瓷砖外墙面 0.36(3.60-1.80)=0.648kN/m水泥粉刷内墙面 0.36(3.60-1.80)=0.648kN/m合计 7.106kN/m2底层： 纵墙（240灰砂砖） 18(4.55-1.80-0.60-0.40)0.24=7.56kN/m铝合金门窗 0.351.8=0.63kN/m瓷砖外墙面 0.5(4.55-1.80-0.50)=1.125kN/m水泥粉刷内墙面 0.756kN/m合计 10.071kN/m内纵墙自重：标准层：纵墙（240灰砂砖） 18(3.60-0.60)0.24=12.96kN/m瓷砖墙面 0.36(3.60-0.60)2.00=2.16kN/m合计 15.12kN/m2底层：纵墙（240灰砂砖） 18(4.55-0.60-0.40)0.24=15.336kN/m瓷砖墙面 0.363.602=2.592kN/m合计 17.928kN/m12.2 活荷载标准值计算第一：面和楼屋面活荷载标准值根据荷载规范查得：上人屋面 2.0 kN/m2楼面：教室 2.0 kN/m2走道 2.5 kN/m2第二：雪荷载 0.4 kN/m2屋面活荷载与雪荷载不同时考虑，两者中取大值。12.3 竖向荷载下框架受荷总图本次设计的教学楼纵向柱距为7.20m,横梁跨度为5.40m，单区格板为7.20m5.40m。L1/L2=1.3T1=0.27S，则取为0FI=（1-n）各层横向地震作用及楼层地震剪力计算见表13.6表13.6 各层横向地震作用及楼层地震剪力层次hiHiGiGiHiFiVi53.618.959850186657.50.3261047.761047.7643.615.359604147421.40.258829.211876.9733.611.7596041128470.197633.162510.1323.6860.137440.322950.4914.554.5510300468650.082263.55.00各质点水平地震作用及楼层地震剪力沿房屋高度的分布如图13.2，13.3图13.2水平地震作用分布 图13.3层间剪力分布13.4 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i分别按式和()k计算计算过程见表13.7，表中还计算了各层的层间弹性位移角=i/hi表13.7横向水平地震作用下的位移验算层次ViDii/mmi/mmhi/me=51047.768699461.2012.463.61/298941876.978699462.1611.263.61/166932510.138699462.899.103.61/124822950.498699463.396.213.61/10611.0011397102.822.824.551/1277由表13.7可见，最大层间弹性位移角发生在第2层，其值为1/10611/550满足式eeh的要求，其中/h=1/550由表查得。13.5 水平地震作用下框架内力计算水平地震作用下的内力采用改进的反弯点法。框架柱端剪刀及等矩分别按式Vij= 计算，其中Dij取自表Dij取自表5，层间剪刀取自表7，各柱反弯点高度比y按式y=yn+y1+y2+y3确度，各修正值见表10，各层柱剪力计算见表13.8。表13.8 柱剪力计算层次A轴柱B轴柱C轴柱D轴柱第五层同B柱同A柱第四层同B柱同A柱第三层同B柱同A柱第二层同B柱同A柱第一层同B柱同A柱框架柱反弯点位置，y= y0+y1+y2+ y3 ，计算结果如表13.9表13.9 各柱的反弯点高度表13.9.a A轴框架柱反弯点位置层号h/my0y1y2y3y53.61.050.350000.3543.61.050.400000.4033.61.050.450000.4523.61.050.500000.5014.553.550.650000.65表13.9.b B轴框架柱反弯点位置层号h/my0y1y2y3y53.63.550.450000.4543.63.550.480000.4833.63.550.500000.5023.63.550.500000.5014.554.440.550000.55C轴框架柱反弯点位置与B柱相同，A轴框架柱反弯点位置与D柱相同。框架各柱的杆端弯矩、梁端剪力及柱轴力发别按下式计算：中柱处的梁 ，中柱处的梁 表13.10 横向水平地震作用下A轴框架柱剪力和弯矩的计算层号Vim/kNyh/mMc上/（kNm）Mc下/（kNm）Mc总/（kNm）516.651.2638.9620.9838.96430.031.4464.8643.2485.84340.161.6279.5265.06122.76247.211.884.9884.98150.04180.352.96127.96237.64212.94表13.11 横向水平地震作用下B轴框架柱剪力和弯矩的计算层号Vim/kNyh/mMc上/（kNm）Mc下/（kNm）Mc总/（kNm）531.431.6262.2350.9262.23456.31.728105.3997.29156.3102375.31.8135.54135.54232.8264288.511.8159.32159.32294.858186.782.5025177.68217.17337.0001结果如图13.4，图13.5，图13.6图13.4 地震作用下的框架弯矩图图13.5 地震作用下的框架剪力图 图13.6 地震作用下的框架轴力图14 竖向荷载作用框架内力计算竖向荷载作用下的内力一般可采用近似法，有分层法，弯矩二次分配法和迭代法。当框架为少层少跨时，采用弯矩二次分配法较为理想。这里竖向荷载作用下的内力计算采用分层法。 竖向荷载作用下,框架的内力分析除活荷载较大的工业与民用建筑.可以不考虑活荷载的不利布置,这样求得的框架内力,梁跨中弯距较考虑活载不利布置法求得的弯局偏低,但当活载占总荷载的比例较小时,其影响很小.若活荷载占总荷载的比例较大时,可在截面配筋时,将跨中弯距乘以1.11.2的较大系数。框架横梁均布恒荷载、活荷载可从前面荷载计算中查得。具体数值见图14.1。图14.1 横向框架荷载作用图由于柱纵向集中荷载的作用，对柱产生偏心。在恒荷载和活荷载的作用下的偏心矩如图14.2，14.3所示。图14.2 竖向恒载引起的偏心弯矩图14.3 竖向活载引起的偏心弯矩14.1 梁柱端的弯矩计算 梁端柱端弯矩采用弯矩分配法计算。计算步骤为：将原框架分为5个敞口单元，除底层柱外的其于各层柱的相对线刚度乘以0.9。用弯矩分配法计算每一个敞口单元的杆端弯矩，底层柱的传递系数为0.5，其余各层柱的传递系数为1/3。将分层法所得到的弯矩图叠加，并将节点不平衡弯矩进行再分配。 梁端固定弯矩计算：恒载：屋面： 楼面： 活载：屋面： 楼面： 竖向均布活荷载作用下的框架内力计算方法同上，分层法计算见图14.4、14.5、14.6。图14.4.a顶层弯矩分配图图14.4.b 顶层弯矩图图14.5.a标准层弯矩分配图图14.5.b 标准层弯矩图图14.6.a底层弯矩分配图图14.6.b 底层弯矩图竖向均布活荷载作用下的框架内力计算方法同上，结果见图11.7、11.8、11.9、11.10、11.11。图14.7.a顶层弯矩分配图图14.7.b顶层弯矩分配及弯矩图图14.8.a标准层弯矩分配图图14.8.b标准层弯矩图图14.9.a底层弯矩分配图图14.9.b底层弯矩图对节点不平衡弯矩进行再次分配，以恒荷载作用下五层左上节点为例：图14.10 弯矩二次分配图 其余各节点弯矩分配见图中数据。活荷载作用下中间节点弯矩相差不大，不在分配。 本设计中梁端弯矩的调幅系数取0.8。调幅结果表见14.1。 表14.1 梁端弯矩的调幅层次AB跨BC跨CD跨调幅前调幅后调幅前调幅后梁左梁右梁左梁右梁左梁右梁左梁右同AB跨恒载五层72.05131.0581.68132.7274.674.666.6466.64四层106.95147097122.01153.9364.9764.9736.5736.57三层106.95147.97119.22153.6264.9764.9738.0638.06二层106.95147.97119.78153.6264.9764.9738.0638.06一层103.81148109.78149.7764.9764.9756.5656.56活载五层19.6934.9622.0235.3420.1420.1418.3518.35四层25.6435.2029.4636.1716.4616.4611.8211.82三层25.6435.2028.5836.0216.4616.4612.5812.58二层25.6435.2028.7036.0216.4616.4612.5812.58一层24.8235.2226.3235.7217.1117.1114.7314.73竖向均布荷载作用下的框架弯矩图为图14.11，14.12。图14.11 竖向均布恒载作用下的框架弯矩图图14.12 竖向均布活载作用下的框架弯矩图14.2 梁端剪力和轴力计算 梁端剪力 柱轴力 具体计算结果见表14.2,14.3,14.4,11.5,14.6,14.7。 表14.2 恒载作用下AB梁端剪力计算层号q(kN/m)l(m)ql/2 (kN)M/l(kN)VA= ql/2-M/l(kN)VB= ql/2+M/l(kN)531.347.2112.827.09105.73119.91435.227.2126.794.43122.36131.22335.227.2126.794.78122.01131.57235.227.2126.794.70122.09131.49135.227.2126.795.56121.23132.35表14.3 恒载作用下BC梁端剪力计算层号q(kN/m)l(m)ql/2 (kN)M/l(kN)VA= ql/2-M/l(kN)VB= ql/2+M/l(kN)523.673.029.99029.9929.99430.693.029.99029.9929.99330.693.029.99029.9929.99230.693.029.99029.9929.99130.693.029.99029.9929.99表14.4 活载作用下AB梁端剪力计算层号q(kN/m)l(m)ql/2 (kN)M/l(kN)VA= ql/2-M/l(kN)VB= ql/2+M/l(kN)523.677.235.51035.5135.51430.697.246.04046.0446.04330.697.246.04046.0446.04230.697.246.04046.0446.04130.697.246.04046.0446.04表14.5 活载作用下BC梁端剪力计算层号q(kN/m)l(m)ql/2 (kN)M/l(kN)VA= ql/2-M/l(kN)VB= ql/2+M/l(kN)57.503.011.25011.2511.2549.373.014.06014.0614.0639.373.014.06014.0614.0629.373.014.06014.0614.0619.373.014.06014.0614.06表14.6 恒载作用下的剪力和轴力层次总剪力柱轴力AB跨BC跨A柱B柱VAVBVB=VCN顶N底N顶N底5105.73119.9129.99216.25250.38230.43264.564122.36131.2229.99365.44399.57379.62413.753122.01131.5729.99514.63548.75528.81562.932122.09131.4929.99663.81697.94677.99712.121121.23132.3529.99813.00847.13827.18861.31表14.7 活载作用下的剪力和轴力层次总剪力柱轴力AB跨BC跨A柱B柱VA =VBVB=VCN顶=N底N顶=N底529.9911.2546.5343.52429.9914.0663.0779.30329.9914.0679.61115.08229.9914.0696.15150.86129.9914.06112.69186.6415 风荷载计算 15.1风荷载侧移计算本设计地区基本风压为，所设计的建筑地处城市郊区，风压高度变化系数按B类地区考虑风压体型系数迎风面为1.3，背风面为0.5。由于房屋的高度不大。B为7.2m。为了简化计算，作用在外墙面上的风荷载可进食用作用在屋面梁和楼面梁处的等效集中荷载代替。作用在屋面梁和楼面梁节点处的集中荷载标准值：计算结果见表15.1。表15.1集中风荷载标准值离地高度Z/m/(kN/m2)/m/m/kN18.951.231.411.30.53.61.821.9115.351.151.341.30.53.63.625.9611.751.051.231.30.53.63.621.768.151.01.151.30.53.63.619.384.551.01.051.30.54.553.620.02注：对于框架结构也可近似按下式计算其基本自振周期： 。计算时，取H=35.40m。查附表得，。风和在作用下的框架侧移计算：框架在风荷载移的计算见表15.2表15.2风荷载移的计算层次/kN/kN(kN/m)/m/h521.9121.91544920.00041/8954425.9647.87544920.00091/4098321.7669.63544920.00131/2817219.3889.01544920.00161/2204120.02109.03429060.00251/1791侧移验算：侧移最大值：1/17911/55015.2风荷载内力计算框架A柱、B柱、C柱、D柱的反弯点位置见表11和表12。风荷载作用下框架各柱杆端弯矩、梁端剪力及柱轴力的计算方法和地震作用下框架内力计算相同。计算结果见表15.3,15.4表15.3风荷载作用下A轴框架柱剪力和弯矩的计算层号Vim/kNyh/mMc上/（kNm）Mc下/（kNm）521.910.016=0.351.260.820.44447.870.016=0.771.441.671.10369.630.016=1.111.622.201.80289.010.016=1.421.82.552.561109.030.016=2.072.963.296.13表15.4 风荷载作用下B轴框架柱剪力和