武汉大学东湖分校4号教学楼建筑与结构设计方案.doc

武汉大学东湖分校4号教学楼建筑与结构设计方案1 绪论本建筑的高宽比H/B小于5，抗震设防烈度为6度，所以选用框架结构体系。框架结构体系一般用于钢结构和钢筋混凝土结构中，由梁和柱通过节点构成承载结构，框架形式可灵活布置建筑空间，使用较方便。但是随着建筑高度的增加，水平作用使得框架底部梁柱构件的弯矩和剪力显著增加，从而导致梁柱截面尺寸和配筋量增加，到一定程度，将给建筑平面布置和空间处理带来困难，影响建筑空间的正常使用，在材料用量和造价方面也趋于不合理。因此在使用上层数受到限制。在收集资料和设计的过程中，我参照现行的国家建筑行业的许多规范，例如：建筑结构荷载规范10、建筑抗震设计规范11和建筑地基基础设计规范12等等在这次设计中，我采用手算，综合大学四年来所学的知识，完成这次设计任务。我的设计的主要内容如下：1选定题目，搜集有关的建筑设计资料和工程地质资料2进行建筑图的绘制。3进行任务书的编写，具体内容有：首先我对结构的构件进行初步的尺寸估计，进行结构选型和结构平面布置；接下来是统计荷载，包括恒载、活载、风载、地震荷载，确定其计算简图，计算相关参数；随后根据荷载统计的结果进行内力分析和侧移计算，其中对恒载、活载采用分层法，对风荷载、地震荷载采用D值法；最后是各构件设计阶段，其中梁按单筋矩形截面计算，柱截面按对称配筋计算，并进行抗震验算，考虑地基条件和基础受力情况，采用柱下独立基础进行配筋计算，板的配筋计算过程按弹性理论双向板配筋计算，楼梯采用现浇板式楼梯。4进行结构图的绘制。2 设计资料2.1 工程概况本工程名称为武汉大学东湖分校4号教学楼，位于武汉市。该教学楼为八层钢筋混凝土框架结构体系，建筑面积约6873.30m2，建筑平面为一字形，宽度为15.6m,长度为54m，建筑高度为28.8m，层高3.6m，屋面无突出部分。建筑方案确定，房间开间为4.2m，进深为6.6m，走廊宽度2.4m，室内外高差0.45m。框架梁柱及板均为现浇，框架平面柱网布置如图2.1所示： 图2.1 框架平面柱网布置图2.2 地质水文资料该工程位于平原地带，拟建场地平坦，土质量好；地表自上而下土层分布情况为：第一层：素填土厚度0.5m，系人工平整场地所填；第二层：未揭穿，粘土，褐色，硬塑，地基承载力特征值fak=280kPa。地下水位较低，无侵蚀性。2.3 气象资料最高气温：41，最低气温：-10。室内计算温度：卫生间、楼梯间、大厅为16；其它均为18。全年主导风向：S；年平均风速： 2.9m/s；基本风压w0=0.35kN/m2。年降雨量1870mm。常年地下水位在地表下8m，水质对水泥具有硫酸盐侵蚀性。最大积雪厚度360mm，基本雪压S0=0.5KN/ m2，土壤最大冻结深度0.45m。2.4 其他资料1. 底层室内主要地坪标高为 士0.000，相当于绝对标高42.350m。2. 抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组均为第一组。3. 承包该工程的施工单位技术力量雄厚，施工水平较高，建筑材料以及各种半成品由承包公司负责组织供应。建筑防火等级为二级，屋面防水等级为二级，建筑装饰等级为中级。2.5 建筑做法2.5.1 墙身做法外墙为250厚加气混凝土砌块（容重8.5kN/m3），内墙为200厚加气混凝土砌块，均用M5混合砂浆砌筑；内墙为20厚1：3水泥砂浆粉刷，外墙为陶瓷锦砖贴面。2.5.2 屋面做法考虑到屋面防水等级（二级），现选用具有隔热层、保温层、隔汽层的高聚物改性沥青卷材防水屋面，具体做法详见图集98ZJ001屋9。屋面为不上人屋面，屋面排水采用内排水。2.5.3 楼面做法根据建筑的实际需求，具体做法详见图集98ZJ001楼10，98ZJ001楼26。 卫生间下沉0.03m。2.5.4 门窗做法建筑入口处的门为玻璃折门，其余都为木门和铝合金窗，具体型号见附图门窗表。2.5.5 其他做法 其他构造做法另行再定。2.6 设计说明 确定结构方案和结构布置，选取一榀框架及柱下独立基础进行设计计算，现浇屋面的结构计算，楼梯构件的结构计算。以计算为依据，结合结构的相关构造要求，完成基础平面布置图，屋面结构平面布置图，框架梁柱配筋图，楼梯构件配筋图。3 结构布置及结构选型3.1 结构选型3.1.1 结构承重方案选择 根据建筑功能要求以及建筑施工的布置图，本工程采用全现浇框架结构，纵横墙承重体系。3.1.2 主要构件选型及尺寸初步估算1 主要构件选型 梁板柱结构形式：现浇钢筋混凝土结构； 墙体采用：加气混凝土砌块； 墙体厚度：外墙250mm，内墙200mm； 基础采用：柱下独立基础。2 梁柱截面尺寸估算 框架梁 横向框架梁: ; (跨度l=6600mm) 梁高 hb=()l =550mm825mm ，取700mm ， 梁宽bb=250mm ； (跨度l=2400mm) 梁高 hb=()l =200mm300mm ，取300mm 梁宽bb=250mm ；纵向框架梁 ；(跨度l=3600mm) 梁高 hb=()l=300mm450mm，取400mm； 梁宽bb=250mm ；，. ，(跨度l=4200mm)梁高 hb=()l=350mm525mm,取450mm； 梁宽bb=250mm ； (跨度l=4800mm) 梁高 hb=()l=400mm600mm ,取550mm ； 梁宽bb=250mm ； 框架柱 预估： n为验算截面以上楼层层数，g为折算在单位建筑面积上的重力荷载代表值，框架结构近似取15kN/m2，F为按简支状态计算的柱的负荷面积，为考虑地震作用组合后柱轴压力增大系数,取1.1。抗震等级四级的框架结构轴压比.（中柱为例）Ac=186923.08mm2取所有柱为aa=500mm500mm。 楼板 l02/l01=1.83 l02/l01=1.57 l02/l01=1.375 l02/l01=1.75所有的板l02/l012 ，都是双向板板厚h=l01=4800=96mm，取100mm，板厚都取100mm。3.2 确定结构计算简图 图3.1计算单元简图 3.3 梁柱惯性矩、线刚度计算3.3.1 梁，柱惯性矩 梁矩形截面惯性矩I0=bh3柱矩形截面惯性矩I0=ab3 求梁截面惯性矩时考虑到现浇楼板的作用，中框架梁的惯性矩取I =2I0；边框架梁的I =1.5I0 3.3.2梁线刚度 ;i=21.65Ec .m3 i=11.11Ec .m3 3.3.3柱线刚度 底层：由于底层柱是刚接在基础上，所以地层柱要从基础顶面算起，计算高度h=3.6+0.45+0.5=4.55m（0.45是室内外高差，0.5是室外地面到基础顶面 距离 ） 底层柱线刚度i=11.45Ec. m3其他层柱线刚度i=14.47Ec. m3图3.2 框架线刚度表 4 荷载统计（取有代表性的一品框架，计算单元见三。1）4.1 恒载统计4.1.1屋面板恒载 120mm厚现浇钢筋混凝土屋面板 0.12 25=3.0 kN/m2 高聚物改性沥青卷材防水屋面（屋9 -98ZJ001）2.20 kN/m2 30mm厚混合砂浆粉刷底板 0.0317=0.51 kN/m2 吊顶 0.5 kN/m2 屋面板恒荷载 总共：6.21 kN/m24.1.2楼面板恒载 120mm厚现浇钢筋混凝土楼面板 3.0 kN/m2 陶瓷地砖楼面 （楼10-98ZJ001 ） 0.70 kN/m2 30mm厚混合砂浆粉刷底板 0.0317=0.51 kN/m2 吊顶 0.5 kN/m2 楼面板恒荷载 总共：4.71 kN/m24.1.3梁自重 横向框架梁自重: ; 0.250.725=4.375 kN/m 侧面粉刷 2（0.7-0.12）0.0217=0.986 kN/m 梁底面粉刷 0.250.0217=0.085 kN/m ;框架梁自重 5.45kN/m 0.250.425=2.5 kN/m 侧面粉刷 2（0.4-0.12）0.0217=0.190 kN/m 梁底面粉刷 0.250.0217=0.085 kN/m 框架梁自重 1.97 kN/m纵向框架梁自重 ，轴 梁自重： 0.250.4525=2.81 kN/m 侧面粉刷 2（0.45-0.1）0.0217=0.24kN/m 底面粉刷 0.250.0217=0.09kN/m 纵向框架梁恒载：3.14kN/m4.1.4 柱自重 底层柱 0.50.54.5525=28.44 kN 粉刷 （0.54-0.23）4.550.0217=2.17 kN 共30.61kN 2到8层柱 0.50.53.625=22.5 kN 粉刷 （0.54-0.23）3.60.0217=1.71 kN 共24.21 kN4.1.5 墙自重 外墙 0.24（3.6-0.45）5.5= 4.16kN/m 粉刷 2（3.6-0.45）0.0217= 2.14kN/m 共 6.30kN/m内墙 0.20（3.6-0.7）5.5= 3.19kN/m粉刷 2（3.6-0.7）0.0217= 1.98kN/m 共5.17kN/m4.1.6 恒荷载作用下结构计算简图的确定a. 作用在顶层框架梁上的线荷载为：g8AB1=g8CD1=5.45kN/m (这里的下标8表示第八层即顶层框架梁)g8BC1= 2.78 kN/m双向板屋面分配到梁上的荷载 g8AB2=g8CD2 = 6.214.2=26.08 kN/m g8BC2= 6.21 2.4=14.90 kN/mb. 作用在中间层框架梁上的线荷载为：gAB1=gCD1=5.45+5.17=10.62kN/m gBC1= 2.78 kN/m双向板楼面分配到梁上的荷载 gAB2=gCD2 = 4.714.2=19.78kN/m gBC2= 4.71 2.4= 11.30kN/m c屋面框架节点集中荷载标准值 顶层边节点集中荷载G8A=G8D：纵向边框架梁自重及粉刷 1.97 4.2=8.27 kN纵向边框架梁传来屋面自重 0.54.20.54.26.21= 27.39 kN G8A=G8D =35.66 kN顶层中节点集中荷载G8B=G8C ：纵向中框架梁自重及粉刷 1.97 4.2=8.27 kN 纵向中框架梁传来屋面自重 0.5（4.2+4.2-2.4）1.26.21=22.36 kN 0.54.22.16.21=27.39 kN G8B=G8C =58.02 kNd.楼面框架节点集中荷载标准值 中间层边节点集中荷载GA=GD：柱自重及粉刷 24.21 kN 纵向边框架梁自重及粉刷 8.27 kN 纵向边框架梁上墙体及粉刷 5.4（4.2-0.5）=19.98 kN纵向边框架梁传来板面自重 0.54.20.54.24.71=20.77kN GA=GD =73.23kN中间层中节点集中荷载GB=GC ： 柱自重及粉刷 24.21 kN纵向中框架梁自重及粉刷 8.27 kN 纵向中框架梁上墙体及粉刷 4.18（4.2-0.5）=15.47 kN 纵向中框架梁传来屋面自重 0.5（4.2+4.2-2.4）1.24.71=16.96kN 0.54.22.14.71=20.77 kN GB=GC =85.68KNe.恒载作用下的结构计算简图：图4.1 恒载作用下计算简图4.2 活荷载统计4.2.1 荷载分类教室楼面 2.0 kN/m2 楼梯，走廊2.5 kN/m2 不上人屋面0.5 kN/m2 4.2.2活荷载分布情况 图4.2 活荷载分布图4.2.3 活荷载计算p8AB=p8cd=0.54.2=2.1 kN/m ； p8BC=0.52.4=1.2 kN/m ； P8A=P8D=0.54.20.54.20.5=2.21 kN ；P8B=P8C=0.5(4.2+4.2-2.4)1.20.5+0.54.20.54.20.5=4.01 kN ； pAB=pCD=2.04.2=8.4 kN/m ；pBC=2.52.4=6 kN/m ；PA=PD=0.54.20.54.22.0=8.82 kN ；PB=PC=0.5(4.2+4.2-2.4)1.22.5+0.54.20.54.22.0=17.82kN ；4.2.4活荷载作用下的结构计算简图 图4.3 活荷载作用下的结构计算简图4.3 风荷载计算风压标准值计算公式：k=zsz0 因结构高度H=28.8m=0.45=0.23% 且=0.2%=0.21%，满足要求。AB跨 斜截面承载力：箍筋采用HPB235a. 验算截面尺寸：=665mm,=2.66=100.65 kN，截面符合要求。b验算是否需要按计算配置箍筋 0.7=0.71.43250665=166.4 kN=100.65 kN，所以按构造配筋 =0.24=0.241.43/210=0.16%，选用8200,=0.20%=0.16%可以。各截面配筋见下表：6.2 柱的截面设计及配筋表6.2.1 柱内力组合截面控制值6.2.2 柱截面配筋计算框架柱计算长度：底层：=1.0H=1.04.55=4.55m 其余层：=1.25H=1.253.6=4.5m先以顶层A柱为例，柱截面宽度：b=500mm柱截面有效高度：h0=500-40=460 mm柱的计算长度，对于现浇楼盖的顶层柱， =1.25H=4.5m混凝土轴心抗压强度设计值：fc=14.3 N/mm2（1）、最不利组合一：Mmax/N顶层A柱的柱端弯矩较大值为M=107.4