武汉某中学五层框架教学楼结构设计.doc

武汉某中学五层框架教学楼结构设计1 建筑设计1.1 设计依据（1）房屋建筑学 （教材）；（2）建筑制图标准及建筑设计规范；（3）民用建筑防火规范；（4）建筑设计及构造设计手册，图集等；1.2 建筑设计1.2.1 工程概况 建筑项目名称：武汉某中学教学楼 本工程建筑功能为教学楼，使用年限为50年；采用钢筋混凝土现浇框架结构体系；所有墙体均采用200厚的页岩空心砖，门窗采用夹板门和塑钢窗。1.2.2 平面设计总建筑面积 5200m2。建筑物长77.7m，宽 34.5m，建筑占地面积 1100 m2，其中地面以上 5层，建筑高度自室外地面到女儿墙顶高 21m，各层层高为3.9m。1.2.3 具体建筑方案本课题为教学楼，建筑结构布局设置了教室、办公室、会议室、阅览室、值班室、配电室以及卫生间。采用现浇楼板结构。2 结构设计2.1 设计依据2.1.1 气象条件建设地区冬有严寒，夏有酷暑，全年主导风向为东北风，夏季主导风向为东南风，基本风压：=0.40kN/基本雪压：S =0.40kN/2.1.2 工程地质条件建筑物所在场地地势平坦，地层由素填土和粉质粘土组成。地基承载力标准值为：素填土fk=130kpa；粉质粘土fk=220kpa地下水位在地表下7米处。2.1.3 其他 1.采用中华人民共和国现行国家标准规范和规程进行设计，主要有：建筑结构荷载规范 GB50009-2001；建筑抗震设计规范 GB20011-2001；混凝土结构设计规范 GB50010-2002；建筑地基基础设计规范 GB50007-2002； 2.本工程结构的环境类别：室内正常环境为一类，室内、露天及与土直接接触部分为二类a。 3.建筑抗震设防类别为乙类，所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.10g，场地类别经地基处理后可达到类，框架抗震等级三级。2.2 结构方案2.2.1构体系选型 采用钢筋混凝土现浇框架结构体系。2.2.2屋面结构 采用现浇钢筋混凝土肋型屋盖，采用刚性防水屋面，板厚100。2.2.3楼面结构 全部采用现浇钢筋混凝肋形楼盖，板厚120。砼强度为C30，板的钢筋采用HPB300，楼面活荷载2.0kN/m 。2.2.4楼梯结构 采用现浇钢筋混凝土板式楼梯。2.2.5墙体结构墙体采用200厚的加气混凝土砌块。在+-标高以下采用200的标准砖砌块。2.3 荷载选择和计算2.3.1、恒荷载标准值计算（1）屋面找平层：15厚水泥砂浆 0.01520=0.30 kN/m2防水层：（刚性）40厚C20细石混凝土防水 1.0 kN/m2防水层：（柔性）SBS防水卷材2层 0.4 kN/m2 找平层：15厚水泥砂浆 0.01520=0.30 kN/m2找坡层：40厚水泥石灰焦渣砂浆0.3%找平 0.0414=0.56 kN/m2保温层：80厚矿渣水泥 0.0814.5=1.16 kN/m2结构层：100厚现浇钢筋混凝土板 0.10m25KN/m3=3.0 kN/m2抹灰层：10厚混合砂浆 0.01m17KN/m3=0.17kN/m2合计 =6.89kN/m2 (2) 各层走廊楼面、标准层楼面水磨石地面10mm面层水磨石地面20mm水泥砂浆打底水磨石地面素水泥浆结合层一道 0.65 kN/m2结构层：120厚现浇钢筋混凝土板 0.12m25KN/m3=3.0 kN/m2抹灰层：10厚混合砂浆 0.01m17KN/m3=0.17kN/m2合计 3.82 kN/m2(3)梁自重 横梁自重 bh=250mm500mm 250.3(0.5-0.12)=2.48kN/m抹灰层 10厚混合砂浆 0.01(0.5-0.12)2+0.317=0.16kN/m合计 2.54kN/m纵梁自重 bh=300mm600mm 250.3(0.6-0.12)=4.35kN/m抹灰层 10厚混合砂浆 0.01(0.6-0.12) 2+0.35)17=0.26 kN/m合计 4.61kN/m基础梁自重bh=300mm600mm ： 250.30.6=3.19kN/m(4)柱自重 bh=600mm600mm 250.60.6=6.37kN/m抹灰层：10厚混合砂浆 0.010.5417=0.34kN/m合计 6.59kN/m(5)外纵墙自重标准层：纵墙 1.10.2518=4.75kN/m塑钢窗 0.351.7=0.595kN/m水刷石外墙面 (3.9-1.7)0.5=0.8kN/m水泥粉刷内墙面 (3.9-1.7)0.36=0.576kN/m合计 6.721kN/m底层：纵墙 (4.85-1.7-0.7-0.45)0.2518=6.3kN/m塑钢窗 0.351.7=0.595kN/m水刷石外墙面 (3.9-1.7)0.5=0.8kN/m水泥粉刷内墙面 (3.9-1.7)0.36=0.576 kN/m合计 8.271 kN/m(6)内纵墙自重标准层：纵墙 (3.9-0.7)0.26.5=3.38 kN/m水泥粉刷内墙面 (3.9-1.7)0.362=1.152 kN/m合计 4.532kN/m底层：纵墙 (4.85-0.7-0.45)0.26.5=4.03 kN/m水泥粉刷内墙面 (3.9-0.7)0.362=1.872kN/m合计 5.902kN/m(7)内横墙自重标准层：横墙 (3.9-0.7)0.26.5=3.38kN/m水泥粉刷内墙面 (3.9-0.7)0.362=1.872kN/m合计 5.252kN/m底层：横墙 (4.85-0.7-0.45)0.2m6.5=4.03kN/m水泥粉刷内墙面 (3.9-0.7)0.362=1.872kN/m合计 5.902kN/m2.3.2活荷载标准值计算1、屋面和楼面活荷载标准值上人屋面2.0 kN/m2不上人屋面 0.5 kN/m2楼面： 走廊 2.5 kN/m2楼面 2.0 kN/m2 =g+ ，=（1） 标准层楼板：g=g+ =5.4kN/ + KN/ =6.8kN/q= = kN/ =1.4 kN/ （2） 标准层厕所：g=g+ =7.8kN/ + kN/ =9.2kN/q= = kN/ =1.4 kN/ （1）标准层楼板： p=g+q= 5.4kN/ +2.8 kN/ =8.2kN/（2）标准层厕所： p=g+q= 7.8kN/ +2.8 kN/ =10.6kN/板的跨度计算：边跨 lo= Ln+且Lo Ln+ 中间跨 lo= Ln+b且Lo 1.1Ln2.3.3楼板计算图1. 楼板表1. A和B板区格ABLox/loy3.3/6.3=0.522.1/3.6=0.58计算简图 跨 内 支 座U=0MxkN.mMykN.m U=0.2MxkN.mMykN.m计算简图MxkN.mMykN.m表2. C和D板区格CDLox/loy3.6/6.3=0.572.1/3.6=0.58计算简图 跨 内 支 座U=0MxkN.mMykN.mU=0.2MxkN.mMykN.m计算简图MxkN.mMykN.m表3. E和F板区格EFLox/loy3.6/6.3=0.572.7/5.1=0.53计算简图跨 内 支 座U=0MxkN.mMykN.mU=0.2MxkN.mMykN.m计算简图MxkN.mMykN.m表4. G和H板区格GHLox/loy2.7/5.1=0.532.7/4.5=0.6计算简图跨 内 支 座U=0MxkN.mMykN.mU=0.2MxkN.mMykN.m计算简图MxkN.mMykN.m表5. I和J板区格IJLox/loy2.7/5.7=0.472.55/2.6=0.98计算简图跨 内 支 座U=0MxkN.mMykN.mU=0.2MxkN.mMykN.m计算简图MxkN.mMykN.m表6. K和L板区格KLLox/loy2.55/2.6=0.982.55/2.6=0.98计算简图跨 内 支 座U=0MxkN.mMykN.mU=0.2MxkN.mMykN.m计算简图MxkN.mMykN.m表7. M和N板区格MNLox/loy2.7/6.0=0.452.7/5.1=0.53计算简图跨 内 支 座U=0MxkN.mMykN.mU=0.2MxkN.mMykN.m计算简图MxkN.mMykN.m表8. O和P板区格OPLox/loy2.7/3.3=0.822.7/3.3=0.82计算简图跨 内 支 座U=0MxkN.mMykN.mU=0.2MxkN.mMykN.m计算简图MxkN.mMykN.m表9. Q和R板区格QRLox/loy3.0/3.3=0.913.0/3.3=0.91计算简图跨 内 支 座U=0MxkN.mMykN.mU=0.2MxkN.mMykN.m计算简图MxkN.mMykN.m2.4板的配筋计算短边方向 长变方向 各跨内、支座弯矩已经求得（考虑板四周与梁整体连接，乘以折减系数0.8)可按公式算出相应的钢筋截面面积。2.4.1双向板配筋计算表12. 双向板配筋计算截 面选配钢筋实配面积/跨中A区格方向3.451001408200252方向2.66901428200252B区格方向4.14100366200141方向3.7990286200141C区格方向1.20100956200141方向1.7290376200141D区格方向4.0310054600141方向2.1190226200141E区格方向1.38100226200141方向2.2990486200252F区格 方向0.43100486200252方向0.4390166200141G区格方向1.73100216200141方向1.7390106200141H区格方向0.741001418200252方向0.35901328200252跨中I区格方向3.91002098200141方向3.89036200252J区格方向6.481001358200252方向7.80908600252K区格方向4.451001408200252方向6.65901428200252L区格方向0.37100366200141方向0.5690286200141 M区格方向2.11100956200141方向1.7890376200141N区格方向3.91002098200296方向3.890376200252跨中O区格方向3.451001408200252方向2.66901428200252P区格方向4.141001366200141方向3.79901286200141Q格方向1.20100956200141方向1.7290376200141R格方向4.0310054600141方向2.1190226200141截 面选配钢筋实配面积/支座A-B-5.03100315 10150462B-D-3.511002198200252C-E-1.16100736200141A-E-0.60100386200141D-E-1.01100636200141E-C-4.31002698200252H-E-7.1610044810150550I-J-4.3710027310150550H-I-3.911002458200252F-G-2.401001508200252G-H-2.491001758200252L-N-1.881001188200252N-M-0.78100496200141M-F-5.8910036910150550J-N-4.3110027010150550F-M-3.831002408200252K-G-4.31002698200252K-N-7.7610044810150550N-O-4.3710027310150550P-Q-3.911002458200252Q-R-2.401001508200252P-R-2.791001756200252K-K-1.881001188200252E-E-7.16100448101505502.5楼梯计算2.5.1楼板表13. 梯段板的荷载荷载种类荷载标准值（kN/ m2）恒载水磨石面层25+0.75)0.651/0.25=1.1三角形踏步1/20.30.175251/0.25=2.63斜板0.08251/0.819=2.44板底抹灰0.02171/0.819=0.42小计6.59活载荷载标准值2.0 2.5.2楼梯梯段板TB设计计算简图为：图2. 楼梯 图32.5.3楼梯板的计算（1）板倾斜度： =arctan150/270=30.260 cos=0.86（2）确定板厚: 楼梯板的厚度为:h=lo/25=2280mm/25=84mm 取h=100mm. 则取1m宽板带计算。（3）荷载计算： 荷载分项系数:rG=1.2 rq=1.4 基本组合总荷载设计值 P=1.26.59 kN/ m2+1.42.0 kN/ m2=10.71kN/ m2（4）截面计算： 弯矩设计值:M=P ln2=10.712.82=6.17kN.m ho=100mm-20mm=80mms= M/1fcb ho2=（1）（2） （3） （4） 满足要求 选配钢筋10200，实配面积As=314mm2分布筋6，每级踏步下一根，梯段板配筋.2.5.4平台板计算（1）荷载计算 恒荷载，平台板自重（假定板厚100mm） 0.1m1m25 kN/ m3=2.5kN/ m2 20mm厚找平层加20mm厚板底抹灰 0.04m1m20 kN/ m3=0.8 kN/ m2 恒荷载标准值： gk=2.80 kN/ m2 恒荷载设计值： g= gk1.2=2.801.2=3.36 kN/ m2 活荷载标准值： qk=2.0 kN/ m2 活荷载设计值： qk=2.0 kN/ m21.4=2.8 kN/ m2 荷载设计值： p=g+q=3.36 kN/ m2+2.8 kN/ m2=6.16kN/ m2 （2）内力计算 楼梯的休息平台： L01/ L02=，按双向板来进行计算： M1=（0.0552+0.20.0426）6.16 kN/ m22.002=1.57kN.m M2=(0.0426+0.20.0552) 6.16 kN/ m22.002=1.32kN.m（3）配筋计算 L01方向： 取 200 L02 方向： 取 200 2.5.5平台梁的计算设平台梁截面 b=200mm h=400mm（1）荷载设计梁自重：0.2（0.4-0.06）25=1.7kN/ m梁侧粉刷10厚： 0.01（0.4-0.06+0.2）217=0.18 kN/ m平台板传来荷载： 6.16(+0.2)=4.32 kN/ m梯段板传来荷载： 10.712.4/2=12.85kN/m 荷载标准值总计为： P=1.45+0.17+4.32+12.85=18.79kN/ m净跨度：ln=2600mm-200mm=2400mml0=2.4m+0.2m=2.6m取较小值，即l0=2.52m按简支梁计算跨中弯矩和剪力：M=V=（2）正截面承载力计算按倒L形截面计算，翼缘计算宽度为：bf= l0/b= 则 （5）故可按第一类T形截面计算 选用312纵向钢筋,箍筋计算: 2.6 框架计算2.6.1框架计算简图的选取和确定1框架结构平面计算单元取10-10轴的一榀框架进行计算。设计内容包括框架计算单元、计算简图的确定，框架受到的各种荷载计算，各种荷载作用下框架的内力计算、内力组合及截面配筋计算。2框架几何尺寸 横向框架梁：其砼为 C30，采用钢筋HRB400，初选尺寸为： h=600mb=300m楼板厚度（采用双向板）：其砼为 C30，采用钢筋HRB400，初选尺寸为：h=120mm 柱根据层高（1/121/18）H,初步选定为600mm600mm，其砼为 C30.（4）框架计算简图图4. 框架计算简图图5. 框架计算简图（5）竖向荷载的计算： 图62.6.2竖向荷载下框架受荷总图1屋面荷载 附加卷材一层 0.05kN/ 1:3水泥砂浆找平25 20 0.25=0.5 kN/ 1：8炉渣找坡2%厚20 27.6 0.02=0.55 kN/ 120厚水泥聚苯保温板 0.17 0.12=0.02 kN/ 1：3水泥砂浆找平层20 20 0.02=0.4 kN/ 现浇钢筋混凝土板120 25 0.12=3 kN/ 1：3混合砂浆找平层20 17 0.02=0.34 kN/ 合计: 4.86 kN/2楼面恒荷载标准值确定 20混合砂浆层: 20kN/m3 0.02=0.4kN/ 现浇钢筋混凝土板厚120: 25 kN/m3 0.012=2.5 kN/ 15mm厚天棚抹灰： 17kN/m3 0.15=0.26 kN/ 大理石板： 0.28 kN/ 恒载合计： 3.44 kN/3、构件自重 梁自重b h=300600（含抹灰）： 梁自重25KN/m3 0.30m (0.6m-0.12m)=3.0kN/m 抹10混合砂浆 0.01 17 （0.6-0.12）2+0.3=0.21KN/m 合计： 3.21 kN/M 次梁自重： 0.2 (0.4-0.12) 25=1.4kN/M 抹灰10混合砂浆 0.01 17 (0.4-0.12) 2+0.2=0.13kN/M 合计： 1.53 kN/M4、墙自重：标准层：1.2m0.2m18kN/m3=4.32kN/m 塑钢门窗： 0.95kN/m 涂料外墙面； 0.55kN/m 水泥粉刷内墙面：0.55kN/m 合计：6.77kN/m底层：4.80.2m5.5kN/m30.9m0.24m18kN/m3=7.67kN/m 水泥粉刷内墙面：0.55kN/m合计：7.67kN/m5、活荷载标准值计算根据规范建筑结构荷载规范不上人屋面：0.5 kN/m2基本风压：0.40 kN/m2基本雪压：0.40kN/其中风荷载和雪荷载不同时考虑，二者中取最大值。（a）J-H轴间框架梁 屋面板传荷载：恒载： 活载: 梁自重（含抹灰） 梁自重 25kN/m3 0.3m (0.6m-0.12m)=3.0kN/m抹10混合砂浆 0.01 17 （0.6-0.12）2+0.30=0.21kN/m墙重: 1.2m0.20m18kN/m3+17kN/m31.2m0.02 m2 =5.14kN/m屋面层框架梁均布荷载为： 恒载=屋面板传荷载+梁自重+墙重=20.54+3.21+5.14=28.89kN/m 活载=板传荷载=1.49 kN/m楼面板传荷载： 恒载 活载 楼面梁框架梁均布荷载为： 恒载=楼面板传荷载+梁自重+墙重=9.07+3.21+15.42=27.70kN/m活载=板传荷载=5.96 kN/m（b）H-G轴间框架梁屋面板传荷载：恒载 活载 梁自重 梁自重 25KN/m3 0.30m (0.6m-0.12m)=3.0kN/m抹10混合砂浆 0.01 17 （0.6-0.12）2+0.30=0.21kN/m墙重: 1.2m0.20m18KN/m3+17KN/m 1.2m0.02 m2 =5.14kN/m屋面层框架梁均布荷载为： 恒载=屋面板传荷载+梁自重+墙重=16.40+3.21+5.14=24.75kN/m 活载=板传荷载=4.80 kN/m楼面板传荷载： 恒载 活载 楼面梁框架梁均布荷载为： 恒载=楼面板传荷载+梁自重+墙重=8.20+3.21+5.14=16.55kN/m 活载=板传荷载=4.80 kN/m （C）J轴柱纵向集中荷载的计算：顶层柱活荷载=板传活荷载= 7.67kN/m(7.8-0.6m)+2.5kN/m(7.8m-0.6)=72.43kN（d）H轴柱纵向集中荷载计算：顶层柱活荷载=板传活荷载=4.8kN/m2.7m=12.96kN 6.77kN/m7.2m+3.21kN/m2.1m+8.49kN/M2.1m=91.80kN标准层柱活荷载=板传活荷载=4.8kN/M2.7m=12.96kN7.67kN/M7.8M+2.5kN/M2.7M=65.08kN（e）G轴柱纵向集中荷载计算：7.67kN/m2m+2.5kN/m2.5m=21.5kN图7.框架受荷载分布图图8.框架受荷载分布图2.7 内力计算2.7.1恒荷载内力计算（1）柱端和梁端的传递弯矩确定（a）顶层J处的弯矩： (b) 顶层H处的弯矩： 左梁 右梁 顶层J处的弯矩： (c)底层和标准层弯矩： G处弯矩 (d) H处弯矩右梁 左梁 (e) J处弯矩 （2）计算分配系数顶层分配系数 (a) J节点下柱 右梁(b) H节点 (c) G节点标准层分配系数(a) J节点 (b) H节点 (c) G节点 底层分配系数(a)J节点 (b) H节点 (c) G节点 （3）利用分层法求弯矩图9.顶层弯矩分配图图10.标准层弯矩分配图图11.地层弯矩分配图 恒荷载作用下的弯矩图（ 调幅前kN.Ma） 在竖向荷载作用下，可以考虑梁端塑性变形内力重分布而对梁端负弯矩进行调幅，取调幅系数0.9。图12.恒荷载作用的弯矩图剪力计算采用如下公式： ，简支梁支座左端和右端的剪力值标准值，当梁上无荷载作用时取0，剪力使用所取隔离体产生顺时针转动为正；，梁端弯矩标准值，以绕杆端顺时针为正，反之为负。梁端剪力计算如下： 顶层： VG右 VH左 VJ右 VJ左 2-4层剪力计算： VG右 VH左 VH右 VJ左 底层剪力计算： VG右 VH左 VH右 VJ左 图13.恒荷载下的剪力图利用节点平衡求出轴力(G) 图14.轴力简图2.7.2 风荷载作用下的内力计算1、计算主要承重结构时用查建筑结构荷载规范 式中：风荷载标准值； 高度Z处的风振系数； 风荷载体型系数； 风压高度变化系数； 基本风压；基本风压值: ，由于地面粗糙度为B类=1.42式中：脉动增大系数； 脉动影响系数； 振型系数； 风压高度变化系数； ，=1.44，=0.83，=1.42=因为本建筑沿高度比较均匀的中高层建筑按左边公式计算：第一层=0.163 第二层=0.302第三层=0.442 第四层=0.581第五层= 0.721 表14.风荷载标准值计算表格层数（n）振型系数（）10.1631.1370.6420.3021.2540.7130.4421.3720.7740.5811.4890.8450.7211.6100.902风荷载作用下的集中力计算将所算得的风荷载标准值转化为线荷载标准值，进而转化为集中荷载。转化为线荷载标准值:为简化计算,将矩形分布的风荷载折算成节点集中力第五层: 第四层: 第三层: 第二层: 第一层: 3水平作用下的弯矩风荷载计算基本假定：（1）梁的线刚度与柱的线刚度之比为无限大，各柱上下二端均布发生角位移。 （2）除底层外的其余各层柱，受力上下二端转角相同。 （3）不考虑框架梁的轴向变形，同一层各节点水平位移相等。为简化计算将风荷载中受力为分布荷载，简化为集中力形式。图15.风荷载作用下的荷载分布图4 风荷载作用下的位移验算1. 侧移刚度 见下表15和表16表15. 横向28值的计算构件名称G轴柱0.310200880.27H轴柱0.539349270.47J轴柱0.310200880.27表16. 横向底层值的计算构件名称G轴柱0.527182500.31H轴柱0.655226820.38J轴柱0.527182500.315 柱侧移刚度及剪力的计算第五层柱侧移刚度及剪力计算：柱1316计算侧移刚度： 柱1417计算侧移刚度： 柱1518计算侧移刚度： 第五层剪力计算： 第四层柱侧移刚度及剪力计算：柱1013计算侧移刚度： 柱1114计算侧移刚度： 柱1215计算侧移刚度： 第四层剪力计算： 第三层柱侧移刚度及剪力计算：柱710计算侧移刚度： 柱811计算侧移刚度： 柱912计算侧移刚度： 第三层剪力计算： 第二层柱侧移刚度及剪力计算：柱47计算侧移刚度： 柱58计算侧移刚度： 柱69计算侧移刚度： 第二层剪力计算： 第一层柱侧移刚度及剪力计算：柱14计算侧移刚度： 柱25计算侧移刚度： 柱36计算侧移刚度： 第一层剪力计算： 6 各层柱反弯点和弯矩的确定 因上下层梁刚度比变化的修正值： 因上层高变化的修正值： 因下层层高变化的修正值：柱的反弯点位置计算接过如下：表17.G轴框架柱反弯点位置层号52.81.00.450000.451.3542.81.00.450000.451.3532.81.00.450000.451.3522.81.00.500000.501.513.71.340.580000.581.74表18.H轴框架柱反弯点位置层号52.81.580.380000.381.1442.81.580.380000.381.1432.81.580.380000.381.1422.81.580.500000.501.5013.72.130.610000.612.41表19.J轴框架柱反弯点位置层号53.000.590.250000.250.7543.000.590.250000.250.7533.000.590.250000.250.7523.000.590.250000.250.7513.950.790.650000.652.57框架各柱的杆端弯矩和梁端弯矩按下式计算： 中柱处的梁 （5） （6）边柱处的梁 （7）表20.风荷载作用下G轴框架柱剪力和梁柱端弯矩的计算层数(H/M)(1-5(3.9)37.460.3314.301.351.6523.6019.3135.474(3.9)48.270.3318.421.351.6530.4024.8749.713(3.9)58.180.3322.191.351.6536.6230.0061.492(3.9)67.340.3325.671.51.5038.5138.5168.511(4.8)75.570.3328.601.742.2163.2149.78101.72 表21.风荷载作用下H轴框架柱剪力和梁柱端弯矩的计算层数(H/M)(1-5(3.9)37.460.4519.501.141.8636.2722.2332.5519.124(3.9