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毕业设计手算1 设计资料1.1 原始数据本工程为湖南理工学院图书馆设计，混凝土框架结构，层数为4层。该工程位于岳阳市，7度抗震设防。本工程选用混凝土强度等级有C30（板、梁、柱、楼梯），梁内纵向钢筋选用HRB335，梁柱箍筋采用HPB300钢筋。 该图书馆的建筑红线为南北66.5m，东西94m，结构共5层，至少满足人流量需求。水文地质条件详见岩土工程地质报告，其他基本条件参照规范及使用要求或与指导教师协商确定。（1）工程名称：湖南文理学院图书馆 （2）面积：17000m2左右（3）结构型式：现浇混凝土框架结构 （4）工程地点：岳阳市（5）设计方案见附图基本风压：0.35kN/mm2，基本雪压：0.25kN/mm2，地震烈度：7度，设计基本地震加速度为0.10g，II类场地，设计地震分组为第一组。地面粗糙度类别：C类1.2 技术要求建筑设计：方案应符合规范，满足功能要求，妥善处理建筑与结构关系，与周围环境协调。注明房间面积、功能和总建筑面积。结构设计：手算1榀框架，要有详尽的计算过程和必要的图示，过程相似的计算内容可通过列表的形式完成。整体部分采用学校计算软件完成，并与手算结果相比较。1.3 工作要求完成建筑主要平面、立面、剖面的设计，绘制相应的施工图。完成上部结构的设计，绘制部分结构施工图。设计说明书要完整，并附有必要的计算简图和表格。施工图既要有手绘也要有机绘。2 建筑设计 本图书馆建筑主体结构采用现浇钢筋混凝土框结构。要求共四层，总建筑面积为17000m2。遵循“安全，适用，经济，美观”的原则，结构布置合理，房间利用率比较高，适用性很强，同时又不失美观。主要功能有：阅览室，语音室，书库，采编、编目以及办公用房等。每个房间的门窗也都按照规范设计，符合规定要求，设计得合理，柱网布置需使结构受力合理，且应方便施工。本图书馆底层层高4.8米，标准层层高4.5米。总长度94米，总宽度66.5米。跨距分别为8.0米、7.5米和4.5米。详情见建筑立面图和平面图。 图1 选取框架的局部平面图3 结构设计3.1 基本设计资料1、 确定板厚 取h=L0/40=3750/40=93.75mm,故取h=100mm。 采用全现浇板，在部分跨度比较大处加次梁，可根据荷载及梁的尺寸确定板的厚度为100mm。2、梁尺寸确定： BC、CD框架梁：h=L0/12L0/8=7500/127500/8=625937.5mm,取h=700mm, b=h/3h/2=700/3700/2=233350mm,取h=300mm。 DE走道梁：h=L0/12L0/8=4500/124500/8=375562.5mm,取h=500mm, b=h/3h/2=400/3400/2=133200mm,取h=250mm。3、 柱的截面尺寸确定 该结构选用C30的混凝土=14.3N/mm2，选用HRB335级钢筋fy=300N/mm2。结构抗震等级为三级，由公式 （2.1-1） c：允许轴压比，三级0.9,二级0.8,一级0.7。 竖向荷载与地震作用组合的最大轴力设计值N。 rG：分项系数，取为1.2； w：单位面积重量，取为1214kN/m2； S：柱承载楼面面积；n：柱设计截面以上楼层数；b 1：一、二级抗震设计角柱为1.3,其余为1.0b 2：由于水平力使轴力增大的系数，7度1.05，8度1.1，9度1.2。 建筑抗震设计规范规定：柱的截面尺寸，宜符合下列各项要求： a.截面的宽度和高度均不宜小于300mm；圆柱直径不宜小于350mm。 b.剪跨比宜大于2。 c.截面长边与短边的边长比不宜大于3。从而得到：N=1.214（7.57.5）1.01.05=992.25kN可得：3992.251000/(0.914.3)=231294mm2b=h=480.93mm；取b=h=600mm柱的截面尺寸为600mm600mm.4、次梁的计算 梁柱受力纵筋均采用HRB400钢筋，采用C30混凝土，次梁截面250mm500mm，长度7500mm。箍筋采用HPB300，=270N/mm2。 3.2 框架设计选中框架KJ-4进行计算：结构计算简图如图所示，根据地质资料，确定基础顶面离室外地面为450mm，由此可得底层层高为5.25m. 图2 框架KJ-4示意图3.2.1 平面布置及梁柱尺寸图3 柱网布置及板的传力图4 双向板导荷示意图 直接传给该框架的楼面荷载如图中水平阴影线所示，计算单元范围内的其余楼面荷载则通过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。由于顶层纵向框架梁的中心线与柱的中心线不重合，因此在该层框架节点上还有集中力矩的作用。 各梁上作用的恒载如图5所示。 图5 各梁上作用的恒载计算图该图中：g1代表横梁自重，为均布荷载形式,g2代表各板传给横梁的梯形荷载。M为弯矩。G为集中力。3.2.2 荷载计算1、恒荷载计算（1）屋面框架梁线荷载标准值屋面做法：见屋面板设计。屋面恒荷载标准值 5.9kN/m2BC、CD跨框架梁自重 0.70.325=5.25kN/m抹灰 2（0.7-0.1）0.0217=0.408kN/m小计 g4BC1=g4CD1=5.658kN/m(注：这里的下标4表示第4层即顶层框架梁)DE跨框架梁自重 0.50.2525=3.125kN/m抹灰 2（0.5-0.1）0.0217=0.272kN/m小计 g4DE1=3.397kN/m跨上屋面传来的恒荷载 g4BC2=g4CD2= g4DE2=3.755.9=22.125kN/m（2） 楼面框架梁线荷载标准值 楼面做法：见楼盖设计。 楼面恒荷载标准值 =4.4KN/m2内横墙自重标准值240mm厚空心砌块 0.2412.5=3kN/m220mm厚砂浆双面抹灰 0.02172=0.68kN/m2 3.68kN/m2 梁上楼面传来的恒荷载 3.754.4=16.5kN/m（3） 屋面框架节点集中荷载标准值 女儿墙：高900mm，厚240mm，双面抹灰砖墙。女儿墙自重标准值 0.90.2412.5=2.7kN/m抹灰 0.90.02217=0.306kN/m 3.006kN/m纵向框架梁自重标准值 0.30.725=5.25kN/m粉刷 0.02（0.70.10）217=0.408kN/m 5.658kN/m次梁自重标准值 0.25（0.5-0.1）25=2.5kN/m抹灰 （0.5-0.1）20.0217=0.272kN/m2.772kN/mE节点集中荷载：女儿墙自重 7.53.006=22.545kN屋面传来的恒荷载 0.5（0.375+2.25)1.875+0.53.751.87525.9=70.52kN次梁自重 2.25 2.772=6.237kN 纵向框架梁自重 7.55.658=42.435kN G4E=141.737kN 偏心距 300120 =180mm 偏心弯矩 141.737kN 0.18m=25.512kNmB节点集中荷载：女儿墙自重 7.53.006=22.545kN屋面传来的恒荷载 0.5（1.875+3.75)1.875+0.53.751.87525.9=103.71kN 次梁自重 3.75 2.772=10.395kN 纵向框架梁自重 7.55.658=42.435kN G4B=179.085kN 偏心弯矩 179.085kN 0.18m=32.235kNm D节点集中荷载：屋面传来的恒荷载 0.5（1.875+3.75)1.875 25.9=62.227kN 0.5（0.375+2.25)1.875 25.9=29.039kN (0.53.751.875) 45.9=82.969kN纵向框架梁自重 42.435kN次梁自重 7.52.772=20.79kN G4D=237.46kN 偏心弯矩 237.46kN 0.18m=42.743kNmC节点集中荷载：屋面传来的恒荷载 0.5（1.875+3.75)1.875 45.9=124.454kN (0.53.751.875) 45.9=82.969kN纵向框架梁自重 42.435kN次梁自重 7.52.772=20.79kN G4C=270.648kN 偏心弯矩 270.648kN 0.18m=48.717kNm（4） 楼面框架节点集中荷载标准值 插窗内墙自重 （4.51.2）3.68=12.144kN/m 不插窗内墙自重 （4.50.7）3.68=13.984kN/m 框架梁及梁侧粉刷 5.658kN/m 插窗 17.802kN/m 不插窗 19.648kN/m 17.802kN/m7.5m=133.515kN 19.648kN/m7.5m=147.365kN外墙自重： 240mm厚空心砌块 0.2412.5=3kN/m2普通面钻 4.50.5=2.25kN/m2 20mm厚砂浆双面抹灰 0.02172=0.68kN/m2 5.93kN/m2窗重 6.930.45=9.315kN 6.91.20.45=3.726kN14层E节点集中荷载：楼面传来的恒荷载 0.5（0.375+2.25)1.875+0.53.751.87524.4=52.59kN内墙自重 133.515kN次梁自重 2.25 2.772=6.237kN 纵向框架梁自重 7.55.658=42.435kN G3E=234.777kN 偏心距 300120 =180mm 偏心弯矩 234.777kN 0.18m=42.26kNm14层B节点集中荷载：楼面传来的恒荷载 0.5（1.875+3.75)1.875+0.53.751.87524.4=77.343kN 外墙自重 5.93(4.5-3)7.5=66.71kN窗重 9.315kN2=18.63kN 次梁自重 3.75 2.772=10.395kN 纵向框架梁自重 7.55.658=42.435kN G3B=215.513kN 偏心弯矩 215.513kN 0.18m=38.792kNm 14层D点集中荷载楼面传来的恒荷载 0.5（1.875+3.75)1.875 24.4=46.406kN 0.5（0.375+2.25)1.875 24.4=21.60kN (0.53.751.875) 44.4=61.875kN内墙自重 0.5(133.515kN+147.365kN)=140.44kN窗重 3.726kN纵向框架梁自重 42.435kN次梁自重 7.52.772=20.79kN G3D=337.272kN 偏心弯矩 337.272kN 0.18m=60.71kNm 14层C点集中荷载楼面传来的恒荷载 0.5（1.875+3.75)1.875 44.4=92.812kN (0.53.751.875) 44.4=61.875kN纵向框架梁自重 42.435kN次梁自重 20.79kN G3C =217.912kN偏心弯矩 217.912kN 0.18m=39.224kNm框架柱自重 0.60.64.525=40.5kN 恒荷载作用下的结构计算简图如下所示：图6 恒荷载作用下的结构计算简图3.2.3 活载计算1、屋面及楼面可变荷载标准值如下： 不上人屋面均布活荷载标准值为 0.5kN/m2 岳阳市雪荷载标准值 0.35kN/m2 走廊 2.5kN/m2，视听室、阅览室 2.0kN/m22、活载计算代表各板传给横梁的梯形活荷载，如图7所示。活荷载作用下各层框架梁上的荷载分布如下： 图 7 各梁上作用的活载计算图由横向框架计算单元图中的几何关系可得：（1） 对于屋面梁：q2=3.750.5=1.875kN/m P1=1.8753.75+1.875(1.875+3.75)0.5=8.789kN P2=2P1=17.578kN P3=P1+P4=14.766kN P4=1.8753.75+1.875(2.25+0.375)0.5=5.977kN集中力矩： M1=P1e=8.789kN0.18m=1.582kNm M2=P2e=17.578kN0.18m=3.164kNm M3=P3e=14.766kN0.18m=2.658kNm M4=P4e=5.977kN0.18m=1.076kNm 同理在屋面雪荷载的作用下： q2=3.750.35=1.313kN/m P1=1.8753.75+1.875(1.875+3.75)0.35=6.152kN P2=2P1=12.305kN P3=P1+P4= 10.336kN P4=1.8753.75+1.875(2.25+0.375)0.35=4.184kN 集中力矩： M1=P1e= 6.125kN0.18m=1.103kNm M2=P2e= 12.305kN0.18m=2.205kNm M3=P3e=10.336kN0.18m=1.861kNm M4=P4e=4.184kN0.18m=0.753kNm（2） 对于BC、CD框架梁： q2=3.752.0=7.5kN/m P1=1.8753.75+1.875(1.875+3.75)2.0=35.156kN P2=2P1=70.312kN P3=P1+P4= 65.042kN集中力矩： M1=P1e=35.156kN0.18m=6.328kNm M2=P2e= 70.312kN0.18m=12.656kNm M3=P3e=65.042kN0.18m=11.708kNm （3） 对于DE框架梁： q2=3.752.5=9.375kN/m P3=P1+P4=65.042kN P4=1.8753.75+1.875(2.25+0.375)2.5=29.887kN 集中力矩： M4=P4e=29.887kN0.18m=2.107kNm 将以上计算结果汇总，得到表1。表1 横向框架活载汇总表层次 P1 P2P3 P4M1M2 M3M44 1.875(1.313)8.789(6.152)17.578(12.305)14.766(10.366)5.977(4.184)1.582(1.103)3.164(2.205)2.658(1.861)1.076(0.753)1-37.535.15670.31265.0426.32812.65611.708 1-39.37565.04229.88711.7082.107活载图如下所示：图8 活荷载作用下的结构计算简图3.2.4 风荷载计算垂直于建筑物表面上的风荷载应按下式计算： 式中,wk 风荷载标准值(kN/m2)；Z高度z处的风振系数；s风荷载体型系数；z风压高度变化系数；w0 基本风压(kN/m2)。 基本风压 0.25KN/m由于该图书馆位于城市郊区，地面粗糙度为C类地区。迎风面，背风面。忽略梁的轴力，合并得。仍取第4轴线横向框架计算，其负载宽度为7.5m。由此得到房屋高度的分布风荷载标准值为: 根据各楼层标高处的高度可得风压高度变化系数，代入上式即可求得各楼层标高处的，详见表2。 表2 沿房屋高度分布风荷载标准值层次418.7510.8151.3814.524314.250.760.741.1063.62329.750.520.740.8662.83715.250.280.740.6262.051框架结构分析时，应按静力等效原理将图9的分布风荷载转化为节点集中荷载，如图10所示。其计算过程如下：F4=0.5(4.524+3.623)+4.5242.250.5=9.672KNF3=0.5(4.524+3.623)+0.5(3.623+2.837)4.50.5=16.433KNF2=0.5(2.837+3.623)+0.5(2.837+2.051)4.50.5=12.768KNF1=0.5(2.837+2.051)+2.0512.250.5+2.0515.250.5=10.441KN 图9 风荷载沿房屋高度的分布（单位：kN/m） 图10 等效节点集中风荷载（单位：kN）3.2.5 地震荷载 1、基本资料 该办公楼位于7度设防区，基本地震加速度为；类场地第一组，设计特征周期；多遇地震时，水平地震影响系数的最大值 框架自振周期的计算 框架自振周期可采用假象顶点位移法计算，对于民用框架和框架抗震墙房屋，也可按下列经验公式计算： 式中H房屋主体结构的高度（m），H18.3.m；B房屋震动方向的长度，在计算横向水平地震作用时，为房屋宽度取94.0m。则0.372、底部剪力法的计算 根据本工程的特点，对于高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可以采用底部剪力法。结构总水平地震作用：相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数值；，因此。 结构等效总重力荷载，式中为集中于质点的重力荷载代表值。计算地震作用时，建筑物的重力荷载代表值应取结构和构配件的自重荷载标准值和各可变荷载组合值之和，各可变荷载的组合值系数如下：雪荷载： 0.5屋面活荷载： 不计入按实际情况计算的楼面荷载 1.0按等效均布荷载计算的楼面活荷载 0.5由表3+各层柱重，可以算得各层自重标准值：（1）重力荷载代表值 顶层： 雪荷载 9419.50.35=641.55kN 女儿墙重 (94+19.5)23.006=682.362kN 屋面恒荷载 9419.55.9=10814.7kN 梁自重： 走道框架梁自重 4.53.39713=198.725kN BC、CD框架梁自重 7.55.658132=2206.62kN 纵向框架梁自重 945.6584 =2127.408kN 次梁自重 19.52.77212=648.648kN 5181.401kN 框架柱自重 0.600.604.52554=2187kN 外墙自重： 外纵墙自重 （4.5-2.4）165.93=218.224KN (4.5-1.8)95.93=144.099KN (4.5-3.0)695.93=613.755KN 栏杆围护自重 0.93.68（15+4.5）2=129.168kN 外横墙自重 1524.55.93=800.55kN 1905.796kN 窗重 6.93.080.45=74.52kN 2.12.440.45=9.072kN 3.31.820.45=5.346kN 3.03.020.45=8.1kN 6.91.220.45=7.452kN 0.90.920.45=0.792kN 105.219kN 内横墙自重 7.5（4.5-1.2）3.682=182.16kN 3.75（4.5-0.9）3.682=99.36kN 7.5（4.5-0.7）3.6822=2307.36kN 4.5（4.5-0.7）3.686=377.568kN 11.4（4.5-0.7）3.682=318.835kN 3.75（4.5-0.7）3.682=104.88kN 3390.163kN 活载 办公室、厕所 2.0kN/m2 走廊 2.5kN/m2视听室、阅览室 2.0kN/m2 4.5942.0+15942.0+4.57.52.5-4.57.52.0=3894.375kN所以=0.5614.55+682.362+10814.7+5181.40+2187+1905.796+105.219+ 3390.163+0.53894.375=26213.828kN 三层： 楼面恒荷载 9419.54.4=8065.2kN 梁自重 5181.401kN 框架柱自重 2187kN 外墙自重 1905.796kN 窗重 105.219kN 内横墙自重 3390.163kN 活载 3894.375kN所以=8065.2+5181.401+（2187+1905.796+105.219+3390.163） 0.5+ 0.53894.375=22419.739kN二层：=22781.968kN一层： 楼面恒荷载 9419.54.4=8065.2kN 梁自重 5181.401kN 框架柱自重 0.600.606.452554=3134.7kN 外墙自重： 外纵墙自重 （4.8-2.4）165.93=227.712KN (4.8-1.8)95.93=160.11KN (4.8-3.0)695.93=736.506KN 外横墙自重 1524.85.93=853.92kN 1924.248kN 窗重 105.219kN 内横墙自重 7.5（4.8-1.2）3.682=198.72kN 3.75（4.8-0.9）3.682=107.64kN 7.5（4.8-0.7）3.6822=2368.08kN 4.5（4.8-0.7）3.686=387.504kN 11.4（4.8-0.7）3.682=327.226kN 3.75（4.8-0.7）3.682=107.64kN 3496.81kN 活载 3894.375kN所以=8065.2+5181.401+（3134.7+1924.248+105.219+3496.81）0.5+ 0.53894.375=19524.278kN 图11 结构水平地震作用计算简图上面已经给出的计算式： 总重力荷载代表值G=87507.953kN GEq=0.85G=0.8595632.53=70006.362kN FEk=GEq=0.07681287.651=5320.484kN下面计算各个质点的地震作用：采用底部剪力法时，各个楼层可以仅取一个自由度，结构的水平地震作用标准值应按照下列公式确定：（如图11所示） 式中为顶部作用附加系数，多层钢筋混凝土房屋，因此。列表求解如下: 表3 底部剪力法计算地震荷载下的剪力层次一榀中i一榀中419.9522419.739447273.7930.3807721822025.8922025.892155.838155.838315.4522781.968351981.4060.2996480681594.2733620.165122.636278.474210.9522781.968249462.5500.2123719321129.9214750.08686.917365.39116.4519524.278125931.5900.107207816570.3975320.48443.878409.268框架水平地震作用以及层间剪力如图11所示。 图11 用底部剪力法计算的整栋建筑物水平地震作用和剪力图3.3 内力计算 边跨框架梁承担的由屋面板传来的荷载形式为梯形，为计算简便，按支座弯矩等效原则，将其简化为矩形分布。将梯形分布荷载按固端弯矩等效的原则折算成均布荷载：梯形荷载折算公式： 其中： ； 为梯形分布荷载的最大值。 其中，BC、CD跨 DE跨 图12 梯形荷载分布等效图恒载屋面梁上线荷载：BC、CD跨 q1=(1-22+3)22.125kN/m+5.658kN/m=25.363kN/mDE跨 q3=(1-22+3)22.125kN/m+5.658kN/m=21.693kN/m楼面上梁线荷载：BC、CD跨 q2=(1-22+3)16.5kN/m+3.68kN/m=18.375kN/mDE跨 q4=(1-22+3)16.5kN/m+3.68kN/m=16.638kN/m活载屋面梁上活荷载：BC、CD跨 q2=(1-22+3)1.875kN/m=1.670kN/mDE跨 q3=(1-22+3)1.875kN/m=1.358kN/m楼面梁上活荷载：BC、CD跨 q2=(1-22+3)7.5kN/m=6.680kN/mDE跨 q3=(1-22+3)7.5kN/m=5.436kN/m所以恒载作用分布图与活载作用分布图如下： 图13 恒载作用分布图 图14 活载作用分布图1、梁、柱参数汇总：根据截面参数计算，现将第4轴横向框架梁、柱相关参数作一汇总：其中：第4轴横向框架为