南昌大学附属中学教学楼建设结构设计.doc

南昌大学附属中学教学楼建设结构设计一、工程概况1. 工程名称：南昌大学附属中学教学楼。2. 建筑规模： （1) 建筑面积:4800 m (2) 建筑层数:结构共四层 （3）层高:每层层高3.6m3. 建筑安全等级、耐火等级为二级。4. 结构类型：现浇钢筋混凝土框架结构；不上人屋面。5. 抗震设防烈度6度；抗震等级四级；场地类别为三级场地土，地面粗糙度为B类。6. 工程地质条件：地下潜水水位埋深为5m,地基承载力特征值。二、 设计主要依据和资料1. 结构设计依据 （1）任务书提供的气象条件和工程地质条件（2）任务书提供的施工条件（3）建筑使用要求和已完成的建筑施工图（4）混凝土结构设计规范GB50010-2002（5）建筑结构荷载规范GB50009-2001（6）建筑地基基础设计规范GB50007-2002（7）混凝土结构设计原理、混凝土结构设计（8）多层与高层建筑结构设计（9）简明建筑结构静力设计手册2. 设计资料 1 房屋建筑学 武汉工业大学出版社2 混凝土结构（上、下） 武汉理工大学出版社3 基础工程 同济大学出版社4 建筑结构设计 东南大学出版社5 结构力学 人民教育出版社6 地基与基础 武汉工业大学出版社7 工程结构抗震 中国建筑工业出版社8 简明建筑结构设计手册 中国建筑工业出版社9 土木工程专业毕业设计指导 科学出版社10 实用钢筋混凝土构造手册 中国建筑工业出版社11 房屋建筑制图统一标准（BG50001-2001） 中国建筑工业出版社12 建筑结构制图标准（BG50105-2001） 中国建筑工业出版社13 建筑设计防火规范（GBJ1687） 中国建筑工业出版社14 民用建筑设计规范（GBJI0I8-7） 中国建筑工业出版社15 综合医院建筑设计规范（JGJ49-88） 中国建筑工业出版社16 建筑楼梯模数协调标准（GBJI0I-87） 中国建筑工业出版社17 建筑结构荷载规范（GB5009-2001） 中国建筑工业出版社18 建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001） 中国建筑工业出版社19 混凝土结构设计规范（GB500102002） 中国建筑工业出版社20 地基与基础设计规范（GB5007-2002） 中国建筑工业出版社21 建筑抗震设计规范（GB500112001） 中国建筑工业出版社22 砌体结构 中国建筑工业出版社23 简明砌体结构设计施工资料集成 中国电力出版社24 土木工程专业毕业设计指南 中国水利水电出版社25 土建工程图与AutoCAD 科学出版社26 简明砌体结构设计手册 机械工业出版社27 砌体结构设计手册 中国建筑工业出版社28 砌体结构设计规范（GB500102002） 中国建筑工业出版社本工程采用框架结构体系。全部图纸尺寸除标高以米为单位外均以毫米为单位。本工程结构图中所注标高均为结构标高。3、 结构方案设计1. 结构选型 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，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。2.框架承重方式选择承重方式有：横向框架承重，纵向框架承重，纵横向框架混合承重。横向框架往往跨数少，主梁沿横向布置有利于提高建筑物的横向抗侧刚度，而纵向框架则往往反接，构造要求布置较小的联系梁，有利于房屋室内的采光和通风。纵向承重墙框架的横向梁高度较小，有利于设备管线的穿行，当在房屋开间方向需要较大空间时，可获得较高的室内净高，并且可利用纵向框架的刚度来调整房间的不均匀沉降，缺点是房屋的横向抗侧刚度较差，进深尺寸受到限制。纵横向框架混合承重则具有较好的整体工作性能，对抗震有利。经以上分析，并结合建筑功能要求，本次设计的教学楼采用纵横向承重方案，竖向荷载主要由横向框架承担，横向框架还要承受横向的水平风载。3. 结构布置及计算简图（1） 结构平面布置如图1所示，计算单元KJ-B见图2。 图1 结构平面布置图 图2 计算单元KJ-B（2）各梁柱界面尺寸确定如下：梁载面高度按梁跨度的1/101/18估算，该工程框架为纵横向承重，根据梁跨度可初步确定，由此估算的梁载面尺寸见表1，表中还给出柱板的混凝土强度等级。C30（）。 表1 梁截面尺寸层次砼强度横梁（bh）纵梁(bh)左跨右跨1-4C30250600250600250600柱截面尺寸：柱截面高度可取h=(1/151/20)H，H为层高；柱截面高度可取b=（12/3)h，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) 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。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3.6m，底层柱高度从基础顶面取至一层板底，即。框架计算简图见图3：图3 框架计算简图（3） 竖向框架侧移刚度计算 竖梁线刚度计算过程见下表2，柱线刚度计算见表3。 表2 竖梁线刚度计算表层次类 别/(N/mm2)bh/mm2/mm4L/mm/L(N.mm)1.5/L1-4左跨3.01042506004.510980001.6910102.541010右跨3.01042506004.510921006.4310109.651010 表3 柱线刚度计算表层次/mm/(N/mm2)bh/mm2/mm4(N.mm)145503.01045005005.211093.4310102-436003.01045005005.211094.341010取BC跨梁的相对线刚度为1.0，则其他为：左 跨 右跨 1层柱 2-4层柱相对刚度I 0.26 1.0 0.36 0.45框架梁柱的相对线刚度如图4，作为计算各节点杆端弯矩分配系数的依据。图4 框架梁柱相对线刚度图4、 荷载计算 1. 恒载标准值计算（1) 屋面： 30厚水磨石面层 0.65kN/ 三毡四油柔性防水层： 0.4kN/ 20厚1:3水泥砂浆找平层 0.02x20=0.4kN/ 100厚膨胀珍珠岩砂浆保温层： 0.1010=1.0kN/ 120厚结构层 0.12x25=3.0kN/ 15厚纸筋石灰抹底： 0.01516=0.24kN/ 合计 5.69kN/ (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/ 120厚钢筋砼板 250.12=3.0kN/ 15厚纸筋石灰抹底： 0.01516=0.24kN/合 计 3.89kN/ （3）梁自重： 梁截面：bh=250600mm 梁自重 250.25(0.6-0.12)=3.00kN/m 抹灰层：12厚水泥砂浆 200.29kN/m 合计 3.29kN/m (4)柱自重： 柱截面：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：加气混凝土砌块自重 铝合金窗 合计 4.63kN/m底层：加气混凝土砌块自重 铝合金窗 合计 5.36kN/m（6）内纵墙自重标准层：加气混凝土砌块自重 合计 6.96kN/m底层：加气混凝土砌块自重 合计 8.64kN/m （7）女儿墙自重 女儿墙自重 0.80.2418=3.46kN/m 压顶自重 0.10.3025=0.75kN/m 陶瓷锦砖外墙面 0.50.9+0.50.3=0.6kN/m 合计 4.81kN/m （8）栏杆自重 0.250.125+0.241.118=5.38kN/m2. 竖向荷载下框架受荷总图 本次设计的教学楼纵向柱距8m,横梁跨度为6m，L1/L2=1.332所以按双向板传递荷载，板上荷载分配如图4所示。图5 板面荷载分布图3.主梁柱受力情况(1)作用在顶层框架梁上的线荷载左跨：框架梁自重：3.29kN/m屋面板荷载（梯形分布计算峰值）：65.69=34.14kN/m右跨：框架梁自重：3.29kN/m屋面板荷载（三角形分布计算峰值）：62.1=12.6kN/m(2)作用在下层框架梁上的线荷载左跨：框架梁自重：3.29kN/m 楼板荷载（梯形分布，计算峰值）：63.89 =23.34kN/m 墙体自重（均布线荷载）：6.96kN/m小计：3.29+6.96=10.25kN/m右跨：框架梁自重：3.29kN/m 楼板荷载（三角形分布，计算峰值）：2.13.29=6.91kN/m(3)作用在顶层节点的集中荷载左边节点：节点两边连系梁自重传来的集中荷载： 63.29=23.34kN屋面板自重通过连系梁传来的集中荷载：1/261/265.69=51.21kN女儿墙自重： 64.81=-28.86kN小计：103.41kN中间节点：节点两边连系梁自重传来的集中荷载：63.29=11.25kN屋面板自重通过连系梁传来的集中荷载：1/261/26+（1/26-1/22.1）2.1+1/22.11/22.1 5.69=77.65kN小计：88.90kN右边节点：节点两边连系梁自重传来的集中荷载： 63.29=23.34kN屋面板自重通过连系梁传来的集中荷载： 1/22.11/22.15.69=6.27kN女儿墙自重： 64.81=-28.86kN小计：58.47kN(4)作用在标准层节点的集中荷载左边节点：节点两边连系梁自重传来的集中荷载：63.29=23.34kN 楼面板自重通过连系梁传来的集中荷载：1/261/263.89=35.01kN墙体通过连系梁自重传来的集中载：64.63=27.78kN本层柱自重：3.66.73=24.23kN小计：110.36中间节点：节点两边连系梁自重传来的集中荷载：63.29=23.34kN楼面板自重通过连系梁传来的集中荷载：1/261/26+（1/26-1/22.1）2.1+1/22.11/22.1 3.89=55.23kN墙体通过连系梁自重传来的集中载：66.96=41.76kN本层柱自重：3.66.73=24.23kN小计：106.28kN右边节点：节点两边连系梁自重传来的集中荷载：63.29=23.34kN楼面板自重通过连系梁传来的集中荷载：（6-2.1/2）2.1/23.89=20.22kN栏杆通过连系梁自重传来的集中载：65.38=32.28kN本层柱自重：3.66.73=24.23kN小计：100.07kN(5)恒荷载作用下的结构计算简图如图5所示： 图6 恒载作用下的计算简图4. 活荷载标准值计算 （1）根据荷载规范查得： 不上人屋面 0.5kN/ 楼面：教室 2.0kN/ 走廊 2.5kN/ 雪荷载： （2）屋面，楼面活荷载标准值计算屋面：作用在框架梁上的线荷载：左跨：（梯形分布，计算峰值） 60.5=3kN/m右跨：（三角形分布，计算峰值）2.10.5=1.05kN/m作用在节点上的集中荷载：左边节点：1/261/260.5=4.5kN/m中间节点：1/261/26+（6-2.1/2）2.1/20.5=7.10kN右边节点：（6-2.1/2）2.1/20.5=2.60kN楼面：作用在框架梁上的线荷载：左跨：（梯形分布，计算峰值）62.0=12kN/m右跨：（三角形分布，计算峰值）2.12.5=5.25kN/m作用在节点上的集中荷载：边节点：1/261/262.0=18kN中间节点：1/261/262.0+（6-2.1/2）2.1/22.5=30.99 kN右边节点：（6-2.1/2）2.1/22.5=12.99kN（3）活荷载作用下的结构计算简图如图6所示：图7 活载作用下的计算简图5.风荷载标准值计算（1）风压标准值计算公式为：。由设计资料可知。因结构高度H=33.6+4.05=14.85 m30 m，可取。对于矩形平面，风荷载体系数1=+0.8；2=-0.5;=1+2=1.3。风压高度变化系数z经查规范如下表。将风荷载换算成作用于框架每层节点上的集中荷载，其计算过程如下表其中z为框架节点至室外地面的高度，A为一榀框架各层节点的受风面积（计算宽度为6m，女儿墙高0.9m）。 表4风荷载计算层次Zw。AP41.01.314.850.740.4513.55.8431.01.311.250.740.4521.69.3521.01.37.650.740.4521.69.3511.01.34.050.740.4522.959.94图8风荷载作用下的计算简图（kN）5、 内力计算1.恒载作用下的内力计算（1）恒荷载（竖向荷载）作用下的内力计算采用分层法计算。将梯形分布荷载及三角形分布荷载转化为等效均布荷载。顶层左跨 顶层右跨 中间层左跨 中间层右跨 图9 恒载作用下的等效计算简图 （2）固端弯矩顶层左跨 M12=-M21=1/1229.638.02=158.03kN.m顶层右跨 M23=-M32=1/1211.172.12=4.10kN.m中间层左跨 M12=-M21=1/1224.978.02=133.17kN.m中间层右跨 M23=-M32=1/127.612.12=2.80kN.m （3）纵梁引起柱端附加弯矩边框架纵梁偏向外侧，中框架纵梁偏向内侧顶层左纵梁 M1=103.410.125=12.93kN.m (逆时针为正)顶层中纵梁M2=88.900.125=11.11kN.m顶层右纵梁M3=58.470.125=7.31kN.m楼层左纵梁M1=110.360.125=13.80kN.m楼层中纵梁M2=106.280.125=13.29kN.m楼层右纵梁M3=100.070.125=12.51kN.m （4）节点不平衡弯矩横向框架的节点不平衡弯矩为通过该节点的各杆件（不包括纵向框架梁）在节点处的固端弯矩与通过该节点的纵梁引起柱端横向附加弯矩之和，根据平衡原则，节点弯矩的正方向与杆端弯矩方向相反，一律以逆时针方向为正。顶层：M1=-158.03+12.93=145.1kN.m M2=158.03-4.1-11.11=142.82kN.m M3=-4.1+7.31=3.21kN.m楼层：M1=-133.17+13.8=119.37kN.m M2=133.17-2.813.29=117.08kN.m M3=-2.8+12.51=9.71kN.m（5） 弯矩分配系数 (a)相对转动刚度S 表5 梁柱相对转动刚度构件名称相对转动刚度框架梁左跨右跨框架柱首层其它层 (b）计算分配系数图10节点编号表6分配系数节点50.26+0.45=0.71-0.366-0.63440.26+0.452=1.16-0.2240.3880.38830.26+0.452=1.16-0.2240.3880.38820.26+0.45+0.36=1.07-0.2430.4210.336100.26+0.45+1=1.710.1520.585-0.26390.26+1+0.452=2.160.1200.4630.2080.20880.26+1+0.452=2.160.1200.4630.2080.20870.26+1+0.45+0.36=2.070.1260.4830.2170.174151+0.45=1.450.690-0.310141+0.452=1.90.526-0.2370.237131+0.452=1.90.526-0.2370.237121+0.45+0.36=1.810.552-0.2490.199（6）弯矩分配如下：上柱下柱右梁左梁 上柱下柱右梁左梁下柱上柱0.6340.3660.1520.2630.5850.6900.310-145.1-158.03158.03142.82-4.104.103.2191.9953.11-21.71-37.56-83.55-2.21-1.0023.16-10.5926.56-12.18-1.11-41.78-1.15-7.97-4.60-2.02-3.49-7.7629.6213.31107.18-120.11160.86-53.23-96.52-10.2711.16上柱下柱右梁左梁 上柱下柱右梁左梁下柱上柱0.3880.3880.2240.1200.2080.2080.4630.5260.2370.237-119.37-133.17133.17117.08-2.802.809.7146.3246.3226.73-14.05-24.35-24.35-54.21-5.11-2.30-2.3046.0023.16-7.0313.37-18.78-12.18-2.56-27.11-1.15-0.50-24.11-24.11-13.922.424.194.199.3315.136.826.8268.2145.37-127.39134.91-38.94-32.34-80.24-14.293.374.02上柱下柱右梁左梁 上柱下柱右梁左梁下柱上柱0.3880.3880.2240.1200.2080.2080.4630.5260.2370.237-119.37-133.17133.17117.08-2.802.809.7146.3246.3226.73-14.05-24.35-24.35-54.21-5.11-2.30-2.3023.1625.13-7.0313.37-12.18-12.71-2.56-27.11-1.15-0.97-16.01-16.01-9.241.622.822.826.2715.376.936.9353.4755.44-122.71134.11-34.24-34.24-53.30-14.053.483.66上柱下柱右梁左梁 上柱下柱右梁左梁下柱上柱0.4210.3360.2430.1260.2170.1740.4830.5520.1990.249-119.37-133.17133.17117.08-2.802.809.7150.2540.1129.01-14.75-25.41-20.37-56.55-5.36-1.93-2.4223.16-7.3814.51-12.18-2.68-28.28-1.15-6.64-5.30-3.830.040.080.060.1716.255.867.3366.7734.81-115.37132.97-37.51-20.31-61.86-14.593.933.7618.96-10.161.97（7） 恒荷载作用下梁端剪力和柱轴力计算表7 1-2跨梁端剪力（kN）层g(kN/m)(自重作用)q(kN/m)(板传来作用)gl/2u=(l-a)q/2M12(kN.m)M21(kN.m)Mik/lV12=gl/2+u-Mik/lV21=-(gl/2+u+Mik/l)43.2934.1413.1685.35-120.11160.865.0993.42-103.6036.9623.3427.8458.35-127.39134.910.9485.25-87.1326.9623.3427.8458.35-122.71134.111.4384.76-87.6216.9623.3427.8458.35-115.37132.972.283.99-88.39注：l=8.0m a=3.0m表8 2-3跨梁端剪力（kN）层g(kN/m)(自重作用)q(kN/m)(板传来作用)gl/2lq/4MAB(kN.m)MBA(kN.m)Mik/lV12=gl/2+lq/4-Mik/lV21=-(gl/2+lq/4+Mik/l)43.2912.63.456.62-96.52-10.27-50.8560.9240.7833.296.913.453.63-80.24-14.29-45.0152.0937.9323.296.913.453.63-53.30-14.05-32.0739.1524.9913.296.913.453.63-61.86-14.59-36.4043.4829.32注：l=2.1m 表9 1-2跨跨中弯矩（kN.m）层g(kN/m)(自重作用)q(kN/m)(板传来作用)gl/2u=(l-a)q/2M12(kN.m)Mik/lV12=gl/2+u-Mik/lM=gl/2l/4+u3-M12-V12l/243.2934.1413.1685.35-120.115.0993.42-137.6336.9623.3427.8458.35-127.390.9485.25-96.6626.9623.3427.8458.35-122.711.4384.76-99.3816.9623.3427.8458.35-115.372.283.99-103.64注：l=8.0m a=3.0m表10 2-3跨跨中弯矩（kN.m）层g(kN/m)(自重作用)q(kN/m)(板传来作用)gl/2lq/4M23(kN.m)Mik/lV23=gl/2+l*q/4-Mik/lM=gl/2l/4+ql/4l/6-M23-V23l/243.2912.63.456.62-96.52-50.8560.9236.6833.296.913.453.63-80.24-45.0152.0928.6323.296.913.453.63-53.30-32.0739.1515.2713.296.913.453.63-61.86-36.4043.4819.29注：l=2.1m表11 柱轴力（kN）层左柱中柱横梁端部压力纵梁端部压力柱重柱轴力横梁端部压力纵梁端部压力柱重柱轴力4柱顶93.42103.4124.23196.83103.60+60.92=164.5229.6324.23194.15柱底221.06218.383柱顶85.25110.3624.23392.4487.13+52.09=139.2224.9724.23382.57柱底416.67406.802柱顶84.76110.3624.23611.7987.62+39.15=126.7724.9724.23558.54柱底636.02582.771柱顶83.99110.3630.62830.3788.39+43.48=131.8724.9730.62739.61柱底860.99770.23层右柱横梁端部压力纵梁端部压力柱重柱轴力4柱顶40.7858.4724.2399.25柱底123.483柱顶37.93100.0724.23261.48柱底285.712柱顶24.99100.0724.23410.77柱底435.001柱顶29.32100.0730.62564.39柱底595.01 (8)本设计中梁端弯矩调幅，取 = 0.85进行调幅，调幅计算过程见表12。 表12 弯矩调幅计算恒载层次跨向梁弯矩标准值调幅系数调幅后弯矩标准值Ml0Mr0M中MlMrM中四层左-120.11160.86-137.630.85-102.09136.73-140.69右-96.52-10.2736.680.85-82.04-8.7344.69三层左-127.39134.91-96.660.85-108.28118.92-97.22右-80.24-14.2928.630.85-68.20-12.1535.72二层左-122.71134.11-99.380.85-104.30113.99-100.24右-53.30-14.0515.270.85-45.31-11.9420.32一层左-115.37132.97-103.640.85-98.06113.02-104.96右-61.86-14.5919.290.85-52.58-12.4025.02(9) 内力图图11 调幅后恒载作用下框架弯矩图（kN）图12 恒载作用下框架剪力图（kN）图13 恒载作用下框架轴力图（kN）2. 活载作用下的内力计算（1）均布等效荷载顶层左跨 顶层右跨 中间层左跨 中间层右跨 图14 活载作用下的等效计算简图 （2）固端弯矩顶层左跨 M12=-M21=1/122.318.02=12.32kN.m顶层右跨 M23=-M32=1/120.662.12=0.24kN.m中间层左跨 M12=-M21=1/129.268.02=49.39kN.m中间层右跨 M23=-M32=1/123.282.12=1.21kN.m （3）纵梁引起柱端附加弯矩边框架纵梁偏向外侧，中框架纵梁偏向内侧顶层左纵梁 M1=4.50.125=0.56kN.m (逆时针为正)顶层中纵梁M2=7.10.125=0.89kN.m顶层右纵梁M3=2.60.125=0.33kN.m楼层左纵梁M1=180.125=2.25kN.m楼层中纵梁M2=30.990.125=3.87kN.m楼层右纵梁M3=12.990.125=1.62kN.m （4）节点不平衡弯矩横向框架的节点不平衡弯矩为通过该节点的各杆件（不包括纵向框架梁）在节点处的固端弯矩与通过该节点的纵梁引起柱端横向附加弯矩之和，根据平衡原则，节点弯矩的正方向与杆端弯矩方向相反，一律以逆时针方向为正。顶层：M1=-12.32+0.56=11.76kN.m M2=12.32-0.24-0.89=11.19kN.m M3=-0.24+0.33=0.09kN.m楼层：M1=-49.39+2.25=47.14kN.m M2=49.39-1.2113.87=34.31kN.m M3=-1.21+1.62=0.41kN.m（6）弯矩分配如下： 上柱下柱右梁左梁 上柱下柱右梁左梁下柱上柱0.6340.3660.1520.2630.5850.6900.310-11.76-12.3212.3211.19-0.240.240.097.464.30-1.70-2.94-6.55-0.06-0.039.15-0.852.15-3.57-0.03-3.28-0.05-5.26-3.040.220.380.852.301.0311.35-11.9112.99-6.13-6.27-0.800.95上柱下柱右梁左梁 上柱下柱右梁左梁下柱上柱0.3880.3880.2240.1200.2080.2080.4630.5260.2370.237-47.14-49.3949.3934.31-1.211.210.4118.2918.2910.56-4.12-7.14-7.14-15.89-0.22-0.10-0.103.739.15-2.065.28-1.47-3.57-0.11-7.95-0.05-0.02-4.20-4.20-2.42-0.02-0.03-0.03-0.054.141.871.8717.8223.24-43.3150.53-8.64-10.74-17.26-2.82 1.721.75上柱下柱右梁左梁 上柱下柱右梁左梁下柱上柱0.3880.3880.2240.1200.2080.2080.4630.5260.2370.237-47.14-49.3949.3934.31-