常德市工艺美术学校2#学生公寓楼设计

湖南文理学陇芙蓉老防

本科生毕业论文（设计）

题目常德市工艺美术学校2#学生公寓楼设计

学生姓名_______________________

学号________________________

专业班级_______________________

指导老师________________________

2010年3月12日

目录

第二章结构布置及结构计算简图的确定...................................................................................3

第三章荷...................................................................................................4

3.1恒载计算.......................................................................................................4

3.4水平地震作用计算（底部剪力法）................................................................................9

第四章水平作用下的侧移验算............................................................................................11

4.2风荷载作用下的水平侧移验算...................................................................................12

第五章内力"算…........二..........................................................................................14

5.1恒载作用下的内力计算..........................................................................................14

5•2”4彳“J4：攵彳1"JIJI口、Jl'、J1JvI2

5.4J又I彳可4戈"JIJ1口9l^j3JvI38

第六章内力"合''44

内力组合表：...........................................................................................................44

第七章梁柱截面设计....................................................................................................48

71框架梁48

73嫌除？二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二;;

第九[晶2计H…..…二…:二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二…..…64

9.1梯段板计算....................................................................................................64

9.2I-mvI...........................................................................................................................................................................65

93楼梯平台梁计算66

第十章基础设计67

10.2夕卜右/虫、土基石I；的，计算............................................................................................67

1]6资源配置72

外文文献翻译85

致谢语89

参考文献90

第一章工程概况

1）工程名称：常德市工艺美术学校2#学生公寓楼设计

2）工程介绍：为一跨走廊外挑式建筑，平面布置为槽形，层数为六层，各层层高均为3.3m,室

内外高差为0.45m,基础顶面距室外地面为1.0m,承重结构体系拟采用现浇钢筋混凝土框架结构。

3）工程地质条件：根据对建筑基地的勘察结果，建筑场地类别为II类，地基承载力特征值

/^=300kpao抗震设防烈度为7度，抗震等级为三级，设计基本地震加速度值为0.15g。

4）基本风压：0.40kN/m2,地面粗糙程度为C类。基本雪压：0.5kN/m?。

5）材料选用及主要建筑做法：

混凝土：采用C30

钢筋：梁和柱中受力钢筋均采用HRB335级，其他钢筋采用HPB235级；板中的钢筋均采用HPB235

级，基础板的钢筋均采用HRB335级。

屋面做法：中南标-屋14（II级防水），总厚度193mm,重度7=2.18kN/n?。

楼面做法：中南标-楼6水磨石楼面，总厚度30mm,重度7=0.65kN/n?。

墙身做法：外墙采用250厚水泥空心砖砌筑，重度F=9.6kN/m3；内墙采用190厚混凝土小型空

心砌块砌筑,重度7=5.0kN/n?。

窗:塑钢窗，7=0.45kN/17?。

门：木门，7=0.20kN/rr?。

第二章结构布置及结构计算简图的确定

结构平面布置图如图所示，各层梁、柱、板的混凝土强度等级为2

2-1C30(fc=14.3kN/m,ft=1.43

kN/m2)o

2.1梁截面初选

框架梁截面高度可按h=(1/18〜1/10)L确定，L为梁的计算跨度，梁的截面宽度可取b=(1/3〜

1/2)h,且不宜小于200mm,梁截面的高宽比不宜大于4。

为标记方便，记建筑施工图中的G轴为A,J轴为B,M轴为C。

BC跨：h=(1/18〜1/10)L=(1/18〜1/10)x6900=383〜690mm取力=650mm

b=(1/3~1/2)h=(1/3~1/2)x650=216~325mm取b=250mm

取bxh=250mmx650mm

AB跨：取bxh=250mmx450mm

纵向框架梁、外挑梁、L轴纵向梁当多次梁：取bx/7=250mmx450mm

图2-1结构平面布置图

2.2柱截面初选

在地震区，通过限制框架柱的轴压比来保证框架结构满足延性要求，因而框架柱截面尺寸可按柱

的轴压比近似估算，本设计设防裂度为7度，建筑物高度力＜35m,由抗震规范可知，抗震等级为三级，

按轴压比限值取0.9进行截面设计，折算在单位建筑面积上的重力荷载代表值取14kN/rr?。由结构平

面布置图知，外廊处柱负载面积为(3.45+1.05)x3.9=17.55n?。则竖向荷载产生的轴力估计值

2

Nv=/3FgEn=1.25x14x17.55x6=1842.75kN/m

水平荷载下轴力增大系数按L1估计，即

N=l.lNy=l.lx=2027.03kN/m2

N,

332

Ar=-----=2O27,O3xlO/0.9xl4.3=157500.39mm

"Nfc

选柱截面为：bxh=500mmx500mm

2.3结构计算简图

结构计算简图如图2-2所示，各梁、柱构件线刚度计算后标示于图2-2中，其中在求梁截面惯性矩时

考虑到现浇板的作用，取/=2/。(/。为不考虑楼板翼缘作用的梁截面惯性矩)，取第⑧轴上的框架进

行设计。

BC跨梁：/=2Fx(l/12)X0.25X0.653/6.9=16.58X104E(m3)

纵向框架梁：/=2Ex(l/12)X0.25X0.453/3.9=9.74X10-4E(m3)

上部各层柱：i=EX(1/12)X0.50X0.503/3.3=15.78X104E(m3)

底层柱：i=EX(1/12)X0.50X0.503/4.75=10.96X10-4E(m3)

1658904

1578

1658904

1578

1658904

1578

1658904

1090090

注：图中数字为线刚度。单位:xlO4E(m3)

图2-2结构计算图

第三章荷载计算

3.1恒载计算

3.1.1屋面框架梁线荷载标准值

1)屋面恒荷载标准值计算

1刷浅色丙烯酸涂料二遍

3厚(二布八涂)氯丁沥青防水涂料

20厚1:2.5水泥砂浆找平层

20厚（最薄处）1:8水泥加气混凝土碎渣找2%坡

干铺150厚加气混凝土砌块2.18kN/m2

100厚钢筋混凝土屋面板0.10x25=2.50kN/m2

15mm厚低筋石灰抹底0.015x16=0.24kN/n?

屋面恒荷载汇总4.92kN/m2

2）框架梁及粉刷自重

BC跨自重0.25x0.65x25=4.06kN/m

侧粉刷2x0.65x0.02x17=0.44kN/m

AB跨自重0.25x0.45x25=2.81kN/m

侧粉刷2x0.45x0.02x17=0.31kN/m

3）BC跨线荷载标准值

G6BC1（自重，均布）4.50kN/m

G8BC2=g6BC2（恒载传来，梯形）4.92x3.9=19.19kN/m

4）AB跨线荷载标准值

G6ABi（自重，均布）3.12kN/m

G6AB2（恒载传来，三角形）3.12x2.1=6.55kN/m

3.1.2楼面框架梁线荷载标准值

1）楼面恒荷载标准值

12厚1:2水泥石子磨光

素水泥浆结合层一遍

18厚1:3水泥砂浆找平层

素水泥浆结合层一遍0.65kN/m2

100厚钢筋混凝土楼板0.10x25=3.50kN/m2

15mm厚低筋石灰抹底0.015x16=0.24kN/n?

楼面恒荷载汇总4.39kN/m2

2）框架梁自重及粉刷（均布）

BC边跨4.50kN/m

AB跨3.12kN/m

3）楼面边跨框架梁上线荷载标准值

GBCI（自重，均布）4.50kN/m

GBC2（恒载传来,梯形）4.39x3.9=17.12kN/m

4）AB跨框架梁上线荷载标准值

GABI（自重,均布）3.12kN/m

GAB2（恒载传来，三角形）4.39x2.1=9.22kN/m

3.1.3屋面框架节点集中荷载标准值

1）次梁计算

次梁自重0.25x0.45x3.9x25=10.97kN

次梁粉刷2x0.45x0.02x3.9x17=1.19kN

屋面传给次梁的自重(0.9+3.9xl.95)x4.92=41.84kN

2）顶层边节点集中荷载

C-边柱纵向框架梁自重0.25x0.45x25x3.9=10.97kN

C-柱纵向框架梁粉刷2x0.45x0.02x3.9x17=1.19kN

1200mm高女儿墙自重1.2x0.25x9.6x3.9=11.23kN

1200mm女儿墙内粉刷1.2x0.02x12x3.9=1.12kN

纵向框架梁传来屋面自重1.95x3.9x0.5x2x4.92=37.42kN

顶层边节点集中荷载汇总

G6C=61.93kN

3）顶层B-柱节点集中荷载

B-柱纵向框架梁自重0.25x0.45x25x3.9=10.97kN

B-柱纵向框架梁粉刷(2x0.45x0.02x3.9x17=1.19kN

纵向框架梁传来屋面自重1.95x3.9x0,5x2x4.92=37.42kN

1200mm高女儿墙自重1.2x0.25x9,6x3,9=11.23kN

1200mm女儿墙内粉刷1.2x0.02x12x3.9=1.12kN

次梁传来的自重及屋面自重4.92x1.05x3.9=22.07kN

汇总

G6B=84.00kN

3.1.4楼面框架节点集中荷载

1）次梁计算

次梁自重及粉刷12.16kN

楼面传给次梁的自重(0.9+3.9xl.95)x4.39=37.30kN

2）中间层C-柱节点集中荷载

C-柱纵向框架梁自重10.97kN

C-柱纵向框架梁粉刷1.19kN

塑钢窗自重2x2.0x1,8x0.45=3.24kN

窗下墙体自重0.8x0.25x9.6x(3.9-0.5)=6.53kN

窗下墙体内粉刷0.8x3,4x0.02x17x2=1.85kN

窗边墙体自重0.25x(1.6x2.85-1.2x0.9)x9.6=8.53kN

窗边墙体粉刷2x(1.6x2.85-1.2x0.9)x0.02x17=2.37kN

框架柱自重0.5x0,5x25x3.3=20.63kN

框架柱粉刷(0.5x4-0,25x2)x0.02x(3.3-0.6)xl7=1.38kN

纵向框架梁传来楼面自重1.95x3.9x0.5x2x4.39=33.39kN

汇总Gc=90,08kN

3）中间层B-柱节点集中荷载

B-柱纵向框架梁自重10.97kN

B-柱纵向框架梁粉刷1.19kN

框架柱自重20.63kN

塑钢窗自重2x2.0x1,8x0.45=3.24kN

窗下墙体自重0.8x0.25x9,6x(3.9-0.5)=6.53kN

窗下墙体内粉刷0.8x3,4x0.02x17x2=1.85kN

窗边墙体自重0.25x(1.6x2.85-1.2x0.9)x9.6=8.53kN

窗边墙体粉刷2x(1.6x2.85-1.2x0.9)x0.02x17=2.37kN

框架柱粉刷1.38kN

纵向框架梁传来楼面自重33.39kN

次梁传来的自重及楼面自重4.39x1.05x3.9=17.97kN

汇总GB=108.05kN

3.1.5恒荷载作用下的计算简图如图3-1所示

图3-1恒荷载作用下结构计算简图图3-2活荷载作用下结构计算简图

3.2活荷载计算

活荷载作用下的结构计算简图如图3-2所示

P6BC=2.0X3.9=7.8kN/m

P6C=2.0x0,5x(6.9x3.9)=26.91kN/m

P6B=26.91+2.0X1.05X3.9=35.10kN/m

P6AB=2.0x2.1=4.2kN/m

PBC=20x3.9=7.8kN/m

PAB=2.0X2.1=4.2kN/m

Pc=2.0x0.5x(6.9x3.9)=26.91kN/m

PB=26.91+2.0X1.05X3.9=35.10kN/m

3.3风荷载计算

风荷载标准值计算公式为

Wk

式中：片为风震系数；为风荷载体型系数；4为风压高度变化系数；4为基本风压。

1)确定各系数的值

按地面粗糙类型为C类，因结构高度H=21.00<30m,高宽比，/8=21.00/31.20=0.67<1..5,可取

A=l.0o因为H/8<4且为矩形平面建筑，所以取4根据各楼层标高处的高度查表用线性差

值法求得。

2)计算各楼层标高处的风荷载q伺

本设计基本风压为0.40kN/rr?,取图1中的⑧轴横向框架梁，其负荷宽度b为3.9m,由

q(z)=bwk=b/3.^sfd.a)Q得沿房屋高度得分布风荷载标准值

q⑵=3.9x0.40二氏2二1.56是〃火

根据各楼层标高处的高度4,查得从代入上式，可得各楼层标高处的q(Z)见表3-1,其中a(z)为

迎风面值，%(Z)为背风面值。

3)将分布荷载转化为节点集中荷载，

Fi=wkhihl；注：hi,hj为节点所代表的风荷载宽与高。

具体计算过程如下表

H=22.05m<30m且H/B=22.05/17.6=1.25<1,5取0z=l.O

表3.1风荷载标准值计算表

离地高度UZ3sUSWoITh：Fi

20.250.841.01.30.43.93.35.62

16.950.761.01.30.43.93.35.09

13.650.741.01.30.43.93.34.95

10.350.741.01.30.43.93.34.95

7.050.741.01.30.43.93.34.95

3.750.741.01.30.43.93.85.63

562———195389—

409———186390-

495186390—►•

495——186390—

495—►—_186390_

563—►—186390—

图3-3等效节点集中荷载（单位：kN）图3-4等效节点集中荷载（单位：kN）

3.4水平地震作用计算(底部剪力法)

3.4.1各楼层重力荷载代表值

1)顶层

屋面自重：4.92x(6.9+2.1)x(39x6+0.5)=1058.30kN

梁自重：3.9x6x4x0.25x0.45x25+6.9x0.25x0.65x25x7+0.21x2x0.25x0.45x25=460.65kN

女儿墙自重：3.9x12xl.2x0.25x9,6=134.78kN

柱自重：0.5x0,5x3.3x25x14=288.75kN

墙体自重：23.9x12+5x3.3x0.25x6=311.55kN

50%的雪荷载：0.4x3.9x12x9x50%=84.2kN

汇总G5=1953.89kN

2)中间层

2.0x3.9xl2x9xl.5+14x0.5xQ.5x3.3x25+311.55=1863.90kN

汇总G4=G3=G2=GI=1863.90kN

根据《抗震规范》在设防裂度为7度时，地震系数k=0.15g,根据场地类别为II类。设计地震分组

为第一组，则查出特征周期Tg=0.35s,用公式乙=0.25+0.35x10*2/近得30.299s

根据抗震规范7>0.299s<1.4Tg=0.49s时，顶层附加地震作用系数=0

因为由>以根据地震影响系数曲线，则地震影响系数&=

建筑结构的阻尼比J应取0.05,则7=0.9,%=1.0,«网根据为7度的多遇地震查得6丽=°22,

所以a=1.0x0.08=0.08

结构的总水平地震作用标准值

G3=0.85G£FEk=aGeq

GE=5+62+63+64+65=1953.89+4x1863.90=9409.49kN

i=\

G「0.85G£=0.85X9409.49=7998.07kN

Fa=aG,g=0.08x7998.07kN=639.85kN

质点i的水平地震作用标准值Fi按公式F,前）计算

=1953.89x20.25+1863.90x16.95+1863.90x13.65+1863.90x10.35

+1863.90x7.05+1863.90x3.75=136023.0kN

F1=1863.90x3.75x639.85/136023.0=32.88kN

F2=1863.90X7.05X639.85/136023.0=61.81kN

F=1863.90xl0.35x639.85/136023.0=90.74kN

F4=1863.90xl3.65x639.85/136023.0=119.68kN

F5=1863.90xl6.95x639.85/136023.0=148.61kN

F4=1953.89X20.25X639.85/136023.0=186.12kN

等效节点集中地震作用如图3-4所示。

第四章水平作用下的侧移验算

4.1计算方法的确定

框架侧移刚度按求D值的方法计算，在计算梁的线刚度小时，考虑到楼板对框架截面惯性矩的影

响，中框架梁取"=21°，边框架梁取"=1.510，因此中框架梁的线刚度和柱的线刚度可采用前面结果，

边框架梁的线刚度为中框架梁的线刚度的1.5/2=0.75倍，所有梁柱的线刚度见表4-1o

表4-1梁柱的线刚度表（104E-m3）

边框架梁中框架梁挑梁柱

层次

k,1B匕L1Aic

612.4416.585.7515.78

2-512.4416.585.7515.78

112.4416.585.7510.96

柱的侧移刚度按公式：

£）=—=1^1--=ac=a（,D0

8/厂（（p）h

节点转动影响系数a,根据柱的位置及梁柱线刚度比确定

第一层根据公式：

ic2+K

第2〜5层根据公式：KJM+J

2（.c2+K

顶层根据公式：长=①丛也,4=—^

c

2ic1.5+K

根据计算所得只见表4-2、表4-3。

表4-2中框架柱侧移刚度D值（lO,E-m）

B柱C柱

层数

K64K%

62.100.58310.1371.4150.4858.43492.85

2-52.100.5128.9041.4150.4147.20080.53

11.510.5735.3592.0370.6285.87456.18

表4-3边框架柱侧移刚度D值（lCfE-m）

B柱C柱

层数ED,

K44K《%

51.580.5138.9211.1530.5249.11236.066

2〜41.580.4417.6691.1530.3666.36528.068

11.140.4904.5831.6600.5254.91218.99

将上述不同层框架侧移刚度相加，即得框架各层层间侧移刚度Z。,，并考虑将单位lO4E-m换算

为标准单位N/mm,这里C30混凝土的弹性模量E=3.0xl04N/mm2o可得104E-m=3.0xl03N/mm,换算

结果见表4-4所示。

表4-4不同层框架侧移刚度

层数12-56

75.17108.60128.92

ZR(N/m)225510325800386760

4.2风荷载作用下的水平侧移验算

根据上图5所示的水平荷载，由公式匕=Z&=2%计算层间剪力Vi,然后根据刚度D值法求出

轴线框架的层间侧移刚度，再按式(△〃),=焉=和式也=分别计算出各层的相对侧移和

绝对侧移，计算过程见表4-5所示。由表可见，风荷载作用下框架的最大层间侧移角满足规范要求。

表4-5风荷载作用下框架层间剪力及侧移计算

层次Fi(kN)Vi(kN)hi(m)£Dij(N/mm)△ui(mm)△ui/hi

65.625.623.33867600.0154.4E-06

55.0910.713.33258000.0339.96E-06

44.9515.663.33258000.0481.46E-05

34.9520.613.33258000.0631.92E-05

24.9525.563.33258000.0782.38E-05

15.6331.193.82255100.1383.69E-05

表4-6地震作用下框架层间剪力及侧移计算

层次Fi(kN)Vi(kN)hi(m)SDij(N/mm)△ui(mm)△ui/hi

632.8832.883.33867600.0852.58E-05

561.8194.693.33258000.2918.81E-05

490.74185.433.33258000.5690.000172

3119.68305.113.33258000.9360.000284

2148.12453.233.33258001.3910.000422

1186.12639.353.82255102.8350.000756

4.3地震作用下水平侧移验算

根据上图6所示的水平荷载，由公式匕=工6计算层间剪力％,然后根据刚度D值法求出轴线框

架的层间侧移刚度，再按式（A〃）,=击=］和式分别计算出各层的相对侧移和绝对侧

移，计算过程见表4-6所示。由表可见，地震作用下框架的水平最大层间侧移角满足规范要求。

第五章内力计算

5.1恒载作用下的内力计算

5.1.1计算方法的选用

本设计恒荷载作用下的内力计算采用分层法。由图2-2中取出顶层，中间层任一层，以及底层进

行分析。顶层的结构计算见图如图5-l(a)所示，中间层和底层的计算简图如图5-1©所示，图5-1中，

除底层的所有线刚度取框架柱实际线刚度的0.9倍。在计算AB跨时，将其作为悬臂梁单独计算，在

荷载作用下不考虑弯矩的分配。

5.1.2等效均布荷载的计算

图5-l(a)、(c)中梁上分布荷载由矩形和梯形两部分组成，在求固端弯矩时可根据固段弯矩相等的

原则，先将梯形分布荷载或三角形分布荷载化为等效均布荷载(图5；(b)、(d)所示)。等效均布荷载

计算公式如图5-2所示。

梯形或三角形荷载化为等效均布荷载：

顶层：

2323

g6BC=gBci+(l-2a+a)gBC2=4.50+[l-2x(1.95/6.9)+(1.95/6.9)]xl9.19=21.06kN/m

g6AB=g6ABi+5/8gAS2=3.12+6.55x5/8=7.21kN/m

中间层：

2323

gBc=gBci+(l-2a+a)gBc2=4.50+[l-2x(1.95/6.9)+(1.95/6.9)]xl7.12=19.27kN/m

gAB=gABi+5/8gAB2=3.12+9.22x5/8=8.88kN/m

底层：

gBC=19.27kN/m

gAB=8.88kN/m

5.1.3用弯矩分配法计算梁、柱端弯矩

图5；(b)所示结构内力可采用弯矩分配法计算。注意除底层外，柱的线刚度需要乘以修正系数0.9,

并且除底层外其他各层柱的弯矩传递系数均取1/3,底层取1/2。修正后的梁、柱线刚度见表5-lo表

5-1梁柱线刚度表(104E-m3)

梁柱

层次

lBClAB%

2〜616.585.7514.20

116.585.7510.96

Q6BCg6AB

川MWWHI川En”n

g6B（：Tg6AB

..........................................

图5-1分层法计算单元简图

图5-2荷载的等效

各层结点的分配系数和固端弯矩的计算结果见表5-2,结点的分配系数计算公式如下:

顶层C结点分配系数：〃上柱=0

4鼠柱4x14.20

叫柱0.461

4，卜柱+4Z'BC4X14.20+4X16.58

4x16.58

0.539

柱+4%4X14.20+4X16.58

顶层B结点分配系数：〃上柱=0

4,•下柱4x14.20

M下柱0.461

明柱+4晨4x14.20+4x16.58

4z„r

NBC0.539

4/Ktt+4zfiC

中间层C结点分配系数:

14.20

〃上柱0.316

4’।朴//，+4支814.20+14.20+16.58

“T柱=0.316NCB0.368

中间层B结点分配系数:

4L：柱4x14.20

4上柱==0.316

4,i柱南曲+4晨4x14.20+4x14.20+4x16.58

〃卜柱=0.316RBC=0368

底层C结点分配系数:

262

〃卜柱=4八柱力田+%=4X10.96+4X；4.20+4X16.58=°-

劭柱=0.262

_______4_心OV_________________4_x_1__6_.5_8__________

4i下村办4i~+4〉―4x10.96+4x14.20+4x16.58

rw：1.4±

底层B结点分配系数：〃上柱=0.262

4八柱4x10.96

=------------------------=----------------------------------------=0.262

卜月曲

4/r社上任4i+o4CLr4x10.96+4x14.20+4x16.58

%c_________4x16.58_________

NBC=0.476

4i]■柱蝇i+4%c4x10.96+4x14.20+4x16.58

顶层固端弯矩计算:

McB=l/12xg5羲2=1/12X21.06X6.92=83.56kN-m

BA22

M=l/2xg64,=l/2x7.21x2.1=15.90kN-m

中间层及底层固端弯矩计算：

McB=l/12xg3必2=1/12X19.27X6.92=76.46kN-m

MBA=l/2xg6中42=l/2x8.88x2.12=19.58kN-m

表5-2分层法分配系数及恒荷载作用下固段弯矩计算结果(kN-m)

CBA

结点层次

CF柱C上柱CB端BC端B卜柱B上柱BA端AB端

60.416・・・0.390.390.416・・・0・・・

分配