五层框架公寓楼结构设计计算书

本科毕业论文设计

题.目：—

专业名称：______________

学生姓名：______________

学生学号：______________

指导教师：____________

毕业时间：

西安交通大学学生公寓楼设计

摘要：本工程为西安交通大学学生公寓楼，位于西安市。本工程总建筑面

积约8()0001，本建筑主体结构5层，总高度18.60m,室内外高差为0.45m。

建筑总长度为87.1m,总宽度为17.4m。建筑立面规整，除正门为玻璃门外，

其余均采用实木门，窗为铝合金窗。本工程结构形式为钢筋混凝土现浇结构，

底层框架梁柱混凝土强度等级为C35,柱截面尺寸为700mniX700mm,梁截面

尺寸为350mmX6()()mm。建筑地点地质条件良好，经济符合要求。设计严格遵

守我国现行规范，计算中包括荷载计算，内力组合等。

关键词：建筑设计；结构计算；结构布置；内力计算；配筋计算

ThedesignofXi'anJiaotongUniversitythemain

teachingbuilding

Abstract:ThisworksfortheXi'anJiaotongUniversity,themainleaching

building,locatedinXi'an.Thetotalconstructionareaof8000squaremeters.The

mainstructureofthe5-storeybuilding,withatotalheightof18.60meters,indoor

andoutdoorreliefforthe0.75meters.Buildingatotallengthof87.1meters,with

atotalwidthof17.4meters.Structuredbuildingfacade,withtheexceptionofthe

mainentrancetotheglassdoor,andtherestaresolidwooddoors,windowsfor

aluminumalloywindow.Theformoftheengineeringstructuresofreinforced

concretecast-in-placcstructure,theunderlyingframeworkofbeamsforconcrete

strengthgradeC35,columncross-sectiondimensionsof700mmx700mm,beam

sizeof35()mmx600mmcross-sectionsizeoftheothercolumnare600mm600

mm,beamsizeof300mm600mm.Goodgeologicalconditionsofconstruction

sites,inlinewiththerequirementsoftheeconomy.StrictlyabidebyChina's

currentdesignstandards,includingloadcalculations,theinternalforce

composition.

Keywords:architecturaldesign;structurecalculation;structuralarrangement;

internalforcecalculation;reinforcementcalculated

目录

1工程概况...............................................................1

1.1设计原始资料.....................................................1

1.1.1气象条件...................................................1

1.1.2工程地质条件..............................................1

1.2建筑设计任务及要求.............................................2

1.2.1设计任务...................................................2

1.2.2设计要求...................................................2

1.2.3设计成果...................................................2

1.3结构设计任务及要求.............................................3

1.3.1设计任务...................................................3

1.3.2设计要求...................................................3

1.3.3设计成果...................................................3

2结构布置及计算简图...................................................4

3重力荷截计算..........................................................6

3.1屋面及楼面的永久荷载标准值....................................6

3.2屋面及楼面可变荷载标准值......................................7

3.3梁、柱重力荷载计算.............................................7

3.4重力荷载代表值..................................................8

4框架侧移刚度计算......................................................9

4.1横向框架侧移刚度计算...........................................9

4.2纵向框架侧移刚度计算..........................................11

5横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算........................13

5.1横向水平地震作用下框架结构的内力和侧移计算.................13

5.1.1横向自振周期计算.........................................13

5.1.2水平地震作用及楼层地震剪力计算.........................13

5.1.3水平地震作用下的位移验算................................15

5.1.4水平地震作用下框架内力计算..............................16

5.2横向风荷载作用下框架结构内力和侧移计算......................19

5.2.1风荷载标准值.............................................19

5.2.2风荷载作用下的位移验算..................................20

5.2.3风荷载作用下框架结构内力计算...........................21

6竖向荷载作用下框架结构内力的计算...................................23

6.1横向框架内力计算..............................................23

6.1.1计算单元..................................................23

6.1.2荷载计算..................................................24

6.1.3内力计算..................................................28

6.2横向框架内力组合..............................................33

6.2.1结构抗震等级.............................................33

6.2.2框架梁内力组合..........................................34

6.2.3框架柱内力组合...........................................36

7截面设计.............................................................46

7.1框架梁.........................................................46

7.1.1梁的正截面受弯承载力计算..............................46

7.1.2梁斜截面受剪承载力计算................................48

7.2框架柱.........................................................50

7.2.1柱截面尺寸验算...........................................50

722框架柱的截面设计.........................................52

参考文献...............................................................57

谢辞..................................................................58

1工程概况

(1)工程名称：西安交通大学学生公寓楼

(2)建设单位：西安交通大学

(3)建设场地：拟建建筑物为西安交通大学主教学楼，位于西安市雁塔区。

空内地坪标高±0.000相当于绝刈高程418.27m,场地平面见图1.1。

(4)建设规模：总建筑面积约8()0()Hf,主体结构5层，无地下室。

(5)本项目拟定开工日期：2009年12月30日，竣工日期：2010年5

月30日。

1.1设计原始资料

1.1.1自然条件

(1)建筑物类别：丙类

(2)建筑物所在场地类别为in类，土质均匀

(3)冰冻深度：・0.6m

(4)抗震设防烈度：7度，设计基本加速度为0.10g,属设计地震第一组

(5)防火等级：二级

(6)气温：年平均温度11.60C,最高39.60C,最低-21.40C

(7)风力：基本风压Wo=0.50KN/m2

(8)降雨量：年总降雨量541.5mm,日最大降雨量115.51mm,小时最大降

雨量75.()mm

(9)今本雪压：So=0.40kN/m2

1.1.2工程地质条件

(1)建筑场地地貌单元属渭河南缘III级阶地。场地平坦，自然地面标高

418.03m,场地土层分布有明显的规律性，从上至下依次为杂填土厚2.0〜3.5m；

黄土，中等压缩性，厚度较大；古土壤，中等压缩；粉质粘土，中等偏低压缩

性。建议彻底清除杂填土(不宜直接作天然地基)，黄土层建议地基承载力特

征值九=150kPao

(2)地下水稳定埋深8.5〜9.02m,属潜水类螫。地下水对混凝土结构不具

腐蚀性，但在干湿交替条件下对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性。

1.2建筑设计任务及要求

L2.1设计任务

满足建筑使用功能要求及防火规范要求，根据最新的建筑设计规范及所设

计建筑的用途和设计依据，遵循建筑设计适用、经济合理、技术先进、造型美

观的原则，确定建筑设计方案，绘制部分建筑施工图。包括：平、立面，内外

装修及楼、屋面设计。

1.2.2设计要求

（1）总平面设计：合理布置建筑主、次入口；解决好人流、不流关系；尽

可能考虑室外停车；满足建筑物防火间距及消防通道要求。

（2）平面设计：合理确定平面柱网尺寸；右置房间；确定楼（电）梯数量、

位置及形式；满足室内采光、通风要求。

（3）剖面设计：确定合理层高；给出楼（地）面、屋面、墙身工程做法。

（4）立面设计：建筑风格、造型应富rr创意，有时代感。

1.2.3设计成果

（1）总平面图1：500或1：1000

1）绘出建筑在场地中的位置，以及和周边环境的关系：

2）确定建筑出入口位置；

3）绘出场地中的道路、绿化和停车场的布置形式；

（2）底层平面图1：200

1）标出二道尺寸线；

2）确定门厅、走廊等的面积和布置形式；

3）绘出门、窗的位置，大小及门的开启方向；

4）确定厕所，盥洗室的位置及内部设施的布置形式等；

5）确定楼梯间的位置，画出踏步、示出上下关系及平台的标高，各层

的标高等；

(3)其它各层平面图1：100-200o

(4)立面图：正立面1：100

1)绘出门、窗形式及布置；

2)绘出踏步、大门入口、雨棚及装饰处理；

3)局部表示材料做法。

(5)剖面图1：100(要求剖到楼梯、门厅)。

1)正确绘出剖到的墙体，梁板等结构的断面形式；

2)标出主要部位标高。

1.3结构设计任务及要求

1.3.1设计任务

在建筑方案的设计上，正确选择合理的结构形式，结构体系和结构布置，

掌握高层建筑结构的计算方法和基本构造要求，绘制部分施工详图。

1.3.2设计要求

(1)结构选型：根据地质、气象、使用要求等原始资料本着使用方便、结

构合理、便于施工、造价低廉的原则，经过分析比较确定结构的方案。包括结

构选型，结构体系的选择。本次毕业设计要求采用框架结构体系。

(2)结构布置：合理布置结构构件，初步确定材料强度等级及构件截面尺

寸等。

(3)结构内力分析及构件设计：根据现行国家设计规范，计算结构荷载及

地震作用；手算完成结构一个主轴方向的内力分析，进行框架梁、柱的内力组

合，完成构件截面设计、框架的内力及位移计算、框架的配筋计算。

(4)绘制结构施工图：设计图纸应符合国家有关制图标准，正确体现设计

意图；图面整洁，布置匀称，尺寸标注齐全，字体端正，线型规范。

1.3.3设计成果

(1)底层及标准层结构平面布置图。

(2)一根框架结构配筋图。

(3)结构设计计算书。

2结构布置及计算简图

根据该房屋的使用功能及建筑设计的要求(见设计任务书)进行了建筑立

面、平面、及剖面设计，主体结构共5层(详见建筑图纸)层高均为3.6m。

填充墙采用240厚的粘土空心砖砌筑，隔断采用120厚的粘土空心砖砌筑,

门为木门，门洞尺寸为1.0mX2.4m,窗为铝合金窗洞口尺寸2.1m义1.如。

楼盖及屋盖均来用现浇碎结构，楼极厚度取100mm,梁截面高度按梁跨

度的1/12〜1/8,估算，由此估算的梁截面尺寸见下表2-1,同时给出了各层梁

柱和板的碎强度等级，其设计强度：

C35(X=16.7N/〃wJ,£=\.57N/f?vn2)

1

C30(/；,=14.3N/mm\ft=1.43N/mm)

结构平面布置图见下图2.1：

表2.1梁截面尺寸(mm)及各层位强度等级

层次伦强度等级横梁(bXh)纵梁次梁

AB、CD跨BC跨(bXh)(bXh)

2-5C30300X600300X400300X650300X600

1C35350X600350X400300X650300X600

图2.1结构平面布置图

柱截面尺寸的估算。由抗震设防裂度7度查表可知抗震等级为三级。知

其轴压比限值［4/=().7,各层的重力荷载代表值近似取12ZN/〃/，由图2-1可

N

知边柱和中柱的负载面积分别为6.6X3.6m2和6.6X4.8n?。由式4;>---------得第

—左

一层柱截面面积为：

,由士十a、1.3x6.6x3.6x12x10'x5)

边柱：A.>---------------------------------=158536nurr

c0.7x16.7

巾处.J.25x6.6x4.8xl2xl()'x5

中杜：A.2-----------------------------------=203251mm2

'0.7x16.7

其中"=用为丁〃

如取柱截面为正方形，则边柱和中柱截面高度分别为373mm和435〃"〃c

根据上述结果并综合考虑其它因素，本设计柱截面尺寸取值如下:

1层：700mmX700mm

2〜5层:600mX600mm

基础选用肋梁式筏板基础，基础埋深取2.0m,肋梁高取1.2m(从而可以得出

第一层计算高度)。

框架结构计算简图如下图2.2,取顶层柱的形心线作为框架柱的轴线，梁轴

线取至极底.2~5层柱高即为层高，取3.6m,底层柱高度从基础顶面取至一层板

底，即九=3.6+0.75+2.()—1.2—0.1=5.05〃2。

©©©@

图2.2横向框架计算简图

3重力荷截计算

3.1屋面及楼面的永久荷载标准值

屋面(不上人)：

30厚细石碎保护层：22x0.03=0.66^/w2

三毡四油防水层：0.4&N。/

20厚水泥砂浆找平层：20x0.02=0.42%/,/

150厚水泥蛭石保温层:5x0.15=0.75AN/〃P

100厚钢筋位板：25x0.1=2.5ZN//

合计:

4.1\kN/m2

1・4层楼面:

水磨石地面（100mm面层,20mm水泥砂浆打底）0.65kN/nr

100厚钢筋碎板：25x0.1=277/〃产

合计：3A5kN/m2

3.2屋面及楼面可变荷载标准值

不上人屋面均布活荷载标准值：OSkN/m?

2

楼面活荷载标准值：2.0kN/fn

屋面雪荷载标准值：Sk=/dr-so=O.AOkN/m1

（So=OMAN//,©取1.0为屋面积雪分布系数）

3.3梁、柱重力荷载计算

梁、柱可根据截面尺寸、材料容重及粉刷等计算出单位长度的重力荷载;

对墙、门、窗等可计算出单位面积上的重力荷载。计算结果见表3.1。

表3.1梁柱重力荷载标准值

层

EG%

构件%,%P%n%/kN

次

边横梁0.350.6251.055.5126.550301083.206

中横梁0.350.4251.053.6751.700593.713

3603.757

1次梁0.30.6251.054.7257.25025856.406

纵梁0.30.65251.055.1195.900521570.432

柱0.70.7251.1013.485.050604082.925

边横梁0.30.6251.054.7256.60030935.550

中横梁0.30.4251.053.1501.800585.550

2-53392.100

次梁0.30.6251.054.7257.20025850.500

纵梁0.30.65251.054.8756.000521521.000

柱0.60.6251.109.9003.600602138.400

墙体为240厚粘土空心砖，外墙面贴瓷砖.(0.5内V//)内墙面为20mm厚

抹灰，则外墙单位墙面重力荷载为：

0.5+15x0.24+17x0.02=4.44AN//

内墙为240厚粘土空心砖，两侧均为20mm厚抹灰，则内墙单位面积重力荷

载为：

15x0.24+17x0.02x2=4.28KV/m2

宿舍内隔断为12()厚粘土空心砖，两侧均为20mm厚抹灰，则内墙单位面

积重力荷载为：

15x0.12+17x0.02x2=2.4弘N/苏

木门单位面积重力荷载为0.2ZN/〃/,铝合金窗单位面积重力荷载取

OAkN/m2

3.4重力荷载代表值

一层：

3603.757+4082.925+4.44x(3.6x85.8x2-22x2xl.8x2.l-2.7x5.4x2-

2.7x2.2)+0.4x44x1.8x2.1+(3.6x85.8x2—6.6x3.6x3—1x2.4x3.4)x4.28

+0.2x1x2.4x34+(16.8x3.6x2—2x1.5xl.8)x4.44+16.8x85.8x(3.15+2)

10513.4626+1786.69+7952.822+(3.06x3.6+1.04x3.6)x48x2.48=2221OkN

二层：

3392.1+2138.4+4.44x(3.6x85.8x2-48x1.8x2,l+3.6x16.8x2-1.5xl.8x

2)+(3.6x858x2-38x1x2.4)x4.28+(1.5x1.8x2+48x2.1x1.8)x0.4+38x1

x2.4x0.2+85.8x]6.8x5.15-6.6x3.6x2x4.28+(3.06x3.6+1.04x3.6)x48

x2.48=19304.56^

二、三、四层相等

五层：

19304.56-85.8x16.8x5.15+(0.125x85.8x16.8)+(3.06+1.04)x3.06x44x2.48

=19304.56-85.8x16.8x(5.15-0.125-4.71)+1369.02

=2021953AN

计算结果见图3.1.

G5=20219.53kN

G4=19304.56kN

G3=19304.56kN

G2=19304.56kN

Gl=22210.OOkN

图3.1各质点的重力荷载代表值

4框架侧移刚度计算

4.1横向框架侧移刚度计算

柱的侧移刚度D计算公式：D=Q些

其中巴为柱侧移刚度修正系数，k为梁柱线刚度比，不同情况下，％、K

取值不同。

对于一般层：

2ic2+K

-z,+G0.5+左

对于底层：K=-——-ac=------=-

2ic2+K

表4.1横向线刚度计算表

层EJbxh/EJJl!2E，

类别I/nun

次(N/nun2)nunxmmN•mm//N•nunl/Nnim

13.15XI04350X6006.300X1092.756XIO104.I34XIO105.5I2X1()10

边横梁7200

2-53.0X104350X6005.400X1092.25OX1O103.375XIO104.500X10'0

走道梁13.15X104350X4001.876X10924002.450XIO103.675XIO104.900XIO10

2-53.0X104350X4001.600X1092.000X1O103.000X1O104.000X1O10

表4.2柱线刚度法计算表

层次14

hc/mmEj(N/nun)bxh/intnxnunIJmmEJ/h/N•mm

15.0503.15XIO4700X7002.00XIO1012.75XIO10

2〜536003.0X104600X6001.O8X1O109.OOOXIO10

表4.3中柜架柱侧移刚度。值（N/mm）

边柱21根中柱21根

层次皿

KAK%

3-50.5000.200166670.9440.32126750911757

20.5560.218181671.0510.34428667983514

10.4320.383229780.7460.454272371054515

表4.4边框架柱侧移刚度D值（N/〃冲）

Al,A8,A9,A15Bl,B8,B9,BI5

层次

KAK%

3-50.3750.158131670.7080.26121750139668

20.4170.173144170.7880.28323583152000

10.3240.355212980.6120.42825678187904

C8D8

层次LD,

KacAKQ%

3-50.1580.158131670.7080.2612175034917

20.4170.173144170.7880.2832358338000

10.3240.355212980.6120.4282567846976

表4.5楼梯间框架侧移刚度（N/""77）

Di，D9,DIO,DI5Cl,C8,C15

层次工»

KD.K%%

3-50.2500.11192500.5830.2261883372499

20.2780.125104170.6490.24520417102919

10.2160.323193780.5040.40124058149686

层次CIOYD,

Kac%

3-50.8190.2912425024250

20.9120.3132608326083

10.7090.4462675726757

将上述不同情况下同层框架柱侧移刚度相加，即得框架各层层间测移刚度

见表4.6.

表4.6横向框架侧移刚度

层次12345

14658401302516118309111830911183091

由表4.6可见，=1.1257>0.7所为该框架为规则框架。

4.2纵向框架侧移刚度计算

纵向框架侧移刚度计算方法与横向框架相同。柱在纵向的侧移刚度除与柱

沿纵向的截面特征有关外，还与纵梁的线刚度有关。纵梁线刚度。的计算过程

见表4.7。在本设计中，纵横向线刚度相同，见表4.2。

表4.7纵梁线刚度。计算表

bxh/15EJJI/

EJ//mm4

类别层次0I/nvn

nvnxmmN•mmN•mmN•mm

13.I5XIO/300X6506.866XIO。3.277XIO104.196XIO10I.554XIO10

纵梁6600

2-43.0X104300X6506.866X10Q3.127XIO104.916XIO106.254XIO10

纵向框架亦可分为中框架中柱，边框架中柱和边柱等，其中侧移刚度值分

别见表4.8和表4.9,纵向框架各层层间侧移刚度值见表4.10。

表4.8纵向中框架（B、C歹IJ）边框柱侧移刚度D值

Bl,B8,B9,B15Cl,C8,C9,C15

层次ZDz

~Kac4Kac%

3-50.6940.258215000.5200.20617167154668

20.7110.262218330.5330.21017500157332

10.5140.403241780.3860.37122258185744

中柱19根C2C4

层次他

K为Kac%

3-51.3900.410341671.1250.37831500712173

21.4230.416346671.2450.3843200722673

11.0040.501300570.9000.48328977629037

表4.9纵向边框架（A、D歹IJ）边柱侧移刚度D值（N/〃〃〃）

层次AlA9A8A15D7DID9D15ZD.

Kac为K4

3-50.5200.206171670.3470.14812333122834

20.5330.210175000.4170.19115167132983

10.3860.371222580.2570.33520098171584

层次中柱19根D2D14皿

KacAKac

3-51.0400.342285000.8680.30325250592000

21.0660.348290000.8880.30725583602166

10.7710.461276570.6430.43225917577317

层次CIODIOs

KacAK4

3-51.2160.3783.500().8690.3032525056750

21.2450.384320000.8890.3072558357583

10.90.483289770.6430.4322591754894

注：CIO列栏为补充•A,C）列柱侧移值。

表4.10纵向框架层间侧移刚度（N/〃加7）

层次12345

2016185761672737163842516384251638425

由表4.10可见，97>0.7所以该框架为规则纵向框架。

5横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算

5.1横向水平地震作用下框架结构的内力和侧移计算

5.1.1横向自振周期计算

运用顶点位移法来计算，对于质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架结

构，基本自振周期可按下式来计算：

7；=1.7〃丁历

式中：勺为计算结构基本自振周期用的结构顶点假想位移，即假想把集

中在各层楼面处的重力荷载代表值G,作为水平荷载而算得的结构顶点位移；

作一结构基本自振周期考虑非承重砖墙影响的折减系数，取0.7；

表5.1结构顶点的假想移计算

层次

Gi/kN%"kNZDi/(N/mm)\ui/mmujnvn

520219.5320219.53.118309114.5203.1

419304.5634680.174118309129.3188.6

319304.56522275.232118309144.1159.3

219304.5669775.232130251653.6115.2

122210.U090228.202146584061.661.6

计算基本周期T”其中的的量纲为“，取%=0.7,则

7\=1.7x0.7x70.2034=0.545

5.1.2水平地震作用及楼层地震剪力计算

结构高度不超过40m,质量和刚度沿高度分布比较均匀，变形以剪切变形为

主，故可用底部剪力法计算水平地震作用。

首先计算总水平地震作用标准值即底部剪力。

式中，四一相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数;

G一结构等效总重力荷载，多质点取总重力荷载代表值的85%；

即:

G,y=0.85±G=0.85x(20219.53+19304.56x3+22210.00)

=0.85x100343.21

二8529L729AN

%=修「2篇『x(H6=0.108

Fek=4G«=0.108x85291.729=9211.52N

因为1.4x01.35<7；,所以应考虑顶部附加水平地震作用。

.=0.08x0.54+0.07=0.1132

\F2=0.1132X9211.5=1042.7ZN

各质点水平地震作用计算:将上述久和7.代入可得

5二7345.3x.也

>=I

具体计算过程见表5.2。

表5.2各质点横向水平地震作用及楼层地震剪力计算表

G附

层次HjmGjkNGN/kNmFjkNVjkN

ZG,Hj

519.4520219.53332849.020.3182262.42232.4

415.8519304.56278438.760.2571887.74150.1

312.2519304.56214957.230.1991461.75611.8

28.6519304.56151786.130.1401028.36640.1

15.0522210.00103287.500.096705.17345.3

各质点水平地震作用及楼层间地震剪力沿房屋高度的分布见下图5.1。

F-AFs

图5.1横向水平地震作用及楼层地震剪力

5.1.3水平地震作用下的位移验算

用。值法来验算

框架第i层的层间剪力、层间位移及结构顶点位移分别按下式来计算:

匕=£居

k=i

（△〃）产匕/'4

k=\

计算过程见下表5.3,表中计算了各层的层间弹性位移角仇…也。

表5.3横向水平地震作用下的位移验算

仇必

层次VjkN14Jiwnhjmm

'/?.

52262.411830911.9120.2736001M885

44150.111830913.5118.3636001M026

35611.811830914.7414.8536001\759

26640.113025165.1010.113600l\706

17345.314658405.015.0150501M008

由表5.3可知限大层间弹性位移角发生在第二层，其值1/706<1/550所以满

足要求[△“/〃]=1/550。

5.1.4水平地震作用下框架内力计算

以图2.4中③轴线横向框架内力计算为例，说明计算方法，其余框架内力

计算方法与该轴线相同。

框架柱端剪力及弯矩分别按下式计算，其中％取自表4.3,Z4取自表4.6,

层间剪力取自表5.2,各柱反弯点高度比y按下式确定。本设计中底层柱需考虑

修正值打，第二层柱需考虑修正值月和内，其余柱均无修正。具体计算过程及

结果见表5.40

将层间剪力分配到该层的各个柱子，即求出柱子的剪力，再由柱子的剪力

和反弯点高度来求柱上、下端的弯矩。

柱端剪力按下式来计算：

匕匕

之2/

J=i

柱上、下端弯矩.MJ、