咸阳市实验中学新校园教学楼设计土木工程本科毕业设计计算书.doc

本科毕业设计(论文)题目：市实验中学新校园-教学楼设计 （B方案）院 （系） 建筑工程学院 专 业 土 木 工 程 班 级 090712班 姓 名 学 号 090712322 导 师 翔 2013年6月105 / 114市实验中学新校园-教学楼设计（B方案）摘要毕业设计是我们专业课学习的最后一个综合实践性教学环节。本文主要介绍了市实验中学新校园教学楼设计过程，在设计中认真贯彻了“安全、适用、经济、美观”的设计原则，采用钢筋混凝土框架结构，经过合理分析和比较之后进行设计。本设计主要包括建筑设计和结构设计两部分。建筑设计包括：平面设计、立面设计、剖面设计。结构设计包括：结构选型，梁、柱等构件尺寸的确定，重力荷载计算，横向水平风荷载作用下框架结构的力和侧移计算，水平地震作用下横向框架力分析，竖向荷载作用下横向框架的力分析，力组合以与截面设计、楼板设计、楼梯设计和基础设计。其中,基础设计又包括基础选型、基础平面布置、地基承载力计算等。在设计的过程中我严格按照专业相关规与有关规定进行设计，设计过程中采用的计算方法均是参照有关规或图集和其他参考书籍。关键词：混凝土结构；框架结构；结构计算；力分析；截面设计The Design of xianyang Middle School Office BuildingAbstractThe design projection for graduation is the last practice teaching segment of study of our specialized courses. This paper describes the primary design process of Xianyang middle school office building.I implement the design principle of "safe, suitable, economic, and aesthetic" conscientiously during the design,adopt the frame construction of reinforced congcrete,and begin to design after rational analysis and comparison.This design mainly includes the architectural design and structural design. The architectural design includes the plane design, elevation design and section design while the structure design includes the style,the size of beams and pillars etc., the calculation of gravity load, the calculation of internal force and lateral displacement under the action of the horizontal wind load, the internal force analysis of the crosswise frame in the function of the horizontal earthquakes, the vertical load.And also includes the dint combine,section design,foundation design and stair design. Foundation design consists of type,layout, and calculation of foundation. During the whole design I follow the specifications strictly and do the calculation carefully referring to the specifications and atlas or other books.Key words ：concrete construction, frame structure,structural calculation,internal force analysis, section design,目 录中文摘要 .I英文摘要.II主要符号表.VI第一章 建筑设计说明11.1 工程概况11.2 设计原始资料11.2.1气象11.2.2 工程地质条件11.3 建筑平面设计21.4 建筑立面设计21.5 建筑剖面设计21.6 土建设计2第二章 结构设计说明42.1工程地质条件42.2 基础42.3 设计活载荷载标准值42.4 材料42.5 构造要求4第三章 结构设计计算书53.1 工程概况53.2 结构布置与计算简图53.3 重力荷载计算83.3.1 屋面与楼面的永久荷载标准值83.3.2屋面与楼面可变荷载标准值83.3.3 梁、柱重力荷载计算93.3.4 墙、门窗重力荷载计算93.3.5 重力荷载代表值93.4 框架侧移刚度计算103.5 横向水平荷载作用下框架结构的力和侧移计算133.5.1 横向水平地震作用下框架结构的力和侧移计算133.6 竖向荷载作用下框架结构的力计算183.6.1 横向框架力计算183.6.2 横向框架力组合28第四章 截面设计724.1梁截面设计724.1.1梁的正截面受弯承载力计算：724.1.2梁斜截面受剪承载力计算734.2柱截面设计744.2.1剪跨比和轴压比验算744.2.2柱正截面承载力计算754.2.3柱斜截面受剪承载力计算764.3框架梁、柱节点核芯区截面抗震验算77第五章 板的设计795.1设计资料795.2荷载计算795.3力计算805.4截面设计80第六章 楼梯设计826.1设计资料：826.2踏步板计算：826.3楼梯折板计算（150厚折板）836.4平台梁计算（200×400）836.5平台板计算84第七章 基础设计867.1设计资料：867.2独立基础：867.3条形基础87第八章 框架电算结果比较93总结94参 考 文 献95致97毕业设计知识产权声明98毕业设计独创性声明99附录100主 要 符 号 表SGk 永久荷载效应的标准值；SQk 可变荷载效应的标准值；G 永久荷载的分项系数；Q 可变荷载的分项系数；T 结构自振周期；fy、fy 普通钢筋的抗拉、抗压强度设计值；Vcs 构件斜截面上混凝土和箍筋的受剪承载力设计值；as、as' 纵向非预应力受拉钢筋合力点、纵向非预应力受压钢筋合力点至截面近边的距离；b 矩形截面宽度、T 形、I 形截面的腹板宽度；bf、bf' T形或I形截面受拉区、受压区的翼缘宽度；d 钢筋直径或圆形截面的直径；c 混凝土保护层厚度；e、e' 轴向力作用点至纵向受拉钢筋合力点、纵向受压钢筋合力点的距离；e0 轴向力对截面重心的偏心距；ea 附加偏心距；ei 初始偏心距；h 截面高度；h0 截面有效高度；hf、hf' T形或I形截面受拉区、受压区的翼缘高度；As、As' 受拉区、受压区纵向非预应力钢筋的截面面积；Acor 箍筋表面围的混凝土核心面积；1 受压区混凝土矩形应力图的应力值与混凝土轴心抗压强度设计值的比值； 偏心受压构件考虑二阶弯矩影响的轴向力偏心距增大系数； 计算截面的剪跨比； 纵向受力钢筋的配筋率；sv 竖向箍筋、水平箍筋或竖向分布钢筋、水平分布钢筋的配筋率；v 间接钢筋或箍筋的体积配筋率；FEk 结构总水平地震作用标准值；Geq 地震时结构（构件）的重力荷载代表值、等效总重力荷载代表值；max 水平地震影响系数最大值；RE 承载力抗震调整系数；.Mc 节点上下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和，上下柱端的弯矩设计值 可按弹性分析分配Mb 节点左右梁端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值第一章 建筑设计说明 1.1 工程概况设计题目：市实验中学新校园-教学楼设计（B）方案批准建筑面积：3654m2建筑层数：5层建筑高度：18.6m结构形式：现浇钢筋混凝土框架结构建筑物耐久年限：50年建筑防火：设计防火等级为二级，分类为二类建筑抗震：抗震等级为框架二级，地震设防烈度为8度，设计地震分组为第一组，设计基本加速度值0.20g1.2 设计原始资料1.2.1气象1.温度：夏季极端最高38；冬季极端最低-8 2.基本风压：0.35KN/m23.基本雪压：0.2 KN/m21.2.2 工程地质条件自然地表下1米为填土，填土下层5米厚黄土状土，再下为3米厚砂质粘土，再下层为砾石层，地下水位为 -5.4米，建筑场地为 类场地土，地面粗糙度为B 类，各土层的地基承载力标准值如下：黄土壮土 fak = 100120 kN/m2砂质粘土 fak = 220270 kN/m21.3 建筑平面设计根据本建筑物的使用功能要求，确定采用三跨框架，边跨为7.2米，中跨3.0米，标准层房间进深为6.0米，开间3.6米，走道宽3.0米。在建筑物首层一周设有1米宽的散水。在每层设有三道双跑楼梯，一至五层平面布置基本一样，每层设六个大开间，都用作教室；每层设置一个个教师休息室，一个办公室，两个卫生间。1.4 建筑立面设计本建筑立面采用对称体型，建筑物各部协调统一，形式完整。正立面采用带型窗，类似于玻璃幕墙，采光极好；。一楼有大厅与接待室需采用大空间，为不让人产生压抑感，宜适当增大层高。本建筑确定层高设为3.6米，楼梯高度等于层高，屋面为不上人屋面，平屋顶的厚度为120mm，女儿墙高度设为600mm。建筑总高度18.6米。整个立面看起来规则整齐，简洁大方，简单的造型更显示了干练。总体上，本建筑立面造型符合建筑造型和构图方面的均衡、韵律、对比的规律，并满足适用、经济、美观的要求。1.5 建筑剖面设计室外高差为0.45米，可防止室外流水流入和墙身受潮。根据采光设计标准与结构布置要求，确定标准层房间窗高到框架梁底 ，主要窗宽为1.8米，高为2.1米。标准层走廊两端设置玻璃门以便连接阳台和空气流通。屋面排水采用有组织外排水方式，用外装塑料空心管作为落水管，屋面材料找坡2%。1.6 土建设计1墙体±0.000以上均采用M5混合砂浆砌筑，±0.000以下均采用水泥砂浆砌筑。2.门垛厚度一般为130mm。一般门窗均居中，门开时平，外开时居中。3.卫生间楼地面比同层相邻楼地面低20mm。4.楼屋面面层材料的选择与构造设计5.屋面：三毡四油防水层 20mm厚水泥砂浆找平150mm厚水泥蛭石保温层 120mm厚钢筋混凝土板 V形轻刚龙骨吊顶 6.楼面：瓷砖地面（在卫生间采用地砖防水楼面）100mm厚钢筋混凝土板V型轻刚龙骨吊顶第二章 结构设计说明2.1工程地质条件自然地表下1米为填土，填土下层5米厚黄土状土，再下为3米厚砂质粘土，再下层为砾石层，地下水位为 -5.4米，建筑场地为 类场地土，地面粗糙度为B 类，各土层的地基承载力标准值如下：黄土壮土 fak = 100120 kN/m2 砂质粘土 fak = 220270 kN/m2砾石层 fak = 300400 kN/m22.2 基础本工程采用柱下条形基础。2.3 设计活载荷载标准值不上人屋面：0.5楼面：22.4 材料混凝土：基础混凝土C20；垫层素混凝土选用C10；一层梁板柱混凝土C35以上各层梁板柱混凝土C30钢筋： 梁柱纵筋采用级钢筋，箍筋与基础底板钢筋采用级钢筋 2.5 构造要求构件主筋混凝土净保护层厚度基础40mm,梁柱35mm,板20mm第三章 结构设计计算书3.1 工程概况市实验中学教学楼设计，拟建五层，建筑面积约3800平方米，建筑耐久年限为50年，设计防火等级二级，分类为二类。查相关规得建筑物所在地（二类场地，分组第二组）的设计地震参数为max=0.08，Tg=0.40s，基本风压W0 =0.35kn/m2 ，基本雪压S0=0.2KN/m2, 夏季极端最高38，冬季最低-8。自然地表下1米为填土，填土下层5米厚黄土状土，再下为3米厚砂质粘土，再下层为砾石层，地下水位为-5.4米，建筑场地为类场地土,地面粗糙度为B类。各土层的地基承载力特征值如下：黄土状土 fak=100120 KN/m2，砂质粘土 fak=220270 KN/m2，砾石层 fak=300400 KN/m2。建筑抗震设防类别为丙类，结构安全等级为二类，抗震设防烈度为8度，设计基本加速度值为0.20g，设计地震分组为第二组，结构抗震等级为框架二级。3.2 结构布置与计算简图根据该房屋的使用功能与建筑设计的要求，进行了建筑平面、立面与剖面设计，标准层建筑平面、结构平面布置图分别见图3.1、图3.2。主体结构共5层，每层层高均为3.6米。填充墙采用240mm厚粘土空心砖，窗为铝合金窗，大多数门(M1)为木门,其他门（M2、M3）均为玻璃门。楼盖与屋盖均采用现浇钢筋混凝土结构，楼板厚度取100mm,屋面板厚度取120mm。主梁截面、次梁截面高度分别按其梁跨度的1/81/10和1/121/15估计取值，且不应小于400mm,也不大于梁截面净跨的1/4，框架梁宽度可取梁截面高度的1/31/2,且不小于250mm,同时应保证梁截面高宽比不大于4，估算梁截面尺寸和各层梁、柱和板的混凝土强度等级见表3.1。其设计强度：柱截面尺寸可根据柱的轴压比限值估算，其轴压比限值为0.8。表3.1 梁截面尺寸（mm）与各层混凝土强度等级层次混凝土强度等级截面尺寸（b×h）边横梁中横梁纵梁次梁1C35300×600300×600300×600250×50025C30300×600300×600300×600250×500本处各层的重力荷载代表值近似取14 KN/m2.由图2可知边柱和中柱的负载面积分别为6.0×3.6、6.0.0×5.1。由式AcN/fc得第一层柱截面面积为:边柱Ac1.3×6×3.6×14×103×5/0.8×16.7=147125mm2中柱Ac1.25×6×5.1×14×103×5/0.8×16.7=200411 mm2如柱截面取正方形，则边柱和中柱截面高度分别为383mm和447mm.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：第一层取600mm×600mm；25层500mm×500mm；基础选用条形基础，基础埋深取2米，垫层100mm，基础深度1.3米。 框架结构计算简图如图3.33.4所示。梁轴线取至板底，25层柱高即为层高，底层柱高取3.6+0.45+2.0-1.3-0.1=4.65m 。图3.2 建筑平面布置图图3.3 结构平面布置图3.4 横向框架计算简图3.3 重力荷载计算3.3.1 屋面与楼面的永久荷载标准值屋面（不上人）： 30mm厚细石混凝土保护层 24×0.030.72KN/ 三毡四油防水层 0.4 KN/m2 20mm厚水泥砂浆找平 20×0.02=0.4 KN/m2 150mm厚水泥蛭石保护层 5×0.150.75KN/ 120mm厚钢筋混凝土板 25×0.123KN/ V型轻刚龙骨吊顶 0.25 KN/m2合计： 5.52 KN/m214层楼面： 瓷砖地面（包括粗砂打底） 0.75KN/m2 100mm厚钢筋混凝土板 25×0.102.5KN/ V形轻刚龙骨吊顶 0.25 KN/m2 合计： 3.5 KN/m23.3.2屋面与楼面可变荷载标准值 不上人屋面均布活荷载标准值 0.50 KN/m2 楼面活荷载标准值 2.0 KN/m2 楼道与阳台活荷载标准值 2.5KN/ 屋面雪荷载标准值 0.2 KN/m23.3.3 梁、柱重力荷载计算表3.2 梁柱重力荷载标准值层数构件b/mh/m/()G/（)（计算长度）/n/15边横梁0.30.6251.054.7256.614436.59中横梁0.30.5251.053.9382.4766.158纵梁0.30.6251.055.5132.464846.797次梁0.30.45251.053.5446.612280.6851柱0.6 0.6251.059.454.65361581.9325柱0.50.5251.056.5633.636850.5653.3.4 墙、门窗重力荷载计算外墙体为370mm厚粘土多孔砖（16KN/m³），外墙面贴瓷砖（0.5KN/，包括水泥砂浆打底，共厚25mm），墙面20mm厚抹灰（0.34KN/），则外墙面单位面积重力荷载为16×0.37+0.5+0.34=6.76KN/；墙为水泥空心砖两侧均为20mm厚抹灰，则墙面单位面积重力荷载为15×0.25+17×0.02×24.28KN/。 铝合金窗单位面积重力荷载取0.4KN/，木门单位面积重力荷载为0.24KN/3.3.5 重力荷载代表值集中于各楼层标高处的重力荷载代表值：计算结果:W楼板=3.5×（42×17.4）=2557.8KNW屋面板=5.52×（42×17.4）=4034.02KNW梁 =436.59+66.158+846.797+280.685=1630.23KNW墙1=6.76×（42+17.4）×2×3.6-(1.8×1.5×18+1.5×1.5×4+1.2×1.5×3)+(42+17.4)×2×0.6+4.28×7.2×15-(1.2×2.4×12+0.9×2.4×7)=2845.58KNW柱1 =1581.93KNW墙2 =6.76×（42+17.4）×2×3.6-(1.8×1.5×18+1.5×1.5×4+1.2×1.5×3)+4.28×7.2×15-(1.2×2.4×12+0.9×2.4×7)=2363.71KNW柱 =856.57KN50%Q活载=0.5×2×（42+17.4）=730.8KN50%Q屋面活载=0.5×0.5×（42+17.4）=182.7KN计算结果如下图：图3.5 各质点的重力荷载代表值3.4 框架侧移刚度计算 框架结构的侧向刚度过小，水平位移过大，将影响正常使用；侧向刚度过大，水平位移过小，虽满足使用要求，但不满足经济性要求。因此，框架结构的侧移刚度宜合适，一般以使满足结构层间位移限值为宜。规规定，按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比u/h宜小于框架结构的层间位移角限值u/h，即1/550。（h为层高）。（附：层间位移角限值的确定原则，一是保证主体结构基本处于弹性受力状态。即避免混凝土墙、柱构件出现裂缝，同时将混凝土梁等楼面构件的裂缝数量、宽度和高度限制在规允许围。二是保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件的完好，避免产生明显损伤。如果不满足以上限制，则可增大构件尺寸或提高混凝土强度等级。）梁的线刚度ib=ECIb/lb。其中Ec为混凝土弹性模量；lb为梁的计算跨度；Ib为梁截面惯性矩，对本设计的现浇楼面，中框架梁Ib可近似取2.0I0，边框架梁Ib取1.5 I0，楼梯间边横梁取I0 ，中横梁取2I0 ，其中I0为梁矩形部分的截面惯性矩。柱的线刚度ic=EcIc/l，其中Ic维柱的截面惯性矩，h为框架柱的计算高度。柱的侧移刚度D值按下式计算：D= c·12ic/h2式中c为柱侧移刚度修正系数，可从书上查表得。横梁的线刚度计算过程见表3.3,柱的线刚度计算过程见表3.4框架柱侧移刚度值见表3.5，表3.6，表3.7。表3.3横梁线刚度计算表层数Ec/(N/mm2) 类别b×h/mmXmmI0/mm4b/mmEcI0/lb/N·mm1.5EcI0/l /N·mm2 EcI0/l/ N·mm13.15×104AB跨300×6005.4×10972002.363×10103.545×10104.726×1010BC跨300×6003.125×10930003.281×10104.922×10106.562×1010CD跨300×6005.4×10972002.363×10103.545×10104.726×1010253×104AB跨300×6005.4×10972002.25×10103.375×10104.5×1010BC跨300×6003.125×10930003.125×10104.688×10106.25×1010CD跨300×6005.4×10972002.25×10103.375×10104.5×1010表3.4柱线刚度计算表层数Ec/(N/mm2) hc/mmb×h/mmXmmI0/mm4EcI0/lb/N·mm13.15×1044.65×600×6001.08×10107.316×1010253.0×1043.6×500×5005.208×4.34×1010表3.5 中框架柱侧移刚度D值()层次第1层第25层D轴 (2根）B、C轴（10根)A轴（6根）D轴（2根）B、C轴（10根)A轴（6根）0.6461.5430.6461.0372.9521.0370.3950.5770.3950.3410.5960.341160242342716024137032395013703表3.6 边框架柱侧移刚度D值()柱类别A-1,A-8 D-1，D-8B-1,B-8 C-1,C-8层数1251250.6461.5430.8972.5920.3950.5770.4820.596 16024 234271957023950表3.7 楼梯间框架柱侧移刚度D值（ ）柱D-2，D-4，D-5，D-7A-2，A-4，A-5，A-7层数12-512-50.8972.5920.6461.5430.4820.5960.3950.5771957023950 16024 23427 将上述不同情况下同层框架柱侧移刚度相加，即得框架各层层间侧移刚度，见表3.8表3.8 横向框架层间侧移刚度()层次1234513816661452748145274814527481452748由表可见，=1381666/1452748=0.9510.7，故该框架为规则框架。3.5 横向水平荷载作用下框架结构的力和侧移计算3.5.1 横向水平地震作用下框架结构的力和侧移计算(1) 横向自振周期计算荷载计算：GE=Gi=10474.61+6528.07×3+7698.03=37756.85KN Geq=0.85GE=0.85×37756.85=32093.32KN结构顶点的假想侧移见表3.9表3.9 结构顶点的假想侧移表层号57698.037698.0314527480.00530.075546528.0714226.114527480.00980.070236528.0720754.1714527480.01430.060426528.0727282.2414527480.01880.0461110474.7537756.9913816660.02730.0273结构自振周期按顶点位移法，考虑填充墙刚度对于框架结构的影响，取折减系数，所以结构基本自振周期为T1=1.7×o ×T1=1.7×o ×=1.7×0.6×=0.28s (2)水平地震作用与楼层地震剪力作用本建筑结构高度不超过40m,质量和刚度沿高度分布比较均匀，变形以剪切为主，故可用底部剪力法计算水平地震作用。结构总水平地震作用标准值即Geq=0.85GE=0.85×37756.99=32093.32KN1×0.2=0.2 （因为0.1<0.38<Tg=0.4）因1.4Tg=1.4×0.40=0.56T1=0.28s 所以不需要考虑顶部附加水平地震作用，各质点横向水平地震作用与楼层地震剪力计算见表10。表3.10 各质点横向水平地震作用与楼层地震剪力计算表层次519.057698.03146647.470.3432201.62201.6415.456528.07100858.680.2361514.83716.4311.856528.0777357.630.1811161.784878.1828.256528.0753856.580.126808.755686.9314.6510474.7548707.590.114731.736418.66各质点水平地震作用与楼层地震剪力沿房屋高度的分布见下图。图3.6 水平地震作用与楼层地震剪力(3) 水平地震作用下的位移验算水平地震作用下框架结构的层间位移和顶点位移分别按(u)i=Vi/和计算，计算过程见表3.11，表中还计算了各层的层间位移角。表3.11 横向水平地震作用下的位移验算层次52201.614527481.5236001/236843716.414527482.5636001/140634878.1814527483.3636001/107125686.9314527483.9136001/92116418.6613816664.6546501/1000由上表可见，最大层间弹性位移角发生在第二层，其值为1/9211/550，满足要求（其中=1/550可查表得到）。（4） 水平地震作用下框架力计算以KJ5横向框架力计算为例。层间剪力取自表3.10，各柱反弯点高度比按y=yn+y1+y2+y3确定，其中yn由混凝土结构设计附表7得,。梁的线刚度取自表3.3。表3.12 边柱端弯矩与剪力计算层次边柱（A、D柱）53.62201.614527481370320.771.0370.5541.1233.6543.63716.414527481370335.051.0370.5569.4056.7833.64878.1814527481370346.001.0370.5591.0874.5223.65686.9314527481370353.631.0370.55106.1986.8814.656418.6613816661602474.440.6460.65223.61121.15表3.13 中柱端弯矩与剪力计算层次中柱53.62201.614527482395036.302.9520.4558.871.8743.63716.414527482395059.462.9520.4596.37117.7333.64878.1814527482395078.052.9520.45126.44154.5423.65686.9314527482395090.992.9520.45 147.40180.1614.956418.66138166623427108.831.5430.35182.18323.88表3.14 梁端弯矩、剪力与柱轴力计算层次边梁走道梁柱轴力边柱N中柱N533.6530.197.28.8741.7841.783.027.85-8.87-18.98497.974.147.223.89102.63102.633.068.42-32.76-63.513143.92105.387.234.63145.52145.523.097.01-67.39-78.892177.96128.777.242.6177.83177.833.0118.55-109.99-154.841227.34197.947.259.07273.34273.343.0182.23-169.06-278水平地震作用下框架的弯矩图、梁端剪力图与柱轴力图如图3.7所示。图3.7 （a）水平地震作用下框架弯矩图图3.7（b）水平地震作用下梁端剪力与轴力图3.6 竖向荷载作用下框架结构的力计算3.6.1 横向框架力计算a. 计算单元取KJ5横向框架进行计算，计算单元宽度为6米，如图3.11(a)所示，由于房布置有次梁，故直接传给该框架的楼面荷载如图中的水平阴影线所示，计算单元围的其余楼面荷载则通过次梁和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。框架横梁自重以与直接作用在横梁上的填充墙体自重则按均布荷载考虑，得到竖向荷载作用下框架结构计算简图如图3.11(b)(c)所示b.荷载计算(1)恒载计算在图3.11中与代表横梁自重（扣除板自重）和填充墙自重，为均布荷载, 为板自重传给横梁的梯形和三角形分布荷载峰值；P,M分别为通过纵梁传给柱的板自重、纵梁自重、纵墙自重与阳台自重等所产生的集中荷载和集中力矩。根据3.3节的有关数据和图3.11（a）所示的计算单元可得：第五层，屋面荷载5.52KN/，无填充墙，有600mm高女儿墙。图3.8（a） KJ2横向框架计算