1、 某高校实验中心框架结构设计 第 1 页 共 55 页 赠与读者： 亲爱的读者，你好！由于本人水平有限，该结构设计中不免有错误，仅供参考而已，切勿照抄，望读者自己独立完成其中的计算，努力提高自己的水平 某高校实验中心框架结构设计 作者： 指导老师： *大学 *学院 地址 邮编 摘 要 :实验中心教学楼作为一个满足正常教学和实验的公共建筑，根据任务书和其使用功能要求进行其平面布置及结构的设计。本设计中选取框架结构型式，并进行结构平面布置，确定楼盖形式为双向板肋梁楼盖。在板的设计过程中，先后进行了荷载计算，内力分析， 并进行了截面配筋。并进行了板式楼梯设计。在框架结构设计中选取一榀横向框架进行设计
2、，综合考虑恒载、活载和风载的综合的作用，在竖向荷载作用下内力分析采用弯矩二次分配法，水平荷载作用下的内力分析采用 D值法，通过内力分析结果进行框架梁、柱的设计。框架结构基础采用柱下独立基础和联合基础并用两种形式。 关键词 :框架结构设计 双向板楼盖 板式楼梯 柱下独立基础 1 引言 随着建筑造型和建筑功能要求日趋多样化，无论是工业建筑还是民用建筑，建筑框架结构设计作为现行比较常用的实际模式，已经广泛应用在各类建筑中。结构 设计的目的通常有两个，一是满足使用功能要求，二是节约经济 。结构的基本功能要求是：安全性，适用性和耐久性。框架结构主要由梁、柱和板构成，它既承受竖向荷载，又承受水平荷载。框架
3、结构体系的优点是：建筑平面的布置灵活，能获得较大空间；结构抗震性能较好；计算理论比较成熟；在一定的高度范围内造价经济等等。 二、工程概况与设计资料 2.1 设计任务概况： 现拟建某高校实验中心框架结构设计工程，该建筑位于某大学内，交通便利，其主要功能如下： 各层设有实验室、准备室、卫生间，总建筑面积约 5200 平方米，层高 3.6米，采光通 风情况良好，要求学生进行建筑设计，绘制建筑施工图，然后根据建筑施工图确定结构布置方案，并进行结构设计和结构施工图的绘制。 某高校实验中心框架结构设计 第 2 页 共 55 页 1.楼面板的设计 :(1)双向板荷载计算； (2)双向板的内力计算；（ 3）
4、双向板配筋设计 2.楼梯设计 :(1)梯段板设计； (2)平台板设计； (3)平台梁设计 3.梁、柱的荷载计算： (1)包括重力荷载计算； (2)框架侧移刚度计算 (取横向框架 )； (3)风荷载作用下内力计算； (4) 恒荷载作用下内力计算；（ 5）活荷载作用下内力计算；（ 6）框架内力效应组合 4.框架梁、柱设计 :(1)框架梁配筋设计 ； (2)框架柱配筋设计 5.基础设计 :(1)确定基础尺寸 ； (2)荷载计算 ； (3)验算基础高度 ； (4)基础底板配筋计算 2.2 设计资料： 2.2.1 水文地质条件 (1)地形概述 拟建场地地形平缓，地面标高为 3.1 6.1 米。 (2)地
5、下水情况 根据工程地质勘查报告得知地下水标高 10.3 10.7 米，经取样分析得知对混凝土无侵蚀作用。 (3)土层分布概况 第一层为杂填土，厚度为 1.0 米左右； 第二层为粉质粘土，平均厚度约为 1.2 米左右，底层标高为 10.9 米，地基承载力标准值 fk=195KPa； 第三层 为粘土层，平均厚度为 6米左右，底层标高在 7.1 9.1 米，地基承载力标准值 fk=225 KPa； 第四层未钻透； 根据以上条件，建议持力层置于第三层。 2.2.2 气象条件 该地区常年主导风向为东南风，基本风压 0.35KN/m2 ，基本雪压 0.6KN/m2。 三、结构设计的原则与选型 3.1 结构
6、设计的一般原则 3.1.1 结构设计目的 工程设计是工程建设的首要环节，是整个工程的灵魂。先进合理的设计对于改建、扩建、新建项目缩短工期、节约投资、提高经济效益起着关键作用，使项目达到安全、适用、经济、美观的要求 。因而建筑结构设计的基本目的就是要在某高校实验中心框架结构设计 第 3 页 共 55 页 一定经济条件下赋予结构以适当的可靠度，使结构在预定的基准期内能满足设计所预期的各种功能和使用要求。 3.1.2 结构设计的一般原则 为了达到建筑设计的基本目的，结构设计中应符合以下一般原则：符合设计规范；选择合理的结构设计方案，做到刚柔并济；减轻结构自重；采用先进技术。 3.2 结构选型 3.2
7、.1 结构体系选型 对于一般多层民用建筑，根据使用和工艺要求、材料供应情况和施工技术条件，常选用的结构形式有混合结构、钢筋混凝土框架结构和框架剪力墙结构等结构体系。 由于混合结构整 体性差，难于满足大空间的使用要求，而框架剪力墙结构多用于 10 25 层的高层建筑。基于框架结构其延性较好，横向侧移刚度较大，柱网布置灵活，便于获得较大的使用空间，适用于需要大空间的、层数不宜太多、房屋的高度不宜太高的建筑。故该五层实验中心教学楼选用框架结构。 3.2.3 框架施工方法 钢筋混凝土框架结构按施工方法不同，有现浇式、装配式和整体装配式三种。 现浇式框架的全部构件都在现场整体浇筑，其整体性和抗震性能好，
8、能较好的满足使用要求。故框架采用现浇施工方法。 3.2.4 其他结构选型 (1) 屋面结构：采用现 浇钢筋混凝土肋形屋盖，屋面板厚 100mm。 (2) 露面结构：采用现浇钢筋混凝土肋形楼盖，露面板厚 100mm。 (3) 楼梯结构：采用钢筋混凝土板式楼梯。 (4) 过梁：门窗过梁均采用钢筋混凝土梁，并部分采用纵向框架兼做窗过梁。 3.2.5 梁柱截面尺寸 横向框架梁 (边跨 ) h=(1/12 1/6)l b=(1/2 1/3)h 取 h=500mm， b=250mm 横向框架梁 (中跨 ) 取 h=500mm， b=250mm 纵向框架梁 (边跨 ) 取 h=500mm， b=250mm
9、纵向框架梁 (中跨 ) 取 h=500mm， b=250mm 横向次梁 取 h=400mm, b=250mm 框架柱 b=(1/15 1/20)l h=(1 1.5)b 取 h=500mm， b=500mm 3.2.6 楼面板的结构尺寸选择 某高校实验中心框架结构设计 第 4 页 共 55 页 楼面板均为现浇做法，按高跨比条件，要求板厚 h=1950/40=49mm,考虑到钢筋布置及钢筋布置混凝土的抗裂度和扰度过大的原因，取 h=100mm 四、楼盖的设 计（按弹性理论进行设计） L02/L01 =6000/36002,故按双向板计算 楼盖结构平面布置图如图 4-1 所示，对下图所示各区格编号
10、，共分为四类，即 A、 B、 C、 D,已示图中。 图 -1 结构平面布置图 基本数据： 材料：混凝土 C25，钢筋采用 HPB235、 HRB335。 楼面做法：采用标准水磨石地面， 20mm 石灰砂浆抹灰； 4.1 荷载计算 取一米宽板带 恒荷载标准值 100mm 厚钢筋混凝土现浇板 25 0.10=2.5KN/m2 某高校实验中心框架结构设计 第 5 页 共 55 页 水磨石面层 0.65KN/m2 20mm 厚石灰砂浆抹灰 0.02 17=0.34 KN/m2 合 计 : 3.49KN/m2 活荷载标准值 2.0KN/m2 对走廊部分活荷载取 2.5KN/m2 恒荷载分项系数取 1.2
11、，活荷载分项系数 取 1.4,于是板的 恒荷载设计值 g=1.2 3.49=4.2 KN/m2 活荷载设计值 q=1.4 2.0=2.8 KN/m2 g+q=4.2+2.8=7 KN/m2 g+1/2 q=4.2+1.4=5.6 KN/m2 1/2 q=1.4 KN/m2 走廊部分荷载设计值 q=1.4 2.5=3.5KN/m2 g+q=4.2+3.5=7.7 KN/m2 g+1/2 q=4.2+1.75=5.95KN/m2 1/2 q=1.75 KN/m2 4.2 计算跨度 内跨： lo=lc(轴线间距离 ) 边跨： lo=lc-240+100/2 各区格板的计算跨度列于下表 4-1中。 4
12、. 3 弯矩计算 跨中最大弯矩为当内支座固定时在 g+q/2 作用下的跨中弯矩值，与内支座铰支时在 q/2 作用下的跨中弯矩值之和。计算时混凝土的泊松比取 0.2；支座最大负弯矩为当内支座固定时 g+q 作用下的支座弯矩。 根据不同支撑情况，整个楼盖可以分为 A、 B、 C、 D 四种区格板。 A区格板 ： l01/l02=0.67,查表得 m1=(0.0335+0.2 0.0096) 5.95 2.42+(0.0723+0.2 0.0281) 1.752.42=2.105kNm m2=(0.0096+0.2 0.0335) 5.95 2.42+(0.0281+0.2 0.0723) 1.75
13、2.42=0.987kNm m 1= m 1=-0.07536 7.7 2.42= -3.342 kNm 某高校实验中心框架结构设计 第 6 页 共 55 页 m 2= m 2=-0.0571 7.7 2.42= -2.532 kNm B、 C、 D 区格计算与 A相似，只是边界条件与计算跨度有所不同。各区格的弯矩4-1。计算列于下表 4-1中。 表 4-1 板的弯矩计算 项目 A B C D l01(m) 2.4 3.6 2.4 3.41 l02(m) 3.6 5.81 3.41 5.81 l01/l02 0.67 0.62 0.70 0.59 m1 (0.0335+0.2 0.0096)
14、5.95 2.42+ (0.0723+0.2 0.0281) 5.95 2.42=2.105 (0.0378+0.2 0.0066) 5.6 3.62+ (0.079+0.2 0.0254) 1.4 3.62=4.37 (0.035+0.20.0093) 5.952.42+ (0.0683+0.20.0296) 1.752.42=2.01 (0.0502+0.2 0.0124) 5.6 3.412+ (0.0835+0.2 0.0248) 1.4 3.412=4.874 m2 (0.0096+0.2 0.0335) 5.952.42+(0.0281+0.20.0723) 1.752.42=0.
15、987 (0.0066+0.2 0.0378) 5.6 3.62+ (0.0254+0.2 0.079) 1.4 3.62=1.78 (0.0093+0.20.0350) 5.952.42+ (0.0296+0.20.0683) 1.752.42=0.994 (0.0124+0.2 0.0502) 5.6 3.412+ (0.0248+0.2 0.0835) 1.4 3.412=2.138 m1 -0.07536 7.7 2.42= -3.342 -0.0805 7 3.62= -7.302 -0.0774 7.72.42=-3.433 -0.1104 7 3.412= -8.986 m 1
16、-3.342 0 0 0 m2 -0.0571 7.7 2.42= -2.532 -0.0571 7 3.62= -5.18 -0.0572 7.72.42=-2.537 -0.0782 7 3.412= -6.365 m 2 -2.532 -5.18 -2.537 0 4. 4 截面 设计 截面有效高度：假定选用 8 钢筋，则 l01方向跨中截面的 h01=81mm； l02方向跨中截面的 h02=h-8=73mm；支座截面 h0=81mm。 最小配筋率：因为 %2.0%30.02 1 043.145.0ff45.0 yt ，故取 smin=0.30%，区格某高校实验中心框架结构设计 第 7
17、 页 共 55 页 则 Asmin=0.30%1000100= 300mm2 截面设计时取用的弯矩设计值：中间跨的跨中截面及中间支座截面减小20%；边跨跨中截面及楼板边缘算起的第二个支座截面处，当 lb/l01.5 时减小20%，当 lb/l0=1.5 2.0 时减小 10%；楼板的角区格不折减。 为了便于计算，近似取 =0.95 ，y0s f95h.0mA (此处 yf =210N/mm2)； 截面配筋计算结果及实际配筋列于表 4-2。 表 4-2 按弹性理论设计的楼面截面配筋 项目 截面 h0 (mm) M (kNm/m) As (mm2/m) 配筋 实际 As (mm2/m) 跨 中 A
18、 l01方向 81 2.105 0.8=1.684 104.2 8200 251.0 l02方向 73 0.987 0.8=0.790 54.2 8200 251.0 B l01方向 81 4.37 0.9=3.933 243.4 8200 251.0 l02方向 73 1.78 0.9=1.602 110.0 8200 251.0 C l01方向 81 2.012 0.9=1.811 112.1 8200 251.0 l02方向 73 0.994 0.9=0.895 61.5 8200 251.0 D l01方向 81 4.874 301.6 8150 335.0 l02方向 73 2.13
19、8 146.8 8200 251.0 支 座 A A 80 -3.342 08=2.674 165.5 8150 335.0 A B 80 -7.302 451.9 8110 457.0 A C 80 -3.433 212.4 8150 335.0 C D 80 -8.986 556.1 890 559.0 B B 80 5.18 320.6 8150 335.0 B D 80 -6.365 393.9 8110 457.0 注：最小配筋率为： 0 0 2 7.02 1 027.145.045.0%2.00 0 3 1.0811 0 0 02 5 10 yf tfbh sAs 和 满足条件。
20、某高校实验中心框架结构设计 第 8 页 共 55 页 五、楼梯设计 楼梯间开间为 3.6m，进深为 6m。采用 现浇 板式楼梯， 楼梯形式为平行双 跑楼梯，共 24 级踏步，踏步 宽 0.3 米，踏步 高 0.15 米 ， 其踏步的水平投影长度为(24/2-1)0.3=3. 3m， 平台宽度为 1.7m，梯井宽度为 0.20m，栏杆扶手高度为0.9m。 楼梯的踢面和踏面均做水磨石层，底面为水泥砂浆粉刷。混凝土强度等级C25。 板采用 HPB235 钢筋，梁纵筋采用 HRB335 钢筋 ，楼梯上均布活荷载标准值kq =3.5 2/KN m 。 现浇板式楼梯计算 : 踏步尺寸 150mm300mm
21、，采用 C20 混凝土，板采用 HPB235 钢筋，梁纵筋采用 HPB335 钢筋，楼梯上均布活荷载标准值 kq =3.5 2/KN m 其平面图如图 5-1 所示： 图 5-1楼梯平面图 5.1 楼梯板设计 取板厚 h=120mm，约为板斜长的 1/30。板倾斜角 tan =150/300=0.5,cos=0.894。取 1m 宽板带为计算单元。 5.1.1 荷载计算 梯段板的荷载 : 某高校实验中心框架结构设计 第 9 页 共 55 页 恒荷载标准值： 水磨石面层 (0.30+0.15)0.65/0.32=0.98KN/m 三角形踏步 0.50.30.1525/0.30=1.88KN/m
22、混凝土斜板 0.1225/0.894=3.36KN/m 板底抹灰 0.0217/0.894=0.38KN/m 合 计 gK=6.6KN/m 活载标准值： qK=3.5KN/m 恒荷载分项系数 1.2G ，活荷载分项系数 1.4Q 基本组合的总荷载设计值 P=1.26.6+1.43.5=12.82KN/m 5.1.2 截面设计 板的水平计算跨度 nl =3.3m，弯矩设计值 ： M=1/10Pln2 =1/1012.823.3=13.96 mkN 板的有效高度 h0=120-20=100mm 1173.010010009.110.11096.13 26201 bhfMcs 6 1 4.01 2
23、5.01 1 7 3.0211211 bs 可以 9374.02211 ss 260 7 0 92 1 01 0 09 3 7 4.01096.13 mmfhMAyss %27.045.0%2.000714.01001000 7090 ytss ffbhA 和 因此满足条件。 选配 10110 (实际 As=714mm2) 分布钢筋每级踏步 1根 8。梯段板配筋图如图 5-2所示。 某高校实验中心框架结构设计 第 10 页 共 55 页 图 5-2梯段板配筋示意图 5.2 平台板设计 取平台板厚 h=80mm，取 1m 宽板带计算 5.2.1 荷载计算 恒荷载标准值： 水磨石面层 0.65KN/m 80 厚砼板 0.0825=2.0KN/m 板底抹灰 0.0217=0.34KN/m 合计 gk=2.99KN/m 活载标准值 : qk=3.5KN/m 恒荷载分项系数 1.2G ，活 荷载分项系数 1.4Q 总荷载设计值： P=1.22.99+1.43.5=8.5KN/m 5.2.2 截面设计 平台板的计算跨度 lo=1.7-0.2/2+0.12/2=1.66m 弯矩设计值： mKNplM O 93.266.15.88181 22 板的有效高度： ho=80-20=60mm 采用 C25 砼 fc=11.9N/mm2 HPB235 钢筋 fy=210N/mm2 0.614b
