1、2 上部结构设计 15 摘 要 毕业设计题目为贵阳市中学教学楼结构设计，建筑面积 5517 2m ， 建设地点在贵阳市，抗震设防烈度为 6 度；上部结构采用钢筋混凝土框架结构，框架抗震等级为三级；基础采用 柱下独立基础 。 毕业设计包括建筑设计、结构设计两部分。结构设计是重点。结构设计内容包括：构件截面尺寸的确定、竖向和水平荷载计算、框架内力及侧移计算、内力组合、框架梁柱截面配筋以及楼板、楼梯和基础设计。严格按有关结构设计规范或规程进行结构设计，并且考虑了抗震计算和有关构造要求。在计算方法上，水 平地震作用采用“底部剪力法”，风荷载和水平地震作用下框架内力计算采用 D 值法，竖向荷载作用下框架
2、内力计算采用分层法。结构设计算重点是手算，并利用 PKPM 软件包中 Satwe 软件检验手算结果。 关键词： 教学 楼、混凝土、框架结构、内力计算、 配筋 前 言 毕业设计是土木工程专业本科教学计划的最后一个重要环节，是对学生综合素质与工程实践能力的一次检验；毕业设计能培养学生综合应用所学的基础课、专业基础课、专业课和相应技 能，更能提高学生的综合素质和分析处理工程问题的能力。 毕业设计为四层教学楼，建筑面积达 5517 2m ，建筑地点在贵阳市，抗震设防烈度为 6 度，上部结构为框架结构，基础为预应力桩。本题目建筑结构绘图不算很2 上部结构设计 16 复杂，但结构计算上也有一些难点。 本毕
3、业设计主要分为建筑设计、上部结构设计、下部结构设计、楼板结构设计、楼梯结构设计和分析与总结六大章。第一章主要是建筑方案与建筑施工图设计说明，第二章是设计的重点，主要是结构方案选型、框架截面尺寸初选、荷载计算、侧移验算、内力分析和组合 、框架梁柱配筋计算。第三、四、五章主要是地基，楼板，楼梯的方案选型、尺寸初选和配筋计算。第六章主要是电算与手算的分析比较。 1 建筑设计 1.1 设计资料 1.1.1 工程概况 拟在贵阳市新中学教学楼，总建筑面积为 5517 m2。此教学 楼为四层现浇钢筋混凝土框架结构，建筑高度为 16.8m 。 1.1.2 设计原始资料 1）地段平面： L 形，东西长 69.6
4、m，长边南北宽 25.8m，短边南北宽 18m。 2）主要建筑材料： 砼： C20， C30；钢筋： HPB235、 HRB400； 外墙和隔墙材料： M 型烧结砖； 外墙装修：墙面砖或马赛克； 门窗：木夹板门，铝合金窗。 1.2 建筑方案选择与建筑施工图设计 1.2.1 建筑方案选择 该建筑东西方向长为 69.6m ，长边南北方向宽为 25.8m ，短边南北方向宽为2 上部结构设计 17 18m。根据该教学楼所处地理位置，设计时已考虑了周围环境，占据好的朝向及景观。 1）平面设计 （ 1） 贵阳市中学新教学楼一至四层均为教室。在建筑设计上根据拟建地形以 L 形安排平面，同时考虑外形美观 ，建
5、筑设计中应处理好不同功能分区之间的交通组织，充分利用场地，合理划分功能分区，其平面设计满足采光和防火等要求。 2）外立面设计： 外立面形式美观，可谓是一道靓丽的风景，大开窗提供了充足的光线，充分满足了美观和采光。 3）交通设计： （ 1） 走道 根据民用建筑设计通则（ GB 50352-2005）和 中小学校设计规范 （ GB50099-2011）可知 2400mm 的走廊充分满足了人员的走动。 （ 2）楼梯 楼梯的尺度要综合考虑人行、防火疏散和家具搬运等要 求，公共楼梯的面积和尺度应满足最少尺度的要求，不能过于放宽，而降低使用面积。楼梯的尺度还要兼顾楼梯构件规格的简化和统一等方面的因素。 4
6、）屋面排水系统 根据建筑设计资料集（第二版） 05 和年平均降雨量，采用不上人屋面排水。 5） 卫生间 （ 1）在满足设备及人体活动空间要求的前提下力求布置紧凑。 （ 2）卫生间是用水较多的场所，其材料与构造的选择要注意防水、排水和便于清洁。卫生间内蒸汽和异味要组织好通风给以排除。最好采用直接采光和通风。 教室、卫生间满足 中小学校设计规范 第四章 中的 有关要求。 1.2.2 建筑 施工图设计 建筑施工图满足房屋建筑制图统一标准（ GBT 50001 2010）。 2 上部结构设计 2 上部结构设计 18 2.1 设计依据 2.1.1 工程设计基准期 本工程设计的基准期为 50 年。 2.1
7、.2自然条件 1）气象条件 主导风向：西北风。 基本风压： W0=0.30kN/m2（按 50 年一遇采用）。 基本雪压： S0=0.20kN/m2（按 50 年一遇采用）。 雨季集中在 7、 8、 9 月份。 土壤最大冻结深度 450mm。 2）、主要建筑材料： 砼： C20， C25， C30；钢筋： HPB235、 HRB400。 外墙和隔墙材料：加气混凝土砌块。 外墙装修：墙面砖或马赛克。 门窗：木夹板门，铝合金窗或钢窗。 3）、建筑抗震设防烈度为 6 度， 场地土为 类 4）、工程地质资料： 建筑场地位于 河 级阶地上，地形较平坦，勘探表明，场地地层从上到下由素填土和黄土状土构成，其
8、中素填土层厚 1.4 2.5m，以下为黄土状土层，地基土承载力特征值， fak =180kPa， 场地为 级非自重湿陷性黄土场地，地下水位标高为 -5m， 在多雨季无显著变化。水无侵蚀性 。 5）建设前期条件 已经进行了场地平整，给水、排水、供 电、通讯、供煤气与城市系统连接。 2.1.3 设计要求 工程所在地抗震设防烈度为 6 度，设计基本地震加速度为 0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别为 类。 2.2 结构方案选型 2.2.1 上部结构体系选择、结构布置及计算单元 1） .上部结构体系 由于该结构高度为 16.8m，抗震设防烈度为 6 度，根据建筑抗震设计规范（ GB 50011-
9、2001）表 6.1.1 现浇混凝土房屋适用的最大高度：混凝土房屋架结构适用最2 上部结构设计 19 大高度为 60m，框架 -抗震墙结构适用最大高度为 130m，抗震墙结构适用最大高度为140m，框架核心 筒结构适用最大高度为 150m，筒中筒结构适用最大高度为 180m。本建筑 16.8m，以上结构体系都适用于本建筑，但从受力及经济因素考虑，框架结构较为合理。因此本建筑最终采用钢筋混凝土框架结构。 2） .结构布置图详见结构布置。 3） .计算单元取 11 轴单 榀 框架为计算单元 2.2.2 基础选型 根据建筑处的地质情况，承载力第四层是承载力很强的中等风化花岗岩，初步确定基础采用 独立
10、基础 比较适合。 2.2.3 特殊处理： 根据混凝土结构设计规范（ GB 50010-2002），现浇钢筋混凝土框架结构伸缩缝间距不宜超过 55m。本工程长度 69.6m55m，但考虑到建筑的使用要求和立面的效果，以及防水处理困难等，目前常采用不设伸缩缝；特别在地震区，由于缝将房屋分成几个独立的部分，地震时常因为互相碰撞而造成震害。因此，目前的总趋势是避免设缝。并从总体布置上或构造上采取一些相应的措施来减少温度收缩和体形复杂引起的问题。为解决混凝土收缩可能引起的裂缝，可考虑在施工阶段每隔 3040m 设置一道后浇带，后浇带宽 1.0 m ；为解决温度变化可能引起的裂 缝，屋面还可加强保温、隔热
11、措施，楼板可配置分布钢筋。 2.2.4 结构用材料 梁板的混凝土强度等级用 C30； 柱的混凝土强度等级用 C30； 梁柱钢筋等级均为 HRB400。 2.3 结构基本尺寸确定及截面几何特性计算 2.3.1 框架梁截面尺寸初选 根据高层建筑混凝土结构技术规程 6.3.1 得 截面高度： h=(1/8 1/18)L=(1/8 1/18)7800=433mm 975mm 取 mmh 500 截面宽度： ( 1 / 2 1 / 3 ) ( 1 / 2 1 / 3 ) 5 0 0 2 5 0 1 6 7b h m m 取 250b mm 同理： 对 l=2400m 取 h=400mm,b=250mm
12、2.3.2 框架柱截面尺寸 初选 2 上部结构设计 20 底层柱轴力估算： 假定结构每平方米总荷载设计值为 12kN,则底层柱的轴力设计值约为： 1 2 4 .5 4 .5 4 9 7 2N k N 若采用 C30 混凝土浇捣，由 混凝土结构设计 规范 （ GB50010-2002） 查得14.3caf MP 。 假定柱截面尺寸 4 5 0 4 5 0b h m m m m ，则柱的 轴压比为： 972000 0 .4 31 4 .3 4 5 0 4 5 0cNf b h 故确定取柱截面尺寸为 4 5 0 4 5 0b h m m m m 。边柱截面取和中柱一样为4 5 0 4 5 0b h
13、m m m m 。 为简化施工，各柱截面从底层到顶层不改变。 2.3.3 板的厚度初选 根据混凝土结构设计（ GB50010-2002） 10.1.1 得 楼板 ： 11 4 5 0 0 8 2 , 1 2 05 0 5 0h l m m h m m 短 跨 实 际 取， 屋面板：取 mmh 120 。 2.3.4 框架计算简图 框架柱嵌固与基础顶面，框架梁与柱刚接，由于各层柱的截面尺寸不变，故梁跨等于柱截面形心轴线之间的距离。底层柱高从基础顶面算至二层楼面，室内外高差为 -0.450m，基础顶面至室外地坪通常取 -0.500m,故基顶标高至 0.000 的距离定为-0.950m，故底层柱高为
14、 5.15m。其余各层柱高从楼面算至上一层楼面（即层高）， 各梁柱构件的线性刚度经计算后 由此可绘出框架的计算简图如 2.4 所示。 框架梁混凝土强度等级采用 C30， 其中再求梁截面惯性矩时考虑现浇楼板的作 用，取 I=2I。（ I。为不考虑楼板翼缘作用的梁截面惯性矩）。 边跨（ BC、 DE 跨）梁： i=2Ec 121 0.25 0.53 / 7.8 =6.68 10 4 Ec（ m3 ） CD 跨梁： i=2Ec 121 0.25 0.43 / 2.4 =11.11 10 4 Ec（ m3 ） 2 上部结构设计 21 上部各层柱： i=Ec 121 0.45 0.453 / 4.2 =
15、8.14 10 4 Ec（ m3 ） 底层柱： i=Ec 121 0.45 0.453 / 5.15 =6.64 10 4 Ec（ m3 ） 图 2.4 结构 计算简图 注：图中数字为线刚度，单位： 104 Ecm3 。 2.3.5 框架梁、柱线刚度与框架的抗侧刚度 框架梁混凝土强度等级采用 C30。，考虑现浇楼板参与工作，对中框架梁00.2 IIb ， 0I 为框架梁 按矩形截面计算的惯性矩。框架梁刚度计算：梁采用 C30混凝土， E=30*106KN/m2 边跨梁： 7 3 4/ 3 . 0 1 0 2 0 . 2 5 0 . 5 / 6 . 9 2 . 3 1 0i E I l k N
16、m 边 （ 12 ） 中跨梁： 7 3 4/ 3 . 0 1 0 2 0 . 2 5 0 . 3 5 / 1 2 2 . 1 2 . 6 1 0i E I l k N m 中 （ ） 2 上部结构设计 22 底层柱： 7 4 4/ 3 . 0 1 0 0 . 4 5 / 1 2 5 . 2 5 2 . 0 1 0i E I l k N m 底 （ ） 标准层柱： 7 4 4/ 3 . 0 1 0 0 . 4 5 / 1 2 3 . 9 2 . 6 1 0i E I l k N m 标 （ ） 令 1.0i 底 ， 则其余各杆件的相对线刚度为： 44 2 . 3 1 0 / 2 . 0 1 0
17、1 . 1 5i （ ）边 44 2 . 6 1 0 / 2 . 0 1 0 1 . 3i （ ）中 44 2 . 6 1 0 / 2 . 0 1 0 1 . 3i （ ）标 如图 2.1 所示。 侧移刚度 D 计算见表 2.1，其中： 一般层：边柱ciiiK 2 21 ，中柱ciiiiiK 2 4321 ， KK2 底层：边柱ciiK 1 ，中柱ciiiK 21 ， KK 25.0 212hiD c 层号 柱别 柱高 柱线刚度 D楼层KN/m 侧移刚度m（104）A 3.9 2.6 20 0 0 2.3 2.3 0.88 0.31 0.63B 3.9 2.6 20 2.3 2.3 2.6 2
18、.6 1.88 0.49 1.00C 3.9 2.6 20 2.6 2.6 2.3 2.3 1.88 0.49 1.00D 3.9 2.6 20 2.3 2.3 0 0 0.88 0.31 0.63A 3.9 2.6 20 0 0 2.3 2.3 0.88 0.31 0.63B 3.9 2.6 20 2.3 2.3 2.6 2.6 1.88 0.49 1.00C 3.9 2.6 20 2.6 2.6 2.3 2.3 1.88 0.49 1.00D 3.9 2.6 20 2.3 2.3 0 0 0.88 0.31 0.63A 3.9 2.6 20 0 0 2.3 2.3 0.88 0.31 0.
19、63B 3.9 2.6 20 2.3 2.3 2.6 2.6 1.88 0.49 1.00C 3.9 2.6 20 2.6 2.6 2.3 2.3 1.88 0.49 1.00D 3.9 2.6 20 2.3 2.3 0 0 0.88 0.31 0.63A 5.25 2 20 0 0 2.3 0 1.15 0.52 0.46B 5.25 2 20 2.3 0 2.6 0 2.45 0.66 0.58C 5.25 2 20 2.6 0 2.3 0 2.45 0.66 0.58D 5.25 2 20 2.3 0 0 0 1.15 0.52 0.46表 2 . 1 框架抗侧移总刚度计算表柱根数（KN
20、/ m（104）左梁右梁245.07345.07445.0729.79首层bi（一般层）cbi2iK（首层）cbiiK).10(H1 2 KD42cmkN上bi下bi 上bi下bi（一般层）K2K（首层）K2K5.0410/k N m2 上部结构设计 23 2.4 竖向 荷载计算 2.4.1 永久荷载计算 屋面及楼面的荷载 屋面永久荷载 找平层： 15厚水泥砂浆 ： 0.015 20 0.30 2/mkN 防水层（刚性） 40厚 C20细石混凝土防水 ： 1.0 2/mkN 防水层（柔性）三毡四油小石子 ： 0.4 2/mkN 找平层： 15 厚水泥砂浆 ： 0.015 20 0.30 2/m
21、kN 找坡层： 40 厚水泥石灰焦渣砂浆 3找平 ： 0.04 14 0.56 2/mkN 保温隔热层： 80厚膨胀珍珠岩砂浆 ： 0.08 12 0.96 2/mkN 结构层： 120厚现浇钢筋混凝土板 ： 0.12 25 3 2/mkN 抹灰层： 10厚混合砂浆 ： 0.01 17 0.17 2/mkN 合计 6.69 2/mkN 各层走廊楼面 水磨石地面： 10mm 面层 20mm水泥沙浆打底 0.65 2/mkN 素水泥浆结合层一道 结构层： 100 厚现浇钢筋混凝土板： 0.1 25 2.5 2/mkN 抹灰层 ： 10厚混合砂浆 20 .0 1 1 7 0 .1 7 /k N m
22、合计 23.82 /kN m 2 上部结构设计 24 标准层楼面永久荷载 大理石面层，水泥砂浆擦缝 30 厚 1： 3干硬性水泥砂浆，面上撒 2厚素水泥 1.16 2/mkN 水泥浆结合层一道 结构层： 120 厚现浇钢筋混凝土板 ： 0.12 25 3 2/mkN 抹灰层： 10厚混合砂浆 ： 0.01 17 0.17 2/mkN 合计 4.33 2/mkN 梁自重 b h=250mm 500mm 自重： 25 0.25 （ 0.5-0.12） =2.38kN/m 抹灰层： 10 厚混合砂浆 (0.5-0.12) 2+0.25 17 0.01=0.17kN/m 合计： 2.25kN/m b h=250mm 400mm 自重： 25 0.25 （ 0.4-0.12） =1.75kN/m 抹灰层： 10 厚混合砂浆 (0.4-0.12) 2+0.25 17 0.01=0.14kN/m 合计： 1.89kN/m 柱自重 b h=450mm 450mm 自重： 25 0.45 0.45=5.06kN/m 抹灰层： 10 厚混合砂浆 0.01 0.45 4 17=0.31kN/m 合计： 5.37kN/m
