武汉大学东湖分校4号教学楼建筑与结构设计1概要.docx
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武汉大学东湖分校4号教学楼建筑与结构设计1概要
摘要
本文为武汉大学东湖分校4号教学楼建筑与结构设计计算书。
设计的主要内容是进行教学楼建筑设计和结构设计。
建筑设计内容:
按照毕业设计任务书的要求确定房间开间进深尺寸,柱网布置,及建筑做法,最后绘制主要建筑施工图;结构设计内容:
根据建筑施工图确定结构方案,进行结构设计计算,绘制结构施工图。
结构设计根据建筑设计、工艺使用和抗震方面的要求,以及现场材料供应情况、施工能力和场地地质条件等因素,确定合理的结构方案和结构布置方案,并确定框架、楼面、屋面、楼梯及其它承重构件和非承重构件的形式。
然后,选取一榀主框架及其柱下独立基础进行结构计算,计算过程是先进行荷载计算,然后进行内力分析、侧移验算和内力组合。
各结构构件设计所采用的计算方法为:
框架水平荷载采用D值法;框架竖向荷载采用分层法计算。
最后对各结构构件进行配筋计算,并运用AutoCAD、PKPM、天正建筑、天正结构等软件绘制整栋建筑的建筑施工图和结构施工图。
关键词:
钢筋混凝土;框架结构;抗震设计
Abstract
ThisthesisisthedesignandcalculationofthestructureofthefourthteachingbuildingofDonghucollege,wuhanuniversity.Themaincontentincludesarchitecturalandstructuraldesign.Contentsofarchitecturaldesign:
accordingtograduationtaskreport,determinethesizeoftheroombayanddepth,columngridlayout,constructionpracticesanddrawedthemainconstructors.Contentsofthestructuraldesign:
determinedthestructuralprogramme,madethestructuraldesigncalculation,drawedthestructuralconstructorsonthebasisofthearchitecturalconstructors.
Structuraldesignneededtodefineareasonablestructuralstyleandlayout,andthenestablishtheformoftheframework,floor,roof,stairsandotherload-bearingmembersandnon-load-bearingcomponents.Thewholeprogramewasbasedonthearchitecturaldesign,useoftechnology,theseismicrequirements,on-sitematerialsupplysituation,constructioncapacity,andgeologicalconditions,andothervenues.ThenselectaPinofthemainframeworkbesidesitsindependentfoundations,toloadfirst,andthenproceedtointernalforcescalculation,checkingofsideshiftandinternalforcescombination.Desigecalculationmethodforallthestructuralmembers:
Floordesignadoptedaflexibletheoreticalcalculationmethod;thelevelloadofframeworkusedDvaluesmethodtocalculate;theverticalloadoftheframeworkmadeuseofthemonmentsecondarydistributionmethod.Finally,carriedoutthecomponentsreinforcement,anddrawedthearchitecturalandstructuralconstructorsoftheentirebuildingbyusingofAutoCAD,PKPM,TArch,TAsdandothersoftwares.
Keywords:
Reinforcedconcrete;Framestructure;Seismicdesign
1绪论(1
2设计资料(1
2.1工程概况(1
2.2地质水文资料(2
2.3气象资料(2
2.4其他资料(2
2.5建筑做法(2
2.5.1墙身做法(2
2.5.2屋面做法(2
2.5.3楼面做法(2
2.5.4门窗做法(2
2.5.5其他做法(3
2.6设计说明(3
3结构布置及结构选型(3
3.1结构选型(3
3.1.1结构承重方案选择(3
3.1.2主要构件选型及尺寸初步估算(3
3.2确定结构计算简图(4
3.3梁﹑柱惯性矩、线刚度计算(4
3.3.1梁,柱惯性矩(4
3.3.2梁线刚度(5
3.3.3柱线刚度(5
4荷载统计(5
4.1恒载统计(6
4.1.1屋面板恒载(6
4.1.2楼面板恒载(6
4.1.3梁自重(6
4.1.4柱自重(6
4.1.5墙自重(6
4.1.6恒荷载作用下结构计算简图的确定(7
4.2活荷载统计(8
4.2.1荷载分类(8
4.2.2活荷载分布情况(8
4.2.3活荷载计算(8
4.2.4活荷载作用下的结构计算简图(9
4.3风荷载计算(9
5内力计算(10
5.1恒载作用下的内力计算(10
5.1.1分层法计算简图确定(10
5.1.2等效均布荷载计算(10
5.1.3梁柱固端弯矩计算(11
5.1.4弯矩分配法计算(14
5.1.5跨中弯矩计算:
(17
5.1.6恒载作用分层弯矩图(17
5.1.7整个结构在恒载作用下的梁端柱端弯矩图(18
5.1.8梁端剪力,梁端控制截面的弯矩(21
5.1.9柱轴力计算(22
5.1.10调幅后的整体框架内力图(24
5.2活荷载作用下的内力计算(25
5.2.1活荷载组合及等效(25
5.2.2计算方法选用:
(25
5.2.3等效均布活荷载的计算(26
5.2.4活荷载作用下固端弯矩(26
5.2.5活荷载第一种布置内力计算(28
5.2.6活荷载第二种布置内力计算(36
5.2.7第三种布置下内力计算(43
5.3风荷载作用下的内力计算(55
5.3.1风载作用下的侧移验算(55
5.3.2风载作用下的柱剪力分配及柱端弯矩(57
5.3.3风载作用下的梁端弯矩计算(59
5.3.4梁,柱剪力计算(60
5.3.5风荷载作用下框架内力图(60
5.4水平地震作用内力计算(63
5.4.1重力荷载代表值计算(63
5.4.2各层水平地震作用标准值计算(63
5.4.3各层水平地震层间剪力(66
5.4.4多遇地震下弹性层间位移(66
5.4.5层间剪力在各柱分配(67
5.4.6反弯点高度确定(67
5.4.7柱端弯矩及剪力计算(67
5.4.8梁端弯矩,剪力及柱轴力(68
5.4.9地震作用下的内力力图(69
5.5内力组合(70
5.5.1梁内力组合(71
5.5.2柱内力组合(72
6截面设计(74
6.1梁截面设计(74
6.1.1各层梁控制截面最不利值(74
6.1.2梁截面配筋计算(75
6.2柱的截面设计及配筋表(78
6.2.1柱内力组合截面控制值(78
6.2.2柱截面配筋计算(78
7基础设计(83
7.1基础选型(83
7.2A柱基础设计(83
7.2.1基础截面尺寸确定(83
7.2.2基底尺寸验算(83
7.2.3基础高度验算(84
7.2.4基底配筋计算(84
7.3B柱基础设计(85
7.3.1基础截面尺寸确定(85
7.3.2基地尺寸验算(86
7.3.3基础高度验算(87
7.3.4基底配筋计算(87
8楼梯设计(88
8.1踢段板厚度确定(88
8.2踢段板荷载统计(89
8.3楼梯踢段板截面设计(89
结束语(90
参考文献(91
致谢(92
1绪论
本建筑的高宽比H/B小于5,抗震设防烈度为6度,所以选用框架结构体系。
框架结构体系一般用于钢结构和钢筋混凝土结构中,由梁和柱通过节点构成承载结构,框架形式可灵活布置建筑空间,使用较方便。
但是随着建筑高度的增加,水平作用使得框架底部梁柱构件的弯矩和剪力显著增加,从而导致梁柱截面尺寸和配筋量增加,到一定程度,将给建筑平面布置和空间处理带来困难,影响建筑空间的正常使用,在材料用量和造价方面也趋于不合理。
因此在使用上层数受到限制。
在收集资料和设计的过程中,我参照现行的国家建筑行业的许多规范,例如:
《建筑结构荷载规范》[10]、《建筑抗震设计规范》[11]和《建筑地基基础设计规范》[12]等等在这次设计中,我采用手算,综合大学四年来所学的知识,完成这次设计任务。
我的设计的主要内容如下:
1.选定题目,搜集有关的建筑设计资料和工程地质资料
2.进行建筑图的绘制。
3.进行任务书的编写,具体内容有:
首先我对结构的构件进行初步的尺寸估计,进行结构选型和结构平面布置;接下来是统计荷载,包括恒载、活载、风载、地震荷载,确定其计算简图,计算相关参数;随后根据荷载统计的结果进行内力分析和侧移计算,其中对恒载、活载采用分层法,对风荷载、地震荷载采用D值法;最后是各构件设计阶段,其中梁按单筋矩形截面计算,柱截面按对称配筋计算,并进行抗震验算,考虑地基条件和基础受力情况,采用柱下独立基础进行配筋计算,板的配筋计算过程按弹性理论双向板配筋计算,楼梯采用现浇板式楼梯。
4.进行结构图的绘制。
2设计资料
2.1工程概况
本工程名称为武汉大学东湖分校4号教学楼,位于武汉市。
该教学楼为八层钢筋混凝土框架结构体系,建筑面积约6873.30m2,建筑平面为一字形,宽度为15.6m,长度为54m,建筑高度为28.8m,层高3.6m,屋面无突出部分。
建筑方案确定,房间开间为4.2m,进深为6.6m,走廊宽度2.4m,室内外高差0.45m。
框架梁柱及板均为现浇,框架平面柱网布置如图2.1所示:
图2.1框架平面柱网布置图
2.2地质水文资料
该工程位于平原地带,拟建场地平坦,土质量好;地表自上而下土层分布情况为:
第一层:
素填土厚度0.5m,系人工平整场地所填;第二层:
未揭穿,粘土,褐色,硬塑,地基承载力特征值fak=280kPa。
地下水位较低,无侵蚀性。
2.3气象资料
最高气温:
41℃,最低气温:
-10℃。
室内计算温度:
卫生间、楼梯间、大厅为160C;其它均为180C。
全年主导风向:
S;年平均风速:
2.9m/s;基本风压w
=0.35kN/m2。
年降雨量1870mm。
常年地下水位在地表下8m,水质对水泥具有硫酸盐侵蚀性。
=0.5KN/m2,土壤最大冻结深度0.45m。
最大积雪厚度360mm,基本雪压S
2.4其他资料
1.底层室内主要地坪标高为士0.000,相当于绝对标高4
2.350m。
2.抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组均为第一组。
3.承包该工程的施工单位技术力量雄厚,施工水平较高,建筑材料以及各种半成品由承包公司负责组织供应。
建筑防火等级为二级,屋面防水等级为二级,建筑装饰等级为中级。
2.5建筑做法
2.5.1墙身做法
外墙为250厚加气混凝土砌块(容重8.5kN/m3,内墙为200厚加气混凝土砌块,均用M5混合砂浆砌筑;内墙为20厚1:
3水泥砂浆粉刷,外墙为陶瓷锦砖贴面。
2.5.2屋面做法
考虑到屋面防水等级(二级,现选用具有隔热层、保温层、隔汽层的高聚物改性沥青卷材防水屋面,具体做法详见图集《98ZJ001屋9》。
屋面为不上人屋面,屋面排水采用内排水。
2.5.3楼面做法
根据建筑的实际需求,具体做法详见图集《98ZJ001楼10》,《98ZJ001楼26》。
卫生间下沉0.03m。
2.5.4门窗做法
建筑入口处的门为玻璃折门,其余都为木门和铝合金窗,具体型号见附图门窗表。
2.5.5其他做法
其他构造做法另行再定。
2.6设计说明
确定结构方案和结构布置,选取一榀框架及柱下独立基础进行设计计算,现浇屋面的结构计算,楼梯构件的结构计算。
以计算为依据,结合结构的相关构造要求,完成基础平面布置图,屋面结构平面布置图,框架梁柱配筋图,楼梯构件配筋图。
3结构布置及结构选型3.1结构选型
3.1.1结构承重方案选择
根据建筑功能要求以及建筑施工的布置图,本工程采用全现浇框架结构,纵横墙承重体系。
3.1.2主要构件选型及尺寸初步估算
1主要构件选型
ⅰ梁﹑板﹑柱结构形式:
现浇钢筋混凝土结构;ⅱ墙体采用:
加气混凝土砌块;ⅲ墙体厚度:
外墙250mm,内墙200mm;ⅳ基础采用:
柱下独立基础。
2梁﹑柱截面尺寸估算
ⅰ框架梁
横向框架梁:
○
A~○
B;○
C~○
D(跨度l=6600mm梁高hb=(12
1
~81l=550mm~825mm,取700mm,
梁宽bb=250mm;
○
B~○
C(跨度l=2400mm梁高hb=(12
1
~81l=200mm~300mm,取300mm
梁宽bb=250mm;
纵向框架梁○
1~○2;○13~○14(跨度l=3600mm梁高hb=(12
1
~81l==300mm~450mm,取400mm;
梁宽bb=250mm;
○
2~○3,○3~○4…..○6~○7○8~○9,○9~○10…○12~○13(跨度l=4200mm梁高hb=(12
1
~81l==350mm~525mm,取450mm;
梁宽bb=250mm;
○
7~○8(跨度l=4800mm梁高hb=(12
1
~81l==400mm~600mm,取550mm;
梁宽bb=250mm;
ⅱ框架柱
预估:
cc
N
fAμ=NFgnβ=
n为验算截面以上楼层层数,
g为折算在单位建筑面积上的重力荷载代表值,框架结构近似取15kN/m2,F为按简支状态计算的柱的负荷面积,
β为考虑地震作用组合后柱轴压力增大系数,取1.1。
抗震等级四级的框架结构轴压比1.0μ=.(中柱为例
Ac3
10
*3.148*15*5.4*5.4*1.1≥=186923.08mm2
取所有柱为a×a=500mm×500mm。
ⅲ楼板
○1l02/l01=36006600=1.83○2l02/l01=42006600=1.57○3l02/l01=48006600
=1.375
○4l02/l01=2400
4200
=1.75
所有的板l02/l01≤2,都是双向板
板厚h=501l01=50
1
×4800=96mm,取100mm,
板厚都取100mm。
3.2确定结构计算简图
图3.1计算单元简图
3.3梁﹑柱惯性矩、线刚度计算
3.3.1梁,柱惯性矩
梁矩形截面惯性矩I0=
121bh3
柱矩形截面惯性矩I0=12
1
ab3
求梁截面惯性矩时考虑到现浇楼板的作用,中框架梁的惯性矩取I=2I0;边框架梁的I=1.5I03.3.2梁线刚度
○A~○B;○C~○Di=lIEc=l
Ec0I2*=12*4.27.0*25.0*2*3
cE=21.65×410-Ec.m3
○B~○Ci=lIEc=l
Ec0I2*=12*4.24.0*25.0*2*3
cE=11.11×410-Ec.m3
3.3.3柱线刚度
底层:
由于底层柱是刚接在基础上,所以地层柱要从基础顶面算起,计算高
度h=3.6+0.45+0.5=4.55m(0.45是室内外高差,0.5是室外地面到基础顶面距离
底层柱线刚度i=h
IEc=12*55.45.0*5.0*3
cE=11.45×410-Ec.m3
其他层柱线刚度i=h
IEc=12*6.35.0*5.0*3
cE=14.47×410-Ec.m3
图3.2框架线刚度表
4荷载统计
(取有代表性的一品框架,计算单元见三。
1
4.1恒载统计
4.1.1屋面板恒载
120mm厚现浇钢筋混凝土屋面板0.12×25=3.0kN/m2
高聚物改性沥青卷材防水屋面(屋9---98ZJ0012.20kN/m2
30mm厚混合砂浆粉刷底板0.03×17=0.51kN/m2
吊顶0.5kN/m2
屋面板恒荷载总共:
6.21kN/m2
4.1.2楼面板恒载
120mm厚现浇钢筋混凝土楼面板3.0kN/m2
陶瓷地砖楼面(楼10----98ZJ0010.70kN/m230mm厚混合砂浆粉刷底板0.03×17=0.51kN/m2
吊顶0.5kN/m2
楼面板恒荷载总共:
4.71kN/m2
4.1.3梁自重
横向框架梁自重:
○A~○B;○C~○D0.25×0.7×25=4.375kN/m
侧面粉刷2×(0.7-0.12×0.02×17=0.986kN/m
梁底面粉刷0.25×0.02×17=0.085kN/m
○A~○B;○C~○D框架梁自重5.45kN/m
○B~○C0.25×0.4×25=2.5kN/m
侧面粉刷2×(0.4-0.12×0.02×17=0.190kN/m
梁底面粉刷0.25×0.02×17=0.085kN/m
○B~○C框架梁自重1.97kN/m纵向框架梁自重○A,○B,○C,○D轴
梁自重:
0.25×0.45×25=2.81kN/m
侧面粉刷2×(0.45-0.1×0.02×17=0.24kN/m
底面粉刷0.25×0.02×17=0.09kN/m
纵向框架梁恒载:
3.14kN/m
4.1.4柱自重
底层柱0.5×0.5×4.55×25=28.44kN
粉刷(0.5×4-0.2×3×4.55×0.02×17=2.17kN
共30.61kN2到8层柱0.5×0.5×3.6×25=22.5kN
粉刷(0.5×4-0.2×3×3.6×0.02×17=1.71kN
共24.21kN4.1.5墙自重
外墙0.24×(3.6-0.45×5.5=4.16kN/m
粉刷2×(3.6-0.45×0.02×17=2.14kN/m
共6.30kN/m
内墙0.20×(3.6-0.7×5.5=3.19kN/m
粉刷2×(3.6-0.7×0.02×17=1.98kN/m
共5.17kN/m
4.1.6恒荷载作用下结构计算简图的确定
a.作用在顶层框架梁上的线荷载为:
g8AB1=g
8CD1
=5.45kN/m(这里的下标8表示第八层即顶层框架梁
g
8BC1
=2.78kN/m
双向板屋面分配到梁上的荷载
g
8AB2=g
8CD2
=6.21×4.2=26.08kN/m
g
8BC2
=6.21×2.4=14.90kN/m
b.作用在中间层框架梁上的线荷载为:
gAB1=g
CD1
=5.45+5.17=10.62kN/m
g
BC1
=2.78kN/m
双向板楼面分配到梁上的荷载
g
AB2=g
CD2
=4.71×4.2=19.78kN/m
g
BC2
=4.71×2.4=11.30kN/mc.屋面框架节点集中荷载标准值
顶层边节点集中荷载G
8A=G
8D
:
纵向边框架梁自重及粉刷1.97×4.2=8.27kN纵向边框架梁传来屋面自重0.5×4.2×0.5×4.2×6.21=27.39kN
G
8A=G
8D
=35.66kN
顶层中节点集中荷载G
8B=G
8C
:
纵向中框架梁自重及粉刷1.97×4.2=8.27kN纵向中框架梁传来屋面自重0.5×(4.2+4.2-2.4×1.2×6.21=22.36kN0.5×4.2×2.1×6.21=27.39kN
G
8B=G
8C
=58.02kN
d.楼面框架节点集中荷载标准值
中间层边节点集中荷载G
A=G
D
:
柱自重及粉刷24.21kN
纵向边框架梁自重及粉刷8.27kN纵向边框架梁上墙体及粉刷5.4×(4.2-0.5=19.98kN纵向边框架梁传来板面自重0.5×4.2×0.5×4.2×4.71=20.77kN
GA=G
D
=73.23kN
中间层中节点集中荷载G
B=G
C
:
柱自重及粉刷24.21kN
纵向中框架梁自重及粉刷8.27kN纵向中框架梁上墙体及粉刷4.18×(4.2-0.5=15.47kN纵向中框架梁传来屋面自重0.5×(4.2+4.2-2.4×1.2×4.71=16.96kN0.5×4.2×2.1×4.71=20.77kN
G
B=G
C
=85.68KN
e.恒载作用下的结构计算简图:
图4.1恒载作用下计算简图
4.2活荷载统计
4.2.1荷载分类
教室楼面2.0kN/m2楼梯,走廊2.5kN/m2不上人屋面0.5kN/m24.2.2活荷载分布情况
图4.2活荷载分布图
4.2.3活荷载计算
p8AB=p
8cd
=0.5×4.2=2.1kN/m;
p
8BC
=0.5×2.4=1.2kN/m;
P
8A=P
8D
=0.5×4.2×0.5×4.2×0.5=2.21kN;
P8B=P8C=0.5×(4.2+4.2-2.4×1.2×0.5+0.5×4.2×0.5×4.2×0.5=4.01kN;pAB=pCD=2.0×4.2=8.4kN/m;
pBC=2.5×2.4=
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