计算书：北方某高校五层综合性教学楼建筑、结构设计

摘 要 设计题目为北方某高校五层综合性教学楼建筑、结构设计，建筑面积6000，建设地点在北方某市，抗震设防烈度为7度；上部结构采用钢筋混凝土结构，框架抗震等级为三级；基础采用柱下独立基础。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内力计算采用分层法。结构设计算重点是手算，并利用软件包中软件检验手算结果。关键词：北方某高校综合性教学楼建筑、结构设计，混凝土，钢筋混凝土结构，内力计算，配筋 AbstractThis graduation design topic is High school teaching building design. The building areas is 6000,and will be built in northern city .The earthquake forcitication intencity of the building is 7degree. The reinforced concrete to the upper structure was according to the height of the building. The aseiscuis classes of the frame is three. And the foundation of the building are Under column independent foundation .This design is divided into two parts.One is the architectural design,the other is construction design.The structure design is emphasis the graduation design, and the content of the graduated design mainly are: deciding the size of cross-section the for the frame structure, calculating the internal force and deformation of the frame structure under the action of wind load and earthquake action, analysing the internal force of frame caused by vertical permanent and variable loads. The “Equivalent base shear method” to calculate horizontal earthquake action is adopted and the “D value method” is used to calculate internal force caused by horizontal earthquake and wind loads,and the “separated floor method” is adpoted to calculate internal force of the frame structure under the action of vertical load. The point of structions calculation in this graduation design is artificial calculation, results of artificial calculations is checked with Satwe Software in PKPM.Key words：High school teaching building design, concrete, reinforced concrete structure structure, calculation for internal force, reinforcement目 录1 工程概况12 结构布置及计算简图13 重力荷载计算33.1 屋面及楼面的永久荷载标准值33.2 屋面及楼面可变荷载标准值33.3 梁、柱、墙、窗、门重力荷载计算43.4 重力荷载代表值44 框架侧移刚度计算54.1 横向框架侧移刚度计算55 横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移刚度计算75.1 横向水平地震作用下框架结构的内力和侧移刚度计算75.2 横向风荷载作用下框架结构的内力和侧移计算116 竖向荷载作用下框架结构的内力计算166.1 横向框架内力计算166.2 横向框架内力组合277 截面设计367.1 框架梁367.2 框架B柱配筋计算397.2.1 剪跨比和轴压比验算398 向板楼盖设计428.1 A板荷载设计438.2 其他板荷载设计459 楼梯设计469.1 踏步板计算479.2 楼梯斜梁计算4810 雨蓬板设计4910.1 雨蓬板抗弯承载力计算4910.2 雨篷粱在弯、剪、扭作用下的承载力计算5011 基础设计5211.1 初步选择基础尺寸5211.2 验算持力层地基承载力5311.3 地基变形特征验算5311.4 基础高度验算62致 谢67参 考 文 献68- 7 -1 工程概况大庆市拟兴建5层综合教学楼,建筑面积6000,拟建房屋所在地设计地震动参数=0.08,=0.35s,基本雪压=0.3,基本风压=,地面粗糙度为B类,土壤最大冻结深度为1.9m,地下水位位于地面下2.4m。 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,进行建筑平面、立面及剖面设计，其标准层建筑、结构平面图见图1。图1 建筑平面图及结构平面图主体结构共5层,层高均为4.2m。填充墙采用200 mm厚的混凝土空心砌块,门为木门,门洞尺寸为:。 窗为铝合金窗,洞口尺寸为,楼盖及屋盖采用现浇钢筋混凝土结构,楼盖厚为。梁截面高度按梁跨度的估算,由此估算的梁截面尺寸见表1,表中还给出了各层梁,柱和板的混凝土强度:,) ,。表1 梁截面尺寸(mm)及各层混凝土强度等级层次混凝土强度等级横梁纵梁次梁AB跨BC跨15柱截面尺寸根据式估算，该框架结构的抗震等级为三级，其轴压比限值，各层的重力荷载代表值近似取12，边柱及中柱的负载面积分别为和由式得第一层柱截面面积为：边柱： 中柱： 根据上述计算结果并综合考虑其他因素，本设计柱截面尺寸取值如下：1层楼梯间构造柱：。基础选用柱下独立基础基础埋深2.2m。框架结构计算简图如图2，取顶层柱的形心线作为框架柱轴线，梁轴线取至底板，25层柱高度即为层高，取4.2m。底层柱高度从基础底面取至一层板底，即。（a）横向框架 （b）纵向框架图2 框架结构计算简图3 重力荷载计算3.1 屋面及楼面的永久荷载标准值屋面（不上人）： 30厚细石混凝土保护层 三毡四油防水层 20厚水泥砂浆找平层 150厚水泥蛭石保温层 180厚钢筋混凝土板 V型轻钢龙骨吊顶 合计 15层楼面： 瓷砖地面（包括水泥初砂打底） 180厚钢筋混凝土板 V型轻钢龙骨吊顶 合计 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 楼面活荷载标准值 屋面雪荷载标准值 式中：3.3 梁、柱、墙、窗、门重力荷载计算 梁、柱可根据截面尺寸、材料、容重及粉刷等计算出单位长度上的重力荷载；对墙、门、窗等可计算出单位面积上的重力荷载，具体计算过程从略，计算结果见表2表2 梁、柱重力荷载标准值层次构件b/mh/mg/mn/kN/kN1边横梁0.40.6251.056.36.6281164.246978.29中横梁0.20.3251.051.5751.81446.31次梁0.20.55251.052.8886.624457.46纵梁0.30.6251.054.7256.0481360.80柱0.60.6251.19.97.1563936.2425边横梁0.40.6251.056.36.6281164.245370.53中横梁0.30.3251.051.5751.81446.31次梁0.20.55251.052.8886.624457.46纵梁0.30.6251.054.7256.0481360.80柱0.60.6251.19.94.2562328.48外墙墙体厚为400mm厚的混凝土空心砌块，外墙面25mm厚的水磨石0.55，内墙面为20mm厚的石灰砂浆，外墙单位面积重力荷载为：，内墙单位面积重力荷载为：，木门单位面积重力荷载为，铝合金窗单位面积重力荷载为。3.4 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如图3 表3 各层重力荷载代表值汇总表一层二层三层四层五层楼板恒荷6723.666723.666723.666723.669336.70楼板活荷2515.392515.392515.392515.392515.39柱子荷载3118.802318.402318.402318.401159.20梁荷载3186.003186.003186.003186.003186.00填充墙7666.206164.326164.324090.141876.14抹灰荷载3273.142448.202448.20 2410.221081.34门窗荷载21211518.6_女儿墙_547.43每层总载26504.223377.023371.021262.519702.2 图3 各质点重力荷载代表值4 框架侧移刚度计算4.1 横向框架侧移刚度计算横梁线刚度计算过程见表4，柱线刚度计算过程见表5 表4 横梁线刚度计算类别层次边横梁157200走道梁152400表5 柱线刚度计算表层的侧移刚度按式计算，计算结果见下表，表6表8 表6 中框架柱侧移刚度D值层次边柱（19根）中柱（19根）11.040.51112991.240.5411964441997250.780.28146860.9303216784597930表7 边框架柱侧移刚度D值层次边柱（6根）中柱（6根）10.770.4599700.920.4910856124956250.580.22115390.690.2613637151056表8 楼梯间框架柱侧移刚度D值层次A-4，A-14，D-9B-4,B-14,C-910.520.4088620.610.43952755167250.390.1683920.460.19996555071将上述不同情况下同层框架柱侧移刚度相加，及得框架各层层间侧移刚度，见表9。表9 横向框架层间侧移刚度（）层次123456221208040578040578040578040575 横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移刚度计算5.1 横向水平地震作用下框架结构的内力和侧移刚度计算5.1.1 横向自震周期计算结构顶点的假想侧移由式 计算，计算过程见表10。表10 结构顶点的假想侧移计算层次519702.219702.280405724.5448.1421262.540964.780405750.9423.6323371.064335.780405780.0372.7223377.087712.7804057109.1292.7126504.2114216.9622120183.6183.6按式计算基本周期，其中的量纲为m，取，则5.1.2 水平地震作用及楼层地震剪力计算本设计中，结构高度不超过40m，质量和刚度分布比较均匀，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。结构总水平地震作用标准值按式计算，即： =4660.1KN 因，所以应考虑顶部附加水平地震作用系数 各质点的水平地震作用 具体计算过程见表13，各楼层地震剪力按式计算，结果列入表11。表11 各质点横向水平地震作用及楼层地震剪力计算表层次522.419702.2441329.30.2881587.71587.7418.221262.5386977.50.2521087.52675.2314.023371.0327194.00.213919.23594.429.823377.0229094.60.150647.34241.715.626504.2148422.40.097418.44660.1各质点水平地震作用及楼层地震简力沿房屋高度的分布见图4（a）水平地震作用下的位移验算 (b) 层间剪力分布图4 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水平地震作用下框架结构的层间位移和顶点位移分别按式：计算，计算过程见表12，表中还计算了各层的层间弹性位移角。 表12 横向水平地震作用下的位移验算层次51587.78040571.5520.2842001/271042675.28040572.9018.7342001/144833594.48040574.0415.8342001/104024241.78040574.8511.7942001/86614660.16221206.946.9456001/807由表可见，最大层间弹性位移角发生在第1层，其值为，满足的要求。5.1.4 水平地震作用下框架内力计算以4轴线框架内力计算，其余框架计算从略。框架柱端剪力及弯矩按式 ；各柱反弯点高度比 本例中底层柱需考虑修正值y2，第二层柱需考虑修正值y1和y3，其余柱均无修正。计算结果见表13。 梁端弯矩、剪力及柱轴力分别按式 ； 具体计算过程见表14表13 各层柱端弯矩及剪力计算层次边柱中柱yy54.21242.88040571468620.700.780.3533.3761.971678425.940.930.3538.1370.8244.22330.38040571468640.740.780.4068.44143.141678448.640.930.4285.80118.4934.23249.58040571468656.800.780.45107.35131.211678467.830.930.45128.20156.6924.23896.88040571468668.120.780.47134.47151.641678481.340.930.50170.81170.8115.64315.36221201129978.371.040.67294.04144.831196482.991.240.65302.08162.66注：表中M量纲为KN.M,V量纲为KN，梁端弯矩、剪力及柱轴力分别按式 计算，其中梁线刚度取自表3具体计算过程见表14。表14 梁端弯矩、剪力及柱轴力计算层次边梁走道梁柱轴力边柱N中柱N561.979.827.29.9759.4911.332.429.51-9.97-19.544176.5127.897.228.39131.5625.062.462.26-38.36-53.413199.6531.647.232.12181.8738.792.491.91-70.84-113.202258.9941.057.241.67251.1747.842.4124.59-112.15-203.411279.3044.267.244.94280.1153.352.4138.94-157.09-297.41注：1）柱轴力中的负号表示拉力。当为左地震作用时，左侧两根柱为拉力，对应的右侧两根柱为压力。2）表中M单位为KN.M，V单位为KN，N单位为KN，l单位为m。水平地震作用下框架的弯矩图、梁端剪力图及柱轴力图如图5所示。 (a)框架弯矩图（可kN.m） （b）梁端剪力及柱轴力图（kN）图5 左地震作用下框架弯矩图、梁端剪力及柱轴力图5.2 横向风荷载作用下框架结构的内力和侧移计算5.2.1 风荷载标准值风荷载标准值按式计算，基本风压荷载规范查得（迎风面）和（背风面）。B类地区，查得， 0.17，查得，故取建筑平面图中轴线横向框架，其负载宽度为6.6m,由式得沿房屋高度的分布风荷载标准值根据各楼层标高处的高度查得，代入上式可得各楼层标高处的q(z)见表15， q(z)沿房屋高度的分布见图6（a）。 表15 沿房屋高度的分布风荷载标准值层次522.411.2671.4713.4442.153418.20.811.1801.3622.9701.856314.00.631.0731.2982.5741.60929.80.441.0001.2132.2421.40115.60.251.0001.1042.0401.275(a)风荷载沿房屋高度的验算（单位：kN/m） （b）等效节点集中风荷载（单位：kN/m）图6 框架上的风荷载荷载规范规定，对于高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋结构，应采用风振系数来考虑风压脉动的影响。框架结构分析时，应按静力等效原理将图7（a）的分布荷载转化为接点集中荷载如图6(b)所示。其计算过程如下： 5.2.2 风荷载作用下的水平位移验算根据图6（b）所示的水平荷载，由式计算层间剪力，然后依据表14求出轴线框架的层间侧移刚度，再按式计算各层的相对侧移和绝对侧移，计算过程见表15 表15 风荷载作用下框架层间剪力及侧移计算层次123457.1915.4517.6420.4312.8373.5466.3550.9033.2612.8346528629406294062940629401.581.050.810.530.201.582.633.443.974.171/35441/40001/51851/79251/21000由表15可见，风荷载作用下框架的最大层间位移角为，远小于，满足规范要求。5.2.3 风荷载作用下框架结构内力计算风荷载作用下框架结构内力计算过程与水平地震作用下的相同，计算过程见表16、表17。层次边柱中柱yy54.212.8362940146862.940.780.354.328.03167843.470.930.355.109.4744.233.2662940146867.630.780.4012.8219.23167848.990.930.4215.8615.8634.250.90629401468611.680.780.4522.0826.981678413.770.930.4526.0331.8124.266.35629401468615.230.780.4730.0633.901678417.950.930.5037.7037.7015.673.54465261129917.691.040.5664.3934.671196419.081.240.6552.0937.40表16 各层柱端弯矩及剪力计算表17 梁端弯矩、剪力及轴力计算层次边梁走道梁柱轴力边柱N中柱N58.031.287.21.297.951.512.43.94-1.29-2.65423.553.777.23.7922.684.322.411.25-5.08-10.11339.806.377.26.4140.047.632.419.86-11.49-23.56255.988.967.29.0253.5310.202.426.55-20.51-41.09164.7310.367.210.4363.0812.022.431.29-30.43-61.95注：柱轴力中的负号表示拉力。当为左风作用时，左侧两根柱为拉力，对应的右侧两根柱为压力。表中M单位为KN.m,V单位为KN, 单位为m。建筑图中轴线横向框架在风荷载作用下的弯矩、梁端剪力及柱轴力见图6(a)框架弯矩图（可kN.m） （b）梁端剪力及柱轴力图（kN）图6 风荷载作用下框架弯矩图、梁端剪力及柱轴力图6 竖向荷载作用下框架结构的内力计算6.1 横向框架内力计算 6.1.1 计算单元取轴线横向框架进行计算，计算单元宽度为6.6m，如图7所示由于房间内布置有次梁，故直接传给该框架的楼面荷载如图的水平阴影所示，计算单元范围内的其余楼面荷载则通过次梁纵向框架以集中力的形式传给横向框架，作用于各接点上，由于纵向框架梁的形心线与柱的中心不重和，因此在框架接点上作用有集中力矩。 图7 横向框架计算单元6.1.2 荷载计算 恒载计算:在图8中，代表横梁自重，为均布荷载形式。对于第5层，和分别为房间和走道板传给横梁的梯形荷载和三角形荷载，由图10所示几何关系可得： 、 分别为由边纵梁、中纵梁直接传给柱的荷载，它包括梁自重、楼板重和女儿墙等的重力荷载，计算如下： 图8 各层梁上作用的恒荷载 集中力矩 对14层，包括梁自重和其上横墙自重，为均布荷载。其他荷载计算方法同第5层，结果为 图10 恒荷弯矩传递二次分配 图11 框架恒荷弯矩图计算值 图12 恒荷作用下的V图（单位：kN）图13 恒荷作用下的N图（单位：kN）活荷载计算:活荷载作用下各层框架梁上的荷载分布如图9所示 图9 各层梁上作用的活荷载对于第顶层 对于第标准层 将以上计算结果汇总，见表17表17 横向框架恒载汇总表层次56.002.2522.9716.70263.60783.4925.531416.942.2517.4912.72317.10310.8431.21表18 横向框架活载汇总表层次51.651.211.8815.841.19146.64.847.5263.364.756.1.3 内力计算梁端、柱端弯矩采用弯矩二次分配法计算。由于结构和荷载均对称，故计算时可用半框架。弯矩计算过程如图18，梁端剪力可根据梁上竖向荷载引起的剪力与梁端弯矩引起的剪力相叠加而得，计算柱底轴力还要考虑柱的自重。下列图1017所示。 图14 活荷弯矩传递二次分配 图15 框架活荷弯矩图计算值 图16 活荷作用下的V图（单位：kN）图17 活荷作用下的N图（单位：kN）6.2 横向框架内力组合6.2.1 结构地震等级结构的抗震等级可根据结构类型、地震烈度、房屋高度等因素确定，本设计的框架为三级抗震等级。6.2.2 框架梁内力组合本设计考虑了四种内力组合，即1.2 及。此外，对于本设计，这种内力组合与考虑地震作用的组合相比一般较小，对结构设计不起控制作用，故不予考虑。各层梁的内力组合结果见表19，表中、两列中的梁端弯矩M为经过调幅后的弯矩（调幅系数取0.8）。层次截面内力SGKSQKSWKSEK1.2SGK+1.26(SQK+SWK)SQK1.4SQK一层AM-88.84-16.1164.73279.30-45.35-208.47197.45-383.49-136.04-129.16130.44V116.7321.1910.4332.37153.63179.9288.57155.90178.78169.74B左M-93.81-17.1551.06226.76-198.52-69.85-334.12137.54-143.79-136.58V118.5721.5731.29117.71208.89130.04246.601.76181.64172.48B右M-11.81-2.1612.0253.35-1.75-32.0443.11-67.86-18.10-17.2084.3V12.243.6031.29117.7158.65-20.20135.90-108.9420.1219.73跨间MAB78.1374.12-36.59-30.0263.6373.02MBC83.1141.48123.52-13.8160.8161.82三层AM-96.48 -17.51 39.80 199.65 -87.69 -187.99 106.61 -308.66 -147.76 -140.29 103.19V117.18 21.27 6.41 30.58 159.34 175.49 90.90 154.51 179.46 170.39 B左M-99.05 -18.08 32.41 143.08 -182.48 -100.80 -252.57 45.04 -151.80 -144.17 V118.12 21.49 19.86 104.54 193.85 143.80 232.43 14.99 180.95 171.83 B右M-9.51 -2.12 7.63 38.79 -4.47 -23.70 30.19 -50.49 -14.96 -14.38 101.38V12.24 3.60 19.86 104.54 -5.80 44.25 122.20 -95.24 20.12 19.73 跨间MAB65.0762.8830.2433.7550.5960.66MBC80.3053.24108.578.0865.5966.38 表19 框架梁内力组合表续表19 层次截面内力SGKSQKSWKSEK1.2SGK+1.26(SQK+SWK)SQK1.4SQK五层AM-65.88 -4.73 8.03 61.97 -74.90 -95.13 -1.07 -129.96 -93.67 -85.68 65.36V94.76 5.33 1.29 6.84 118.80 122.05 86.41 100.64 133.26 121.17 B左M72.61 -4.87 6.44 48.16 72.88 89.11 17.28 117.45 93.15 80.31 V95.26 5.39 3.94 23.03 126.07 116.14 117.99 70.09 133.99 121.86 B右M-13.99 -0.46 2.08 11.33 -14.75 -19.99 -1.87 -25.43 -19.35 -17.43 56.19V15.23 0.90 3.94 23.03 14.45 24.37 -8.90 39.00 21.46 19.54 跨间MAB64.0663.2553.8847.9351.4762.76MBC66.6261.3868.2941.4161.4563.89表20 横向框架A柱弯矩和轴力组合 层次截面内力SGKSQKSWKSEK1.2SGK+1.26(SQK+SWK)SQK1.4SQKNMM5柱顶M65.88 4.73 8.03 61.97 74.90 95.13 1.07 129.96 93.67 85.68 129.96 93.67 1.07 N358.36 17.21 1.29 9.97 450.09 453.34 341.92 362.66 501.00 454.13 362.66 501.00 341.92 柱底M-51.58 -7.40 4.32 33.37 -65.78 -76.66 -18.36 -87.77 -77.03 -72.26 -87.77 -77.03 -18.36 N396.16 17.21 1.29 9.97 498.70 495.45 378.21 398.94 552.03 499.49 398.94 552.03 378.21 4柱顶M46.35 9.51 19.23 143.14 43.37 91.83 197.93 -99.80 72.08 68.93 197.93 72.08 197.93 N830.53 85.98 3.79 28.39 1100.20 1109.75 809.05 868.10 1207.20 1117.01 809.05 1207.20 809.05 柱底M-48.23 -8.75 12.82 68.44 -52.75 -85.05 20.68 -121.68 -73.86 -70.13 -121.68 -73.86 20.68 N868.33 85.98 3.79 28.39 1145.56 1155.11 845.34 904.39 1258.23 1162.37 904.39 1258.23 845.34 3柱顶M48.23 8.75 26.98 131.21 34.91 102.90 -85.96 186.96 73.86 70.13 186.96 73.86 -85.96 N1302.61 154.77 6.41 32.12 1750.07 1766.22 1291.39 1358.20 1913.29 1779.81 1358.20 1913.29 1291.39 柱底M-49.38 -8.96 22.08 107.35 -42.72 -98.37 59.94 -163.35 -75.62 -71.80 -163.35 -75.62 59.94 N1340.41 154.77 6.41 32.12 1795.43 1811.58 1327.68 1394.49 1964.32 1825.17 1394.49 1964.32 1327.68 续表20 横向框架A柱弯矩和轴力组合 层次截面内力SGKSQKSWKSEK1.2SGK+1.26(SQK+SWK)SQK1.4SQKNMM2柱顶M46.21 8.38 33.90 151.64 23.30 108.72 -109.3 206.09 70.76 67.18 206.09 70.76 -109.3N1774.67 223.56 9.02 41.67 2399.9 2422.6 1767.6 1854.3 2619.3 2442.5 1854.32619.31767.6 柱底M-58.51 -10.61 30.06 134.47 -45.71 -121.4 78.59 -201.11 -89.60 -85.07 -201.11 -89.60 -201.11 N1812.47 223.56 9.02 41.67 2445.28 2468.0 1890.62 1803.94 2670.39 2487.9 1803.92670.31803.91柱顶M30.34 5.55 34.67 144.83 -0.28 87.09 182.41 -118.83 46.51 44.18 182.41 46.51 182.41 N2246.30 292.27 10.43 44.94 3050.68 3076.9 2343.4 2250.00 3324.7 3104.7 2343.4 3324.7 2343.4 柱底M-15.17 -2.75 67.36 294.04 63.20 -106.5 289.92 -321.6 -23.23 -22.05 -321.6 -23.23 289.92 N2296.70 292.27 10.43 44.94 3137.44 3111.1 2298.3 2391.86 3392.8 3165.2 2391.83392.8 2298.3 表21 横向框架A柱剪力组合（）层次SGKSQKSWKSEK1.2SGK+1.4(SQK+SWK)SQ