某科技大学综合教学楼设计

摘要

本毕业设计工程是华中科技大学综合教学楼设计，分为建筑设计和结构设计两部分。

建筑设计：根据设计任务书的要求和工程技术的条件，在满足总体规划的条件下，综

合考虑建筑物使用功能、结构、施工、经济及建筑艺术美观等方面因素，在此基础上提出

建筑设计方案。按照相关设计规范，确定建筑物的结构形式，完成剖立面设计。

结构设计：首先确定结构方案，再进行结构布置并确定结构构件尺寸，最后进行结构

计算。在确定框架布局和完成荷载统计后，计算出水平荷载作用（风荷载、地震作用）下

的结构内力。接着计算竖向荷载（恒载及活荷载）作用下的结构内力，找出最不利的一组

或几组内力组合，按最安全的结果计算配筋，绘制相关结构施工图。

关键词：框架结构；荷载统计；内力计算；内力组合；结构配筋设计

Abstract

Thegraduationdesignprojectisaboutarchitecturalandstructuraldesignofthe

comprehensiveteachingbuildingofHuazhongUniversityofScienceandTechnology,including

twoparts:

ArchitecturalDesign:Undertheconditionsoftheoverallplan,consideringtheusefunction,

structure,construction,economicandarchitecturalaestheticsandotherfactors,proposed

architecturaldesignbasedontheseconditionsaccordingtotherequirementsofdesign

specificationandengineeringtechnology

StructuralDesign:Firstlyweshoulddeterminethestructureoftheprogram,thenmakeit

clearthatstructuralarrangementanddimensionsofstructuralmembers,andfinallybegin

structurecalculations.Aftertheframelayoutandloadstatistics,Itcanbeobtainedthatstructure

internalforcesundertheactionofhorizontalloads(seismicloads,windloads).Thencalculate

thestructuralinternalforceundertheactionofverticalload(deadloadandliveload),andfind

oneorseveralsetsofthemostadversestructuralinternalforce,finallycomputingreinforcement

accordingtotheresultsofthemostsecuregroup,andfinishingtherelatedstructures

constructiondrawings.

[keywords]:framestructure;loadsstatistics;internalforcecalculation;internalforce

combinations;structuralreinforcementdesign

目录

一绪论.........................................................1

1.1设计资料.................................................1

1.2设计内容和方法............................................1

1.2.1建筑设计............................................1

1.2.2结构设计............................................1

二建筑设计.....................................................2

2.1设计概要.................................................2

2.2建筑平面设计..............................................2

2.3建筑立面设计.............................................2

2.4建筑剖面设计..............................................2

2.5装饰.....................................................2

2.6抗震设计................................................3

2.7楼梯设计.................................................3

2.8细部构造做法..............................................3

三结构设计技术条件............................................4

3.1工程概况.................................................4

3.2设计依据.................................................4

3.2.1国家依据............................................4

3.2.2地质勘查报告...........................................4

3.3结构总体布置.............................................4

3.4主要结构构件及墙体截面尺寸...............................4

四结构方案.....................................................5

4.1设计有关资料..............................................5

4.2构件及材料尺寸...........................................5

4.2.1框架柱..............................................5

4.2.2现浇板..............................................5

4.2.3框架梁..............................................5

4.3计算简图的确定...........................................6

4.4结构平面布置图..........................................7

五荷载统计.....................................................8

5.1恒载标准值计算............................................9

5.2活载标准值计算...........................................12

5.2.1框架活荷载标准值计算...............................12

5.2.2风荷载标准值........................................14

5.3地震作用.................................................15

5.3.1建筑物总重力荷载代表值Gi的计算....................15

5.3.2地震作用的计算.....................................17

5.4侧移验算.................................................18

5.4.1风荷载作用下的侧移验算.............................18

5.4.2地震作用下的侧移验算...............................19

六内力计算....................................................19

6.1内力计算方法..............................................19

6.2竖向荷载作用与水平荷载作用下的内力计算.................19

6.2.1恒载满布时一根框架的内力图........................19

6.2.2活荷载布置在边跨时的内力图.........................23

6.2.3活荷载布置在中间跨时的内力图.......................26

6.2.4活荷载满布时的内力图...............................29

6.2.5水平风荷载作用下的内力图...........................32

6.2.6地震作用下的内力图（左震）.........................35

6.3重力荷载作用下的内力计算................................38

七内力组合....................................................43

7.1组合原则................................................43

7.2横向框架梁内力组合......................................46

7.3框架柱内力组合..........................................51

八梁柱配筋计算...............................................57

8.1框架梁配筋计算...........................................57

8.2框架柱配筋计算..........................................59

九标准层楼板配筋计算.........................................62

9.1板设计资料.............................................62

9.2计算参数...............................................62

9.3弯矩计算...............................................62

十基础设计....................................................88

10.1基本资料..............................................88

10.2基础底面设计...........................................88

10.3基础结构设计..........................................92

致谢...........................................................99

参考文献......................................................100

-绪论

1.1设计资料

拟建工程为华中科技大学综合教学楼，位于湖北省武汉市中心，交通方便，地势平坦。

总建筑面积约5000m2；建筑层数5层，建筑高度19.2m左右，设有普通教室、合班教室、

教师休息室、实验室、办公室及其他辅助用房。工程采用框架结构，结构抗震等级为三级,

合理使用年限50年；耐火等级为二级，安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，地震加

速度值为0.10g,设计地震分组为第一组，II类建筑场地，基本雪压：0.5kN/m2；基本风压

2

0.35kN/mo

1.2设计内容和方法

1.2.1建筑设计

1.建筑方案设计

在已定的基地范围内，按照建筑使用要求，综合考虑建筑技术、经济条件、建筑艺术、

建筑环境等方面的要求，按照房屋建筑学、教学楼建筑设计规范、民用建筑设计防火规范

等相关知识进行建筑方案设计。

2.建筑图

利用CAD的软件完成绘图，包括建筑总平面图，标准层平面布置图、立面图、剖面

图、建筑构造节点详图。

1.2.2结构设计

(1)选择结构类型，包括结构布置及柱网尺寸。

(2)利用结构力学求解器计算内力。

(3)内力组合：查相关规范，按照要求进行内力组合。

(4)利用内力组合找出梁、柱控制截面的最不利内力设计值，调幅后进行框架梁柱

的配筋计算。

(5)标准层楼面板的内力及配筋计算

(6)基础设计

(7)根据制图标准进行结构施工图的绘制。

1

二建筑设计

2.1设计概要

房间的面积尺寸、大小、形状的确定

房间的尺寸指房间的开间和进深，一般要满足人们的活动要求及视听要求等。

主要使用房间面积的大小，是由房间内部活动特点、使用人数的多少等多种因素确定

的。

由于矩形平面体型简单，能充分利用有效面积，结构布置简单等优点，房间多为矩形。

1.门窗的位置及大小尺寸确定

房间门洞宽不应小于700mm,高不应低于2000mm()

2.交通联系空间的平面设计

根据相关规范规定，双面布房且大于40m的走道的最小净宽为1.8m,故本设计取走

道宽2.1m,以及两楼之间的走廊取3.0m。

2.2建筑平面设计

影响平面组合设计包括以下几个方面：

(1)使用功能：一是要合理分区；二是要有明确的流线组织。

(2)结构类型：综合考虑框架结构设计的诸多优点，本设计采用框架结构。

(3)建筑造型：使用简洁，完整的建筑造型，这样既有利于节约成本，又有利于结

构抗震

2.3建筑立面设计

建筑立面设计则偏重于对建筑物的各个立面以及其外表面上所有的构件，例如门窗、

雨篷、暴露的梁、柱等等的形式、比例关系和表面的装饰效果等进行仔细的推敲。

2.4建筑剖面设计

教室的窗户比较多，使得采光、通风良好，当进深较大时刻提高窗户高度。普通窗台

的高度一般为900mm,但有时功能需求不同时可相应变换。

本设计采用室内外高差为450mm。常将地坪设置的比本层地坪低20~50mm,本设计

中，卫生间的标高比本层楼面标高低20mm。

综合各方面因素考虑，本设计采用：首层层高3.30m,2~5层层高3.30m,上人屋面，

总高为19.2m,室内外高差取0.45m,女儿墙高度取1500mm。

2.5装饰

外墙颜色应与周围环境保持协调，且装饰上注重质量、和谐。外墙采用淡黄外墙漆，

窗户采用白色的塑钢窗。

2

2.6抗震设计

防震缝宽度应符合下列要求：

(1)框架结构(包括设置抗震墙的框架结构)房屋的防震缝宽度，当高度不超过15m

时不应小于100mm；高度超过15m时，6度、7度、8度和9度分别每增加高度5m、4m、

3m和2m,宜加宽20mm。

(2)防震缝两侧结构类型不同时，宜按需要较宽防震缝的结构类型和较低房屋高度

确定缝宽。

在本工程中，拟建建筑物采用框架结构，建筑物高度为19.2m,7度抗震设防，整个

建筑物呈“回”字型结构，为避免因地震造成建筑物整体振动不协调而产生破坏，在建筑

中部建筑结构体系发生改变的地方设置两道防震缝，各120mm2120mm,满足要求，使整

栋建筑物分隔成了四个相对独立的防震单元。

2.7楼梯设计

楼梯作为建筑物垂直交通的主要设施，设计时应满足以下几个方面的要求：

(1)疏散要求：楼梯的位置，数量，间距及宽度都应满足防火规范的疏散要求，做

到人流通行流畅，上下楼层联系便捷。

(2)使用要求：楼梯作为垂直交通主要设施，应位于建筑明显突出的位置，起到引

导人流的作用，因使用频率高应充分考虑其造型美观，并有良好的采光条件，给人以舒适

的感觉。

2.8细部构造做法

1.楼地面工程

内地面混凝土垫层设置纵横缝(平头缝)，细石混凝土地面面层设置分格缝，分格缝

与垫层缩缝对齐，缝宽20mm,内填沥青麻丝。

2.屋面工程

(1)屋面防水等级为二级。

(2)基层与突出屋面结构(女儿墙、墙、变形缝、管道、天沟、檐口)的转角处水

泥砂浆粉刷均做成圆弧或圆角。

3.门窗工程

玻璃幕墙的安装和施工应严格遵守超现行的玻璃幕墙工程技术的要求。

4.基础工程

本设计基础的安全等级为二级，独立基础是柱基础中最常用和最经济的型式，本工程

采用独立基础和联合基础。

基础埋置埋深的选择应考虑：

基础顶面宜低于室外设计地面，同时有要便于周围排水沟的布置。

3

三结构设计技术条件

3.1工程概况

项目名称：华中科技大学综合教学楼设计

建筑地点：武汉市

建筑面积：5000m2

建筑高度：19.2m

层高：首层3.3m2-5层3.3m

层数：5层

3.2设计依据

3.2.1国家依据

(1)国家标准.建筑结构荷载规范(GB50009-2012)

(2)国家标准.混凝土结构设计规范(GB50010-2010)

(3)国家标准.建筑抗震设计规范(GB50011-2010)

(4)国家标准.建筑地基基础设计规范(GB50007-2011)

3.2.2地质勘查报告

建筑场地地势平坦，设计地震分组为第一组，地震加速度值为0.10g,场地为H类,

f“k=200k/?ao

3.3结构总体布置

在地震区，要尽可能的采用对抗震有利的结构布置形式，使结构布置规则匀称，并使

结构刚度均匀而连续，避免刚度突变。

本工程七度设防，故设置防震缝120mm满足要求。基础以上部分全部断开。

3.4主要结构构件及墙体截面尺寸

本工程采用的构件设计尺寸按规范估算得出，计算过程详见4.2,结果如下：

柱尺寸：450mmx450mm

梁尺寸：框架梁：250mmx600mm,250mmx500mm,250mmx750mm；走廊位置:

250mmx450mm；次梁：250mmx400mm

板厚度：楼面板：100mm；屋面板：120mm；卫生间板：80mm

墙体厚度：外墙：250mm；内墙：200mm；女儿墙：250mm

4

四结构方案

4.1设计有关资料

地点：华中科技大学综合教学楼

抗震设防：抗震设防烈度为七度，地震加速度值为0.10g,设计地震分组为第一组，

II类场地。建筑物安全等级为二级。

基本风压：035kNIm1,基本雪压：D.5kNI/

4.2构件及材料尺寸

本工程主体结构为六层，H<24m,抗震设防烈度为7度，根据《建筑抗震设计规范》

(GB5011-2010)第6.1.2条和第636条规定，本框架结构房屋的抗震等级为三级，轴压

比限值［分］=0-85，取用C30混凝土，力=14.3河/加心.力=1.43河/加2。

4.2.1框架柱

框架边柱的负载面积：4.5x6.0mm2

框架中柱的负载面积：(4.5x3.0+4.5x1.05)mm2

取各层的重力荷载代表值为llkN/n?,边柱轴力增大系数：1.3,中柱轴力增大系数：

1.2,则柱截面尺寸估算为：

、力什.1.3x4.5x6.0xl03xllx6

边柱：A=----------------------=190588nun22

r°0.85x14.3

1.2x18.225xlQ3xllx6

中柱:A,=118751nvn2

0.85x14.3

柱尺寸取1~5层，设计柱尺寸：边柱：450mmX450mm,中柱：450mmX450mmo

4.2.2现浇板

楼盖及屋盖均采用现浇混凝土结构，据工程经验：

h>(“ax/45=4500/45=100mm,h>hmin-80mm

取屋面板h=120mm,一般楼面板h=100mm,卫生间板厚80mm。

4.2.3框架梁

主梁截面按跨度的1/87/12估算，次梁截面按跨度的1/15~1/18估算，梁截面宽度均

按梁截面高度的1/4-1/2,梁截面尺寸如下表：

5

表4.1梁截面尺寸及混凝土强度等级

构件混凝土强度等级b/mmH/mm

1~2/3~4跨C30250500

2~3跨C30250400

纵梁C30250600

次梁C30250400

4.3计算简图的确定

本工程采用柱下独立基础和联合基础，假定基础顶面标高为-1.200m,则底层柱高为

4.5m,其他各层柱高为3.3m。

梁线刚度计算：

表4.2框架梁线刚度计算表

磴弹性模量截面尺寸惯性矩跨度梁线刚度系数*梁线刚

类别相对线刚度

Ec(kN/min2)b*h(mm2)Io(mm1)L(mm)EcIo/L(kN*m)度(kN•m)

边梁3*IO，250*6004.5*10960002.25*10"3.375*1041.000

中框梁3*107250*4001.33*IO921001.901*10*3.80*1041.126

表4.3框架柱线刚度计算表

碎弹性模量截面尺寸惯性矩跨度梁线刚度系数*梁线刚

类别相对线刚度

Ec(kN/mm2)b*h(mm2)Io(mm1)L(mm)EcL/L(kN・m)度(kN•m)

底层框架边柱3*107450*4503.417*10945002.278*IO42.278*1040.675

底层框架中柱3*107450*45003.417*10945002.278*1042.278*IO40.675

标准层边柱3*107450*4503.417*/33003.106*IO43.106*1040.920

标准层中柱3*107450*4503.417*10"33003.106*IO43.106*1040.920

6

本结构横向框架计算简图如图4.1所示。

,26

.01'J

o

qj

n.

图4.1框架计算简图

4.4结构平面布置图

具体内容见设计图纸。

7

五荷载统计

框架结构一般承担的荷载主要有：楼（屋）面恒载、使用活荷载、风荷载、地震作用

及框架自重。

楼（屋）面恒、活荷载的传递路线：楼面竖向荷载一楼面板一梁（主梁、次梁）一柱

一基础一地基。

双向板荷载的传递路线：楼面竖向荷载一楼板一纵横向框架梁-柱-基础―地基。

选择E轴所在位置的一根框架进行计算。

荷载传递图如5.1所示：

图5.1荷载传递图

8

5.1恒载标准值计算

屋面：

找平层：15厚水泥砂浆0.015*20=0.30kN/m2

防水层：40厚C20细石混凝土防水1.0kN/m2

防水层：三毡四油铺小石子0.4kN/m2

找平层：15厚水泥砂浆0.015*20=0.30kN/m2

找坡层：40厚水泥石灰焦渣砂浆0.3%找平0.04*14=0.56kN/m2

保温层：80厚矿渣水泥0.08*14.5=0.16kN/m2

结构层：120现浇钢筋混凝土板120*0.001*25=3.0kN/m2

10厚板底抹灰0.01*17=0.17kN/m2

合计：6.89kN/m2

楼地面：

面层：水磨石地面0.65kN/m2

结构层：100厚C30钢筋混凝土现浇板100*0.001*25=2.5kN/m2

10板底抹灰0.01*17=0.17kN/m2

合计：3.32kN/nf

梁的计算：

表5.1梁恒荷载标准值计算表

梁截面尺寸截面面积标准值

b/mh/mA/m2板厚100(kN/m)板厚120(kN/m)

0.250.750.1885.095.08

0.250.650.1634.424.41

0.250.60.154.074.06

0.250.50.1253.393.38

0.250.40.102.722.71

标准值计算公式：25*A+17*[b+2*（h-板厚）]*0.0015

9

墙的计算:

墙厚具体做法取值（kN/m2）

外侧水刷石（0.5）

250（外墙）250厚加气混凝土块（0.25*7.5）2.72

两侧石灰粗砂（0.34）

两侧石灰粗砂（0.34*2）

200（内墙）2.18

200厚加气混凝土块（0.2*7.5）

两侧水泥砂浆：（0.36*2）

150（卫生间）1.85

150厚加气混凝土块（7.5*0.15）

标准值计算公式：25*A+17*[b+2*（h-板厚）]*0.015

①〜④轴梁上恒荷载标准值

表5.3①〜④轴梁上恒荷载标准值

轴线①〜⑷轴恒荷载（均布力）标准值计算（单位：kN/m）

层号传荷构件（1-2/3—4）2-3

墙5.886（均布）5.886（均布）

左7.47（梯形）3.486（三角形）

2〜5板

右7.47（梯形）3.486（三角形）

梁4.07（均布）2.72（均布）

墙0.000.00

左15.50（梯形）7.23（三角形）

屋面板

右15.50（梯形）7.23（三角形）

梁4.06（均布）2.71（均布）

①〜④轴梁上集中恒荷载标准值

表5.4①〜④轴梁上集中恒荷载标准值

层号轴号传荷构件计算过程取值（kN）

板[0.5*（1.5+6.0）*2.25*3.32+0.5*4,5*2.25*3.3244.82

梁0.5*6*2.72+4.07*4.526.48

2〜5①/④墙2.72*（4.5-0.45）*（3.3-0.5）+0.5*2.18*2.1*（3.3-0.6）37.03

柱25*0.452*3.316.71

小计125.04

10

板0.5*(1.5+6)*2.25*6.89+0.5*4.5*2.25*6.8993.02

梁0.5*6*2.71+4.06*4.526.4

屋面①/⑹墙2.72*4.5*1.518.36

柱00.00

小计137.78

板00.00

梁0.6*6*2.72+4.07*4.526.48

1①/④墙2.72*(4.5-0.45)*(4.5-0.5)+0.5*2.18*2.1*(4.5-0.6)52.99

柱25*0.452*4.528.13

小计102.25

[0.5*(6+1.5)*2.25+0.5*4.5*2.25*+0.5*1.05*2.1]*3.32

板48.48

②/③梁0.5*6*4.07+4.5*3.39+1.05*2.7230.32

2〜6

墙2.18*0-0.45)*(3.3-0.5)+0.5*2.18*(6-0.45)*(3.3-0.6)68.52

柱25*0.452*3.316.71

小计164.03

板[0.5*(6+1.5)*2.25+4.5*2.25*0.5+2.1*1.05*0,5]*6.89100.61

梁4.06*(6+1.05)+3.38*4.5+2.71*1.0546.68

HHII②/③墙00.00

柱00.00

小计147.29

板00.00

梁4.07*(6+1.05)+3.39*4.5+2.72*1.0546.8

2.18*(4.5-0.45)

1②/③墙58.91

*(4.5-0.5)+0.5*2.18*(6-0.45)*(4.5-0.6)

柱25*0.452*4.522.78

小计128.49

11

E框架恒荷载计算简图如下

5.2活载标准值计算

5.2.1框架活荷载标准值计算

上人屋面、一般楼面活荷载取2.0kN/m2o建设地点为湖北武汉市，基本雪压为

0.50kN/m2,按50年一遇，取OSkN/mn?,屋面活荷载标准值大于雪荷载标注值，因此组

合时不考虑雪荷载。

轴线①〜④梁上活荷载标准值计算见表5.5

轴线①〜④柱上活荷载标准值计算见表5.6

12

表5.5①〜④轴梁上集中活荷载标准值计算（单位：kN）

层号传荷构件©-©/③-④0-0

左4.5（梯形）2.1（三角形）

2/5板

右4.5（梯形）2.1（三角形）

左4.5（梯形）2.1（三角形）

屋面板

右4.5（梯形）2.1（三角形）

表5.6。〜④轴梁上集中活荷载标准值计算（单位：kN）

层号轴号传荷构件计算过程取值（kN）

2—屋面①/④板[0.5*(6+1,5)*2.25+0.5*4.5*2.25]*227.0

0.5*(1.5+6)*2.25*2+0.5*4.5*2.25*2+0.5*(2.3+4.5)

2—屋面②/③板/梁36.345

*1.05*2+1.05*2.1*0.5*2

框架上活荷载计算简图如下图5.3所示:

13

5.2.2风荷载标准值

风压标准值计算公式为：Wk=pzMsnz®0,基本风压以=0.35kN/m2。本工程位于城市

中心，地面粗糙度为C类。因结构高度H=18.95m<30m(从室外地面算起)，可取风振系

数6z=L0；对于矩形平面口5=0.8-(-0.5)=1.3；〃z可查《建筑结构荷载规范》。规范中〃z

的取值如下表5.7所示：

表5.7的取值

离地面高/m510152030

牝0.650.650.650.740.88

表5.即z的实际取值

离地面高/m3.956.959.9512.9515.9518.95

0.650.650.650.650.65810.7121

表5.9风荷载标准值Pk

离地高度

层数AUs牝%B(m)H(m)Pk(kN)

z(m)

516.951.01.30.65350.354.53.04.415

413.651.01.30.650.354.53.04.392

310.351.01.30.650.354.53.04.392

27.051.01.30.650.354.53.04.392

13.751.01.30.650.354.53.2754.359

14

风荷载计算简图如下:

4.415

Q

管

同

4392

8

宿

4.392

舄

r-n

L咕9—

8

LT3

160DQ|210015000___________

图5.4框架上风荷载计算简图

5.3地震作用

5.3.1建筑物总重力荷载代表值G,的计算

表5.10建筑物总重力荷载代表值的计算

层号传荷构件计算过程取值(kN)

楼面活载0.5*2.0*14.1*29.1410.03

板3.32*(14.1*29.1-3*6)1302.47

1梁4.07*6*14+3.39*12*4.5+0.1*8*6+0.1*(11*2.1+3*4)+5.09*2*9543.47

外墙：2.72*[(14.1+29.1)*2-8.1]*(0,5*0.5*4.5+3.3*0.5-0.5)

墙604.20

内墙：2.18*4.5*2*(3.3-0.5)+2.18*(8+3)*(3.3-0.6)

15

柱25*0.452*(3.3*0.5+4.5*0.5-0.1)*27406.27

楼梯3.0*6.0*3.32*3.32*0.598.61

小计3365.05