四层框架结构教学楼设计计算书

. 毕 业 设 计 结 构 计 算 书 指导老师：刘文华 .1、 结构选型与布置 (1)结构选型本建筑只有4层，且为教学楼，为便于办公及其他要求，采用大开间。为使结构的整体刚度较好，楼面、屋面、楼梯等主要受力构件均采用现浇框架结构。基础为柱下独立基础。(2) 结构布置 框架结构应设计成双向梁柱抗侧力体系，框架梁、柱中心线宜重合。根据建筑设计，本结构平面图布置如图所示。 图1-1 结构平面布置图本建筑柱距为4.1米，根据结构布置，本建筑板均为双向板，板厚120mm。本建筑的材料选用如下：混凝土：C30钢筋：纵向受力钢筋采用热轧钢筋HRB400，其余采用热轧钢筋HPB235墙体：外纵墙、分户墙采用灰砂砖，其尺寸为 ，重度门窗 ：钢塑 2、 框架计算简图和梁柱线刚度计算 图1-1所示的框架结构体系纵向和横向均为框架结构，是一个空间结构体系，理应按空间结构进行计算。但是，采用手算和借助简单的计算工具计算空间框架太过复杂，高层建筑混凝土结构技术规定（JGJ3-2002）允许在纵、横两个方向将其按平面框架计算。夲计算书只做横向平面框架计算，纵向平面框架的计算方法与横向相同，从略。本计算中，横向柱距4.1米，荷载基本相同，可选用一品框架进行计算与配筋，其余框架可参照次榀框架进行配筋。现以4号轴线的KL-4为计算单元。（1） 梁、柱截面尺寸估算 1）框架横梁截面尺寸框架横梁截面高度 ,截面宽度 。本结构中，取， , 2）框架柱截面尺寸底层柱轴力估算：假定结构每平方米总荷载设计值12kN，则底层中柱的轴力设计值约为：。采用C30混凝土浇捣，查的 。 假定柱子截面尺寸 ，则柱的轴压比为：故符合要求。框架梁、柱编号及截面尺寸如图1-1 。为了简化施工，各柱截面从底层到顶层不改变。 （2）确定框架计算简图框架的计算单元如图1-1所示。框架柱嵌固于基础顶面，框架梁与柱子刚接。由于各层柱的截面尺寸不变，故梁跨等于柱子截面形心轴线之间的距离。底层柱高从基础顶面算至二楼楼面，室内外高差为-0.35米，基础顶面至室外地坪为-1.5米，故基础顶标高至的距离为-1.60米，故底层柱高5.1米，其他层高3.6米。框架计算简图如图1-2 图1-2框架计算简图（3）框架梁柱的线刚度计算由于楼面板与框架梁的混凝土一起浇筑，对于中框架梁取二层以上柱线刚度=1.0，则其余各杆件的相对线刚度为： 令 则框架梁柱的相对线刚度如图1-3所示，作为计算各节点杆端弯矩的分配系数的依据。 图1-3 框架梁柱相对线刚度 3、 荷载计算为了便于以后内力组合，荷载计算按标准值计算且横活荷载分开计算。(1) 恒荷载标准值计算1)屋面保护层：30厚C20细石混凝土 隔离层：干铺塑料膜一层 防水层：聚氨酯涂膜 找平层：20厚1：3水泥砂浆 保温层：40厚挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板 找平层：20厚1:2水泥砂浆 结构层：120厚现浇钢筋混凝土板 抹灰层：10厚混合砂浆 合计：2) 各层楼面地砖面层30厚1:3干硬性水泥砂浆，面上撒2厚素水泥 水泥砂浆结合层一道结构层：120后现浇钢筋混凝土板 抹灰层：10厚混合砂浆 合计： 3）走廊楼面 地砖面层30厚1:3干硬性水泥砂浆，面上撒2厚素水泥 水泥砂浆结合层一道 结构层：120后现浇钢筋混凝土板 抹灰层：10厚混合砂浆 合计: 4) 梁自重bh=240400自重： 抹灰层：10厚混合砂浆 合计： 5） 柱自重bh=300400自重： 抹灰层：10厚混合砂浆 合计： 6） 外纵横墙自重标准层：纵墙： 铝合金窗： 水刷石外墙面： 水泥粉刷内墙面： 合计： 底层：纵墙（基础梁240400）: 铝合金窗： 水刷石外墙面： 水泥粉刷内墙面： 合计： 7） 内纵墙自重标准层：纵墙： 水泥粉刷内墙面： 合计： 底层纵墙： 水泥粉刷内墙面： 合计： （2） 活荷载标注计算。（1)屋面和楼面活荷载标准值。上人屋面：楼面： 走廊：（2）雪荷载标准值屋面活荷载与雪荷载不同时考虑、两者中取大值。（3）竖向荷载下框架受荷总图。（1）A-B轴间框架梁屋面板传给梁的荷载恒载： 活载： 楼面板传给梁荷载恒载： 活载： 梁自重标准值：则A-B轴间框架梁均布荷载为：屋面梁：恒载=梁自重+板传荷载 活载=板传荷载楼面梁：恒载=梁自重+板传荷载 活载=板传荷载（2） B-C轴间框架梁屋面板传给梁的荷载：恒载：活载：楼面板传给梁荷载：恒载：活载：梁自重标准值： 则B-C轴间框架梁均布荷载为:屋面梁恒载=梁自重+板传自重 活载=板传荷载 楼面梁恒载=梁自重+板传荷载 活载=板传荷载（3） C-D轴间框架梁屋面板传给梁荷载恒载： 活载： 楼面板传给梁荷载恒载：活载：梁自重：C-D轴间框架梁均布荷载为: 屋面梁：恒载=梁自重+板传荷载 活载=板传荷载 楼面梁：恒载=梁自重+板传荷载 活载=板传荷载（4）A轴柱纵向集中荷载计算：顶层柱：女儿墙自重（做法=墙高900,100高混凝土压顶） 天沟自重（玻璃瓦+现浇天沟）玻璃瓦自重：现浇天沟自重： 合计 顶层柱恒载=女儿墙及天沟+梁自重+板传荷载 顶层柱活载=板传荷载标准层柱恒载=墙自重+梁自重+板传荷载 标准层柱活载=板传荷载基础顶面荷载=底层外纵墙自重+基础梁自重 （6）B轴柱纵向集中荷载的计算 顶层柱恒载=梁自重+板传荷载 顶层柱活载=板传活载 标准层柱恒载=梁自重+板传荷载 标准层柱活载=板传荷载 基础顶面恒载=基础梁自重（7）C轴柱纵向集中荷载的计算 顶层柱恒载=梁自重+板传荷载 顶层活载=板传活载 顶层柱恒载=梁自重+板传荷载+墙自重 顶层活载=板传活载 基础顶面恒载=底层墙自重+基础梁自重 （8）D轴柱纵向集中荷载的计算同A轴柱 竖向荷载受荷载总图 1.图中各值单位为KN/m 2.图中数值均为标准值 3.括号内为活载标准值(4)风荷载标准值计算 作用在屋面梁和楼面梁节点处的集中风荷载标准值： 为了简化计算起见通常将计算单元范围内处墙面的分布风荷载，化 等量的作用于楼面集中风荷载，计算公式如下： 式中：基本风压 风压高度变化系数 风荷载体型系数本建筑 风振系数 下层柱高上层柱高.对顶层为女儿墙为女儿墙高度的2倍计算单元迎风面宽度 计算过程见下表：各层楼面处集中风荷载标准值离地高度Z(m)14.41.09 1.00 1.30 0.35 3.60 2.00 5.69 10.81.00 1.00 1.30 0.35 3.60 3.60 6.72 7.71.00 1.00 1.30 0.35 3.60 3.60 6.72 3.61.00 1.00 1.30 0.35 3.60 3.60 6.724、风荷载作用下的位移验算位移验算时，各荷载均采用标准值。（1） 侧移刚度D见下表横向框架2-4层D值的计算构件名称A轴柱0.330.14 28666 B轴柱0.200.09 6514 C轴柱0.40 0.17 18035 D轴柱0.40 0.17 18035 D之和71250 横向框架底层D值的计算构件名称A轴柱0.450.18 9823B轴柱0.270.12 3929C轴柱0.270.123929D轴柱0.270.12 3929D之和 21610（2） 风荷载作用下框架侧移计算风荷载作用下框架楼层层间位移与层高之比计算层次四5.69 5.69 71250 0.0001 1/36000三6.72 12.41 71250 0.0002 1/10800二6.72 19.13 71250 0.0003 1/7200一6.72 25.85 71250 0.0006 1/2200u/m0.0012 侧移动验算：有上表可知，对于框架结构，楼层层间最大位移与层高之比的限值为1/550.本框架的层间最大位移与层高之比在底层，其值为1/2200，满足1/22001/550.要求，框架抗侧移刚度足够。5、 内力计算:竖向恒载作用下，采用弯矩二次分配发计算其内力，水平荷载作用下，采用D值法计算内力。在内力分析前，应计算节点各杆件的弯矩分配系数以及在竖向荷载作用下各杆件的杆端固端弯矩。（1） 竖向荷载标准值作用下的内力计算1）由前面刚度比根据下式求的节点各杆端弯矩分配系： 均布荷载和集中荷载偏心引起的固端弯矩构成节点不平衡弯矩： 将固端弯矩及节点不平衡弯矩填入如下所示弯矩二次分配图，进行弯矩二次分配。 2）剪力计算根据结构力学取脱离体的方法计算： 式中：-简支梁支座左端和右端的剪力标准值，当梁上无荷载作用时， 为零，剪力以使所取隔离体产生顺时针转动为正。 -梁端弯矩标准值，以绕杆端顺时针为正，反之为负。3） 轴力计算已知某节点上柱传来的轴力和左右梁传来的剪力时，其下柱的轴力为： 式中：以压力为正，拉力为负。竖向荷载标准值作用下的弯矩二次分配图、弯矩图、剪力图、轴力图如下图所示： 竖向恒载作用下弯矩二次分配图 （2）水平风荷载的标准值作用下内力计算A轴框架柱反弯点位置层号h/myh/m43.60.33-0.30 000-0.30 -1.08 33.60.330.00 0.2000.20 0.72 23.60.330.20 0.3000.50 2.88 15.10.450.40 0.4000.80 4.08 B轴框架柱反弯点位置层号h/myh/m43.60.20 0.10 0.050.00 0.00 0.15 0.5433.60.20 0.25 0.050.00 0.00 0.30 1.08 23.60.20 0.35 0.05 0.00 0.00 0.40 1.44 15.10.27 0.40 0.05 0.00 0.00 0.45 2.30 C轴框架柱反弯点位置层号h/myh/m43.60.40 0.20 0.00 0.00 0.00 0.20 0.7233.60.40 0.30 0.00 0.00 0.00 0.30 1.0823.60.40 0.35 0.00 0.00 0.00 0.35 1.26 15.10.27 0.45 0.00 0.00 0.00 0.45 2.30 D轴框架柱反弯点位置层号h/myh/m43.60.40 0.20 0.00 0.00 0.00 0.20 0.72 33.60.40 0.30 0.00 0.00 0.00 0.30 1.08 23.60.40 0.35 0.00 0.00 0.00 0.35 1.26 15.10.27 0.45 0.00 0.00 0.00 0.45 2.30 风荷载作用下A轴框架柱剪力和梁柱端弯矩的计算层号yh/m45.6971250286660.40 2.29 -1.08 4.12 -0.92 4.12312.4171250286660.40 4.95 0.72 14.30 10.42 13.38219.1371250286660.40 7.64 2.88 13.7522.00 24.17125.852161098230.4511.63 4.08 11.86 47.45 33.86 风荷载作用下B轴框架柱剪力和梁柱端弯矩的计算层号yh/m45.697125065140.10 0.56 0.541.71 0.30 1.06 0.65 312.417125065140.10 1.24 1.08 3.12 1.34 2.13 1.29 219.137125065140.10 1.91 1.44 4.13 2.75 3.41 2.06 125.852161039290.18 4.65 2.30 13.04 10.70 9.83 5.96 风荷载作用下C轴框架柱剪力和梁柱端弯矩的计算层号yh/m45.6971250180350.25 1.42 0.724.09 1.02 2.55 1.54 312.4171250180350.25 3.11 1.087.84 3.36 5.52 3.34 219.1371250180350.25 4.78 1.26 11.19 6.02 9.06 5.49 125.852161039290.18 4.65 2.30 13.04 10.50 11.87 7.19 风荷载作用下D轴框架柱剪力和梁柱端弯矩的计算层号yh/m45.6971250180350.28 1.42 0.72 4.09 1.02 4.09 312.4171250180350.28 3.11 1.08 7.84 3.36 8.84 219.1371250180350.28 4.78 1.26 11.19 6.02 14.55 125.852161039290.27 4.65 2.30 13.04 9.30 19.06 风荷载作用下框架柱轴力与梁端剪力层号梁端剪力/kN柱轴力/kNAB跨BC跨CD跨A轴B轴C轴D轴42.270.56 1.42 -1.490.90 0.9-2.24 -2.242.830.0133.10 1.28 6.14 -4.071.30 2.2-4.86 -7.18.960.0226.53 3.35 7.78 -8.112.12 4.32-7.30 -14.418.160.0418.14 4.65 25.85 -13.522.91 7.23-9.54 -23.9430.170.076、 内力组合用于承载力计算的框架梁由可变荷载效应控制的基本组合表（梁AB）层部位及内力恒载活载左风右风组合项目值组合项目值组合项目值4左M-4.12 -2.32 4.52 -4.52 +0.7-13.64 V19.13 12.41-2.01 2.01 +0.732.947中M19.94 12.66 0.54 -0.54 +0.732.98 V右M25.85 11.63-3.41 3.41 +0.739.86V-47.45 -11.86 -2.01 2.01+0.7-60.71 1左M-1.483.12 25.85-25.85+0.719.735V15.74 11.63 -13.04 13.04+0.736.50中M10.70 9.83 -5.96 5.96 +0.724.70V右M18.58 10.01 -33.38 33.38 +0.752.00 V-44.70 -17.05 -15.34 15.34 +0.7-72.49 注：1、恒载为1.2 和1.2 2、活载、风载为1.4 和1.4 3、以上各值均为支座处弯矩和剪力4、 表中各弯矩单位为kNm,剪力为kN用于承载力计算的框架梁由永久荷载效应控制的基本组合表（梁AB）层部位及内力恒载活载组合项目值组合项目值组合项目值 4左M-4.77 -1.71 +-6.48 V33.86 13.19 中M33.86 11.63+45.49V右M47.45 11.86 +59.31V-51.53 -13.04 +-64.57 1左M-1.06 -2.30+-3.36 V37.4813.04 中M21.84 7.88 +29.72 V右M19.91 10.01 29.92V-51.70 -16.28 +-67.98 注：1、恒载为1.35和1.35 2、活载、风载为1.4和1.4 3、以上各值均为支座处弯矩和剪力4、表中各弯矩单位为kNm,剪力为kN用于承载力计算的框架梁由可变荷载效应控制的基本组合表（梁BC）层部位及内力恒载活载左风右风组合项目值组合项目值组合项目值6左M-82.38 -22.47 2.50 -2.50 +0.7-106.60 V50.0820.76-0.83 0.83 +0.771.42中M44.5211.960.03 -0.03 +0.756.50V右M79.7422.16-2.45 2.45 +0.7103.62V-49.28 -20.44 -0.83 0.83 1左M-54.78 -22.65 23.60 -23.60 +0.793.95V49.8620.71-7.67 7.67 +0.775.94中M44.5211.720.57 -0.57 +0.756.64V右M53.9024.05-22.46 22.46 +0.793.68V-49.50 -20.59 -7.67 7.67 用于承载力计算的框架梁由永久荷载效应控制的基本组合表（梁BC）层部位及内力恒载活载组合项目值组合项目值组合项目值4左M-92.38 -22.47 +-114.85 V60.7025.76+86.46中M55.5216.96+72.48V右M89.7427.16 +116.9V-59.28 -25.45 1左M-64.78 -27.56 +-92.34 V59.8525.71+85.56中M37.6316.72+54.35V右M34.0527.14+61.19V-59.50 -25.59用于承载力计算的框架梁由可变荷载效应控制的基本组合表（梁CD）层部位及内力恒载活载左风右风组合项目值组合项目值组合项目值4左M-15.94 -4.65 4.76 -4.76 +0.7-23.92 V51.7120.97-4.00 中M51.3012.970.00 0.00 +0.764.27V右M67.5020.03-4.76 4.76 +0.790.86V-47.65-20.3 -4.00 +0.7-70.75 1左M-24.05 -22.1 43.58 -43.58 +0.7-76.56 V50.8420.95-36.32 中M31.3911.720.00 0.00 +0.743.11V右M46.8220.44-43.58 43.58 +0.797.77V-48.52-20.3 -36.32 +0.7-94.24 用于承载力计算的框架梁由永久荷载效应控制的基本组合表（梁CD）层部位及内力恒载活载组合项目值组合项目值组合项目值4左M-17.94 -4.65 +-22.59 V9.57 3.25 中M9.501.18 +10.68V右M61.3067.50+128.8 V-47.65 -20.33 +-67.98 1左M-34.05 -27.14 +-61.19 V60.8425.95中M41.3916.72+58.11V右M56.8230.44+87.06V-58.52 -25.35+-82.87 用于承载力计算的框架柱由可变荷载效应控制的基本组合表（B轴柱）层部位及内力恒载活载左风右风组合项目值组合项目值组合项目值3上M24.668.1715.83-15.83+0.743.91+0.721.75+0.743.91N957.7364.7710.12-10.121329.551315.391329.55下M-17.02-7.02-12.9612.96+0.7-33.11+0.7-14.97+0.7-33.11N994.96364.7710.12-10.121366.811352.651366.81V0.270.140.87-0.871.02-0.21.021上M15.247.4912.78-12.78+0.731.68+0.713.78+0.731.68N1433.7548.4822.64-22.641998.031966.331998.03下M-9.92-5.11-51.1151.11+0.7-25.61+0.720.75+0.7-25.75N1489548.4822.64-22.642053.332021.632053.33V1.560.767.82-7.827.79-3.157.79用于承载力计算的框架柱由永久荷载效应控制的基本组合表（B轴柱）层部位及内力恒载活载组合项目值组合项目值组合项目值3上M29.6613.63+42.29N1077.4364.77+1442.17下M-28.42-13.55+-40.85N1119.3364.77+1484.07V0.30.14+0.441上M17.157.49+24.64N1612.9548.48+2161.38下M-9.92-4.18+-12.32N1675.1548.48+2223.58V1.750.76+2.517、截面设计与配筋计算查表得：混凝土C30:f=14.3N，f t=1.43, f=2.01钢筋强度：HPB235:f=210,f=235 HRB400:f=360,f=400(1) 框架柱截面设计1）轴压比验算 底层柱 Nmax=2223.58kN 轴压比 则B轴柱轴压比满足要求2)截面尺寸复核 取 因为 所以 满足要求3）正截面受弯承载力计算柱同一截面分别承受正反向弯矩，故采用对称配筋 B轴柱：一层：取最不利组合为: （永久荷载控制） （可变荷载控制）第一组内力 在弯矩中 设有由水平荷载产生的弯矩，柱的计算长度 取 取 按构造配筋，由于纵向受力钢筋采用HRB400，配筋率 查表得，每侧实配 418 （ ）第二组内力： 弯矩中由风荷载产生的弯矩大于75%，柱的计算长度h取下列中较小值 取 取 因为 取按构造配筋，同上 三层：最不利组合为 在弯矩中没有由水平荷载产生的弯矩，柱计算长度 取 因为 取按构造配筋 同上 每侧实配 418 （）4）.垂直于弯矩作用面的受压承压力验算一层： 查表得满足要求。5.）斜截面受剪承载力计算一层：最不利内力组合为：剪跨比 所以因为 所以 0所以构造配筋，取4肢箍8150，加密区间隔100。三层：最不利内力组合为： 剪跨比 所以 因为所以 V326.22V326.22V00.178 V326.22V326.22V00.217 0实配箍筋282002820028200(3) 楼板配筋设计 1) 板的计算跨度与板厚板厚：h=120mm跨度：AB跨： BC跨： CD跨： 2） 标准层板筋计算当时，查表得取 支座钢筋与跨中钢筋比当时，查表得取 支座钢筋与跨中钢筋比采用分离式配筋，跨中及支座各截面的受力钢筋关系为：AB跨板：3） 各界面的极限弯矩截面有效高度：4) 确定各截面所需钢筋用量将求的各截面的极限弯矩，根据支座支撑情况，带入公式得： BC跨板：5） 屋面板筋计算AB跨：BC跨：8、 楼梯设计设计资料：混凝土：C30 板内钢筋HPB235级，梁内受力钢筋HRB335级。 活荷载标准值：（1） 梯段板计算 1）确定板厚：梯段板跨度为 厚度为 取 2）荷载计算（取1m宽板带计算）楼梯斜板的倾斜角： 恒荷载：踏步重 斜板重 20mm水泥砂浆面层 20mm厚混合砂浆外刮大白 恒荷载标准值 恒荷载设计值 活荷载标准值 活荷载设计值 荷载总设计值 3）内力计算 计算跨度 跨中弯矩 4)配筋计算 梯段板受力钢筋选用12140（）每踏步下选用18构造筋。（2） 平台板计算（取1m宽板带作为计算单元） 1）荷载计算 恒荷载标准值：估算平台板厚为80mm，则自重为 20mm厚水泥砂浆面层 20mm混合砂浆打底刮大白底层 恒载标准值 恒载设计值 活载设计值 总荷载设计值 2）内力计算 计算跨度 跨中弯矩 3）配筋计算（） 按构造配筋，选用8200（）（3） 平台梁计算 1）荷载 梯段板传来 平台板传来 平台梁自重 截面尺寸估算为 2）内力计算 平台梁按简支梁计算，计算跨度 3)配筋计算A.正截面计算按第1类倒L形截面计算，翼缘宽度： 两者取小值，按计算 选用314的纵向钢筋（）B.斜截面设计按构造配筋，配6200双肢箍。9、基础设计设计基础混凝土采用。根据构造要求，在基础下设置C10厚100mm的混凝土垫层，室内外高差0.6m，基础顶面标高-1.00m，采用HRB335钢筋。该工程框架层数不多，地基土较为均匀，所以外柱选用柱下独立基础。地表1.0m内为填土，填土下为1.8m厚砂质粘土，再下为砾石层；砂质粘土和砾石允许承载力分别为280kN/m2和400kN/m2 。（1）A轴柱基础设计 1）初步选择基础底面积计算基础和回填土所受重力Gk 的基础埋深采用平均埋深,即 由公式得：由于偏心力矩不是很大，基础底面积酌情按20%扩大，即初步选择基础底面积为： 2）验算持力层的地基承载力基础及回填土所受重力Gk 为： 偏心距：所以，基底压力最大、最小值为： 所以 地基承载力满足要求。3） 计算基底净反力偏心距 基础底面地基净反力最大值和最小值为4） 确定基础高度（采用锥形基础）初步确定基础高度600mm，其下采用100mm后C10素混凝土垫层，则钢筋保护层厚度为40mm 。柱底对基础抗冲且验算冲切力设计值：抗冲切力值： 所以柱边对基础抗冲且力强度满足要求。5） 配筋计算截面处，基柱边地