常州市某职业技术学院教学楼建筑与结构设计说明书

常州市某职业技术学院教学楼建筑及结构设计摘要：本课题的设计内容是常州市某职业技术学院教学楼，根据所提供的设计条件进行建筑设计和结构设计，并且结合所在地区的材料供应情况和施工能力，确定合理的结构布置方案，进而确定框架梁、板、柱、楼面、屋面、楼梯、基础等其他构件的形式与尺寸。本设计主要进行了建筑、结构施工图设计。设计开始应用PKPM结构计算软件进行结构设计，选取5轴的框架为例，设计内容包括内力荷载计算、内力组合、框架梁柱的配筋、基础设计、零星构件（次梁、板、楼梯）设计等。本计算书所有内容均以最新规范规定为依据。关键词：建筑设计 结构设计 荷载 内力 配筋Abstract: This design content is a university student hostel in Taizhou, according to the conditions provided by the design of architectural design and structural design, which combines the material supply area and construction capabilities in order to determine a reasonable layout of the program structure and determine the forms and sizes of the beams, plates, columns, floors, roofs, stairs, foundations and other components. The design is mainly for the construction and structural construction design .Design begins to use PKPM structural calculation software design. I select the 5-axis frame, for example. The design load calculation includes internal force, internal force composition, the framework of reinforcement beams, foundation design, scattered component (sub beams, plates, stairs) design and so on. All contents of this calculation are based on the latest specification.Keywords: Architectural design Structural design Load Internal force Reinforcement1 工程概况本工程为常州市某职业技术学院教学楼，三类场地，7度的抗震设防，教学楼总体建筑面积约5200平方米，实地面积约为5153.4平方米，按功能及结构分为四层。建筑采用钢筋混凝土框架结构，总体上为对称结构。底层由于考虑到门厅、室内外高差以及基础埋深的原因，底层采用4.9米的层高，其他层采用3.9米的层高。整栋建筑设有主出入口一个，辅出入口2个，楼梯2部。内部采用内廊外廊相结合式设计，即内部走廊的两侧都是教室，按照教室的使用功能合理安排教室的面积大小。外廊设置在两边，对应的是实验室。每层都设置教室休息室，独立卫生间，开水房方便老师和学生使用。2 建筑设计本次毕业设计的课题为常州市某职业技术学院教学楼建筑与结构设计,结合以前教学楼的特点与形式 ,设计的一座具有现代化气息的教学楼。建筑设计是一项以人为本的设计工作，设计中应以实用为基础，充分考虑功能上的实用要求，包括功能分区、人体尺度、家具尺度、空间设计、流线组织等，满足人们居住、生活、工作、学习等不同需要，真正做到合理、舒适、可行。建筑物的设计和建造直接受到自然环境条件的影响和制约，这也是决定建筑设计的一个重要方面，关系到建筑物的平面布置、形体组合、立面造型等。2.1平面设计建筑平面设计主要应考虑建筑物所处的环境及其功能要求，同时又要兼顾结构平面布置的规则和合理；此外，考虑到抗震设计的一些要求，建筑物应力求规则。因此，本次设计在平面上采用“凹”字形、内廊,外廊相结合式的平面布置。对该平面设计作如下说明：本设计柱网上采用6.3m8.1m和8.1m8.4m【1】。走廊采用了内廊外廊相结合式结构布置。内廊宽3.3m，外廊宽3.6m以满足人流要求。同时设有两部楼梯，兼做消防楼梯。2.2立面设计结合平面设计中框架柱的布置，立面上主要采用竖向划分，外观上显得大方、挺拔、气派；同时，考虑到框架结构的优点，柱间全开窗不用墙，使窗与柱形成了有节奏的虚实对比，显得明快、活泼，同时也得到了良好的采光效果。大门设于正中间，使整个建筑物显得美观大方。大门设有左右两扇门，使整个大门显得大气；雨蓬的运用，和大门的设置一同起到了突出主要入口功能，起到了吸引人流导向的作用。2.3剖面设计建筑剖面图是表示建筑物在垂直方向上房屋内部各部分的组合，剖面设计主要表现了建筑物内部结构构造关系，以及建筑高度、层高、建筑空间的组合与利用，它和房屋的使用、造价有着密切地联系，同时也是反映了建筑标准的一个重要方面，具体的问题需要结合平面、剖面的情况，探讨研究才能确定下来。本设计建筑物的质量和刚度沿着高度的变化均匀，楼层没有错层，满足抗震相关要求。2.4细部构造设计建筑方案完成后主要进行构造方案设计，合理地确定屋面、楼地面、墙面、门窗等部位的构造方案，以及楼梯设计、踏步和扶手的构造选型，对特殊的部位（如女儿墙、散水、台阶等）进行构造处理。3 PKPM设计PKPM软件在我国市场中占有绝对优势，拥有用户上过万家，市场占有率达到90%以上，现在已经成为国内应用最为广泛的CAD系统。PMCAD是整个结构CAD的核心，它建立的全楼结构模型是PKPM二维、三维结构计算软件的前处理部分，也是梁、柱、剪力墙、楼板等施工图设计软件和基础CAD的必备接口软件。3.1结构布置及构件尺寸的确定多层框架结构主要承受竖向荷载。柱网布置时既要满足生产工艺和建筑平面的布置要求，又要考虑到结构在竖向荷载作用下内力分布均匀合理，使构件材料强度均能充分利用，施工方便。所以根据建筑方案的设计要求，采用内廊外廊相结合的方式，对称布置，确定结构平面布置，如图3.1所示。图3.1 结构平面布置图接着初步确定梁柱的尺寸，可运用经验公式进行估算，公式如下【2】：主梁：，次梁：，柱子：3.2材料的选择板: 采用C30混凝土，钢筋选用HPB235钢筋；梁: 采用C30混凝土，纵筋采用HRB335钢筋，箍筋采用HPB235钢筋；柱: 采用C30混凝土，纵筋采用HRB335钢筋，箍筋采用HPB235钢筋；基础：采用C30混凝土，纵筋采用HPB335钢筋。3.3荷载的输入及参数的设定荷载输入主要有恒荷载与活荷载两个主要部分，恒荷载输入有梁间荷载输入和楼面、屋顶恒荷载输入，活荷载输入有楼面活荷载和屋顶活荷载。进行PKPM电算过程中需要确定一些参数，例如地震分组，抗震等级，基本风压与雪压等等，选取正确的参数对电算的结果有很大的影响，因此我们要结合提供的一些设计信息，来确定参数的取值，让结果更加的精确。3.4 PKPM电算流程及成果PMCAD软件开始通过人机交互方式，一开始逐步的引导我们逐层进行楼面布置，荷载输入，再确定每层层高从而建立起一套描述建筑整体结构的数据。用PKPM电算程序进行结构设计，经历三个步骤：建模、计算和绘制施工图。一开始建模的过程，在PMCAD先画轴线，生成网格，接着进行梁柱的布置，相关的设计参数也要修改，如场地类别，设计地震分组，基本风压，基本雪压等等，接下来进行梁间的荷载与楼屋面的恒载与活载输入，之后进行楼层定义，确定标准层与荷载层的层数及层高、楼层信息的归属，这样建模就好了。其他的子菜单可进行板厚与楼面恒载活载的局部修改，如楼梯的恒载，卫生间的板厚等等，接着就是荷载传导了，最后到生成PK文件了。同时在TAT菜单中开始转入结构分析计算，然后在PK菜单中进行数据交互与计算所选择的一榀框架，经过计算生成内力图，包括恒载内力图，活载内力图，风载内力图，地震作用内力图等，形成框架，连续梁，板，柱等PK数据，最后就可以生成相关的施工图了。4 框架设计框架结构的受力为空间受力体系，本身属于一种柔性结构，因而在水平荷载作用下，侧向的位移比较大，为了进行简化，取KJ-5进行计算，底层柱高=层高+室内外高差+基础顶面至室外地面高度，初步估计底层柱高为4.9【4】。4.1竖向荷载作用下框架的内力计算在竖向荷载计算中,为了简化计算,根据荷载传递路线最短的原则将横向框架梁上的双向板所承担的荷载以三角形分布荷载或梯形分布荷载传递给框架梁上;计算单元范围内的其余楼面荷载则通过次梁和纵向框架梁以集中力的形式传给横向框架。竖向荷载作用下框架的内力计算，有三种方法：分层法、迭代法、弯矩二次分配法。分层法主要用于框架的结构与荷载沿高度分布比较均匀时，不足之处是计算所得的框架节点处的弯矩之和常常不能平衡；迭代法一般用于计算有侧移与不规则的框架结构，其计算过程比较复杂，容易出错；弯矩二次分配法可用于无侧移、规则的框架，精确度要比分层法高。考虑本次设计的框架的对称性，采用弯矩二次分配法。弯矩二次分配法的计算步骤如下：（1）求出各节点杆件的弯矩分配系数（2）求出梁在竖向荷载作用下的固端弯矩M（3）将节点不平衡弯矩分配传递（4）再一次分配，求出各梁端弯矩4.2风荷载作用下框架的内力计算作用在屋面梁和楼面梁节点处的集中荷载标准值：其中为基本风压，根据所属地区泰州查建筑结构荷载规范可知；风压高度变化系数，地面粗糙度为B类；风荷载体型系数，对于矩形平面，可取值为1.3；为风振系数，因房屋高度小于30m，所以风振系数可取1.0；4.2.1风荷载作用下的位移计算进行风荷载作用下的位移验算满足式。4.2.2风荷载作用下的内力计算框架在风荷载下的内力计算方法可采用反弯点法和D值法。反弯点法假定梁柱之间的线刚度之比为无穷大，并假定柱的反弯点高度为一定值，使计算结果带来一定的误差。在本次设计中，梁柱的线刚度较为接近，风荷载下的内力采用D值法【5】。D值法计算步骤为：（1）求各柱反弯点处的剪力值；（2）求各柱反弯点的高度；（3）求各柱的杆端弯矩及梁端弯矩；（4）求各柱的轴力和剪力。框架各柱的杆端弯矩、梁端弯矩按下式计算 框架柱 框架柱的反弯点位置取决于该柱上、下端转角的比值，考虑梁柱线刚度比、结构总层数及该柱所在的层次、柱上、下横梁线刚度比、上层高度的变化、下层高度的变化等影响，求出柱底端至柱反弯点的距离【6】。4.3地震作用下框架的内力计算常州地区属于7度抗震地区，根据建筑抗震设计规范的相关规定，可不考虑竖向地震作用。本设计中，由于建筑物的总高度，变形主要是剪切变形为主，质量和刚度沿高度分布比较均匀，可采用底部剪力法计算水平地震作用力【3】。取一个计算单元进行计算。4.3.1重力荷载代表值计算计算地震作用时，建筑的重力荷载代表值应取结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值之和。其中雪荷载组合值系数取0.5，楼面活荷载组合值系数取0.5。屋面梁上的线荷载设计值:恒载+0.5雪载, 楼面梁上的线荷载标准值:恒载+0.5活载, 计算结果见表4.1。表4.1 重力荷载代表值楼层自重标准值可变荷载组合值重力荷载代表值41228.15431249.6531236.92256.11364.9721247.98256.11376.0311152.16256.11280.214.3.2自振周期的计算此框架结构的质量和刚度沿高度分布比较均匀，所以可采用顶点位移法计算其基本自振周期(s)， 式中，考虑填充墙对结构刚度影响的自振周期的修正系数，可取0.60.8； 为计算结构自振周期用的结构顶点假想位移（m），即假想把集中在各层楼面处的重力荷载代表值视作水平荷载而算得的结构顶点位移4.3.3横向地震作用地震作用按7度类场地,地震动参数区划的特征周期分组按第一组考虑，则,采用底部剪力法计算。由于,故不考虑顶部附加地震作用。结构底部剪力为：4.3.4地震作用下的变形验算进行地震作用下的位移验算满足式。4.3.5地震作用下的内力计算地震作用力沿竖向呈倒三角形分布,内力计算也采用D值法，与风荷载相似。求出主体结构框架各层的层间总剪力后，按各柱的侧移刚度（值）在该层侧移刚度所占比例分配到各柱。设为层柱分配到的剪力，则 （8）根据求得的各柱层间剪力和修正后的反弯点位置，即可确定柱端弯矩；再由节点平衡条件，梁端弯矩之和等于柱端弯矩之和，节点左右梁端弯矩大小按其线刚度比例分配可求出各梁端弯矩；进而由梁的平衡条件可求出梁端剪力；最后，由节点左右梁端剪力之和即为柱的层间轴力，可求出第层柱轴力即为其上各层节点左右两端剪力代数和。4.4内力组合上面已经完成了对框架结构的内力计算，得到了恒活荷载、风荷载、地震作用下的弯矩图、剪力图和轴力图。接下来就根据最不利原则进行内力组合，使的结构在各种可能荷载作用下能够安全受力。4.4.1控制截面对于框架柱，弯矩、轴力和剪力沿柱高是线性变化的，因此取各层柱的上、下端截面作为控制截面。对于框架梁，在水平荷载作用和竖向荷载作用下，剪力沿梁轴线呈线性变化，弯矩则呈抛物线形变化，因此，除取梁的两端为控制截面以外，还应在跨间取最大正弯矩的截面为控制截面。由于本框架规则对称，荷载也是对称分布，因此梁的最大弯矩的截面在跨中处的正截面。在截面配筋计算时应采用构件端部截面上的内力，由于内力计算时梁端部的剪力与弯矩从柱子的中心计算，梁端柱边缘的剪力和弯矩值应进行下式计算：4.4.2梁端调幅框架结构的正常的破坏形式中，是可以在梁端出现塑性铰的，施工中为了方便浇捣混凝土，也希望节点处梁的负钢筋尽量少放，因此在进行框架结构设计时，要对梁端弯矩进行调幅，人为减少梁端的负弯矩，减少节点附近梁顶面的配筋量。调幅后梁端弯矩可取：在本次设计中，弯矩调幅系数。4.4.3内力组合框架结构截面在是最不利内力的荷载效应组合可采用简化规则，按下列组合值中取最不利值确定：当永久荷载效应起控制作用时：当可变荷载效应起控制作用时：因本次设计还考虑抗震设计，则还需下式设计5 基础设计本工程考虑到地下水位的高度，冰冻线的深度，以及软弱地下层的深度，初步确定1.35米深度作为基础埋深，同时考虑到该工程为框架结构，梁柱中心线不重合，将会产生叫大的竖向弯矩，为了提高抗侧刚度，满足纵横向弯矩的平衡，提高抗剪切能力，该工程选用柱下独立基础，既能满足以上条件，同时又能起到节省材料的作用【7】。设计步骤：（1）初步确定截面尺寸及基础类型；（2）求基底净反力设计值；（3）求基础高度及抗冲切验算；（4）基础配筋计算。6 零星构件设计考虑到整体的安全性，结构设计中一些不可缺少的构件也需要我们进行计算，如板、次梁、楼梯。6.1板的设计对于单向板的计算，取1m宽的板带作为计算单元，中间的板带考虑“薄膜效应”进行内力计算。对于双向板的计算，按弹性理论查表计算。6.2次梁的设计根据本教学楼楼盖的实际使用情况，楼盖的次梁的活荷载不考虑梁从属面积的荷载折减，按简支梁计算设计。6.3楼梯的设计楼梯设计为双跑楼梯，由于楼梯的跨度不大和考虑施工方便，故采用板式楼梯。参考文献1 建筑结构荷载规范S(GB 500092001). 北京：中国建筑工业出版社，2002.2 混凝土结构设计规范S(GB 500102002). 北京：中国建筑工业出版社，2002.3 建筑抗震设计规范S(GB 500112010). 北京：中国建筑工业出版社，2010.4 建筑地基基础设计规范S(GB 500072002). 北京：中国建筑工业出版社，2002.5 混凝土结构设计原理(上册)M. 北京：中国建筑工业出版社，2008.6 混凝土结构设计原理(下册)M. 北京：中国建筑工业出版社，2008.7 基础工程(第二版)M. 北京：中国建筑工业出版社，2008.