5层教学楼框架结构设计

毕业设计（论文）任务书

I、毕业设计(论文)题目：

5层教学楼框架结构设计

II、毕业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：

1、建筑功能要求：

建筑面积：约4000平方米左右，共5层，一层层高4.5米，其余各层层高3.6米。

三层设置一个多功能教室，各层均设置2~4个办公室，一个职工活动室，其余为教室。

2、设计资料

（1）地质条件：①回填土，厚0.5m，γ=16kN/m3，f ak=80 kP a，E s=300MP a

②粘性素填土，厚0.5m，γ=18kN/m3，f ak =130kP a，E s=500MP a

③残积亚粘土，厚1.5m，γ=20kN/m3，f ak =220 kP a，E s=500MP a

④一般亚粘土，厚1.5m，γ=20kN/m3，f ak =250 kP a，E s=500MP a

⑤以下为风化砂岩，f ak =300 kP a，E s=600～1000MP a

⑥地下水位埋深-1.5m。

⑦土方开挖按三类土考虑。

（2）荷载条件：基本风压：0.45N/m2，无雪荷载。

（3）抗震设防烈度：6度，冻土深度不考虑。

（4）建筑物安全等级为丙级，合理使用年限为50年。

（5）气象资料查阅相关规范，取当地资料。

（6）材料供应：各种材料均能保证供应；施工技术条上：各种机具均能满足要求。

3、设计要求：每位同学有自己的设计特点和设计风格。

III、毕业设计(论文)工作内容及完成时间：

（1）2周：开题报告。

（2）4周：建筑设计。必要的建筑设计说明，建筑总平面图，底层、标准层、顶层及

屋面平面图，正立面、侧立面，剖面图，大样图等建筑施工图纸。

（3）4周：结构计算。进行屋面及各层楼面荷载计算，选取一榀典型框架，手工进行内力分析，内力组合及其梁、柱及基础配筋计算，现浇楼梯设计计算，现浇梁板设计计算。（4）4周：结构布置图。制基础平面图及基础详图，结构设计总说明，层结构布置图，一～

五层结构布置图，屋面结构布置图，框架配筋详图，楼梯结构施工图。

（5）1周：撰写和整理毕业设计说明书。

（6）1周：答辩。

Ⅳ、主要参考资料：

1、舒秋华，房屋建筑学[M]，武汉，武汉理工大学出版社，2009

2、建筑设计资料集（第二版）[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2003

3、混凝土结构设计规范（GB50010-2012）[M]，北京，中国建筑工业出版社，2012

4、建筑结构荷载规范（GB50009-2012）[M]，北京，中国建筑工业出版社，2012

5、建筑地基基础设计规范（GB50007－2012）[M]，北京，中国建筑工业出版社，2012

7、建筑设计防火规范（GBJ16-2010）[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2010

8、沈蒲生主编，混凝土结构设计[M]，北京，高等教育出版社，2014

9、董军等编著，土木工程专业毕业设计指南房屋建筑工程分册[M]，中国水利水电出版社，2002

10、高等学校毕业设计（论文）指导手册土建卷[M]，北京，高等教育出版社，1999

11、龙驭球、包世华主编，结构力学[M]，北京，高等教育出版社，1994

12、教育部《土建英语》教材编写组，土建英语[M]，北京，高等教育出版社，2004

13、Ghali A,Nevilli A M.Structural analysis.3rd.London[M],New York:Chapmn and Hall,1989

14、John-Wiley & Sons, Nuckools J L . Interior Lighting for Environmental Designer[M]. 1976

系专业类班

学生（签名）：

填写日期：年月日

指导教师（签名）：

助理指导教师(并指出所负责的部分)：

系主任（签名）：

附注:任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。

5层教学楼框架结构设计

摘要：本次毕业设计的题目为南航5层教学楼框架结构设计。总的建筑面积有

4000m2,本结构设计采用框架承重结构，结构总层数为5层，底层的层高4.5m，其他层的层高3.6m，室内外高差为0.45m，抗震设防烈度为6度。

本设计有建筑与结构两部分内容。建筑部分包括方案设计和建筑设计。方案设计根据教学楼的使用要求和建筑设计规范完成初步设计构想；建筑设计要求根据方案设计完成建筑平面、立面、剖面以及各主要部分的大样图的绘制。结构部分包括一榀框架的手工计算和绘制结构图两部分内容。结构图包括梁板柱以及基础、楼梯的施工图。本计算书包括了整个设计的计算过程及相关的说明。其中主要有结构布置、布置完结构的结构选型、选取一榀框架的完整计算：包括了荷载的计算、内力的计算、内力组合、截面设计还有配筋计算。除此之外，还有楼梯及柱下独立基础、联合基础的设计。在手算的基础上，计算中还使用了PK-PM

电算校核，从而对两组数据进行了分析。

关键字：建筑设计结构设计结构布置内力计算配筋计算

指导老师签字：Frame structure design of 5 floor teaching building

Abstract:The topic of this graduation project is the frame structure design of the 5th floor teaching building of China southern airlines. The total construction area of 4000 m2, this design adopts the frame bearing structure, the total number of 5 layer structure, at the bottom of the storey height of 4.5 m, other layers of the height of 3.6 m, indoor and outdoor elevation difference of 0.45 m, the seismic fortification intensity is 6 degrees.

This design has two parts: architecture and structure. The architectural part includes the program design and architectural design. The preliminary design concept of the project was completed according to the requirements of teaching building and building design specifications. The architectural design requires the drawing of architectural plane, elevation, profile and large sample drawings of each main part according to the scheme design. The structure part includes the manual calculation of a truss frame and the drawing of the structure diagram. The structure drawing includes the construction drawing of beam, plate and column as well as foundation and stair. This calculation book includes the calculation process of the whole design and related instructions. Mainly has finished the structure arrangement, arrangement structure selection of structure type selection, a complete calculation of cross: includes load calculation, the calculation of internal force, internal force combination, cross section design and reinforcement calculation. In addition, there are stairs and columns under the independent foundation, joint foundation design. On the basis of the calculation in hand, pk-pm is also used in the calculation, so as to analyze the two groups of data Keyword：architectural design structural design structural arrangement the internal force calculation reinforcement calculation

Signature of Supervisor:

目录

1.建筑设计说明 (1)

1.1建筑设计 (1)

1.2基本资料 (1)

2.结构设计说明 (3)

2.1结构承重体系选取 (3)

2.2楼梯方案的选择 (3)

2.3建筑材料的选择 (4)

2.4基础形式选取 (4)

2.5结构布置计算 (4)

3.板的设计 (6)

3.1结构平面布置 (6)

3.2楼面板计算 (7)

3.3屋面板计算 (10)

4.框架计算 (14)

4.1梁柱截面尺寸估算 (14)

4.2计算简图的确定 (14)

4.3荷载计算 (16)

4.4内力计算 (26)

4.5 内力组合 (39)

4.6截面设计与配筋计算 (47)

5.楼梯设计 (55)

5.1设计资料 (55)

5.2踏步板设计（TB-1） (56)

5.3平台板设计（TB-2） (57)

5.4平台梁设计（TL-1） (58)

6.基础设计 (61)

6.1基础概况 (61)

6.2边柱（A、D柱）独立基础设计 (61)

6.3中柱（B、C柱）联合基础设计 (65)

结语 (69)

参考文献 (70)

致谢 (71)

1.建筑设计说明

1.1建筑设计

本工程为南航5层教学楼框架结构设计，建筑面积约为4000m2，层数为5层，底层层高4.5m，其他层层高3.6m，建筑总高度18.9m。钢筋混凝土框架结构；抗震设防烈度为6度，建筑安全等级为丙级；设计合理使用年限50年。

1.2基本资料

1.2.1地质条件

①回填土，厚0.5m，γ=16kN/m3，fak=80 kPa，Es=300MPa

②粘性素填土，厚0.5m，γ=18kN/m3，fak =130kPa，Es=500MPa

③残积亚粘土，厚1.5m，γ=20kN/m3，fak =220 kPa，Es=500MPa

④一般亚粘土，厚1.5m，γ=20kN/m3，fak =250 kPa，Es=500MPa

⑤以下为风化砂岩，fak =300 kPa，Es=600～1000MPa

⑥地下水位埋深-1.5m。

⑦土方开挖按三类土考虑。

1.2.2荷载条件

基本风压：0.45N/m2，无雪荷载。

1.2.3抗震设防

抗震设防烈度：6度，冻土深度不考虑。

1.2.4安全等级

建筑物安全等级是丙级，合理的使用年限为50年。

1.2.5气象资料

气象资料查阅相关规范，取当地资料。

1.2.5材料选用

各种材料均能保证供应。C10级，C30级；热轧钢筋HPB300、HRB400；普通砖等等。

1.2.6技术要求

满足工程施工图深度要求

2.结构设计说明

2.1结构承重体系选取

2.1.1竖向承重体系选取

合理的选择抗侧力结构体系，从而进行更加合理的结构或构件布置，使之具有较大的更好的抗侧刚度和良好的抗风性能和抗震性能，这些设计都是结构设计的关键。同时还必须综合考虑建筑物高度、用途、经济及施工条件等一些其他因素。

常见的竖向承重体系包括砖混结构体系、剪力墙结构体系、框架结构体系、框架-剪力墙结构体系以及筒体结构体系等。

框架的结构体系：由梁、柱构件通过相应节点连接而成，这个结构体系具有建筑平面布置灵活和造型活泼等优点，从而可以形成较大的使用空间，从而更加容易满足于多功能的使用要求。本设计为五层的多层结构，根据教学楼的功能使用性进行结构布置。经各方案比较筛选，本工程选用框架结构的竖向承重体系。

2.1.2水平向承重体系选取

常见的横向承重体系包括：现浇楼盖、组合楼盖、叠合楼盖、预制板楼盖等。

本设计采用现浇肋梁楼盖结构，现浇楼盖可分为肋梁楼盖、平板式楼盖、密肋楼盖、无粘结预应力现浇平板楼盖等。

2.2楼梯方案的选择

整体式楼梯是根据受力特点和结构形式不同，可以分为板式楼梯、梁式楼梯等。其中，应用较为经济的、广泛的就是板式楼梯和梁式楼梯，施工相对比较容易，造价成本低，在实际中应用较多。

板式楼梯由梯段板、平台板和平台梁组成。梯段板是为带着踏步的斜向板，其特点下表面平整，外观轻巧简单，施工支模比较方便，其不足处是斜板较厚，结构材料的用量比较多，不够经济。在本设计结构中的楼梯采用的是板式楼梯。

2.3建筑材料的选择

板梁柱、基础、楼梯都是使用C30的混凝土，底层地面以及散水垫层是使用

C10的混凝土。板中受力钢筋以及构造钢筋用HPB300级，其他梁柱结构中的受力钢筋均用HRB400级钢筋，用以提高整个结构的强度，减少钢筋的用量，节省总造价，做到结构安全、经济适用。

2.4基础形式选取

本设计的基础形式选取采用柱下独立基础以及柱下联合基础。多层框架结构的基础。基础类型的选择，需满足于现场的工程地质条件以及上部结构荷载的大小，还必须满足上部结构对地基上不均匀沉降以及倾斜的敏感程度以及施工条件等因素，还要进行一定的技术经济比较。

2.5结构布置计算

根据该教学楼的使用功能和建筑设计的要求，从而进行了建筑平面、立面以及剖面设计。楼盖以及屋盖均采用现浇钢筋混凝土结构，屋面板的厚度是120mm，楼面板的厚度是100mm。

在结构设计时一般用中间有代表性的一榀横向框架进行计算分析。

在框架计算简图中，杆件是用轴线来表示出来，框架梁的跨度就取轴线两端的距离，框架的层高即为建筑的层高，但是底层柱的高度应该从基础顶面开始算起。

2.5.1在竖向荷载、水平荷载作用下内力的近似值计算

多层框架在竖向荷载的作用下侧移较小，可以近似去按照无侧移框架进行分析计算。一般最常用的方法是弯矩二次分配法，荷载计算主要是包括恒载的计算和活载的计算。

水平荷载作用的内力计算一般有两种方法：反弯点法和D值法，D值法是通过在反弯点法的基础上对柱的抗侧刚度和柱的反弯点的位置进行了修正后进行了内力计算的方法。

2.5.2框架的内力组合

通过了对框架的内力分析计算，得到了在不同荷载作用下产生的构件内力计算标准值，在进行结构设计时候，应该根据可能出现的不利情况进行组合计算，最终确定构件内力的设计值。

2.5.3截面设计及配筋计算

截面设计主要有两种设计：正截面设计和斜截面设计。受弯构件在其弯矩作用下破坏主要分为三种破坏形式：适筋破坏、超筋破坏和少筋破坏，其中超筋与少筋破坏属于脆性破坏，在工程中是不允许出现，在截面设计过程中，不仅要对截面尺寸控制，同时还要对斜截面控制，同时还要进行斜截面计算，配置一定数量的箍筋。受弯构件在弯矩和剪力的作用下通常会产生斜裂缝，并且会沿斜截面发生破坏，斜截面破坏是带有脆性破坏的性质，所以在设计时要控制，并且进行裂缝宽度验算。

3.板的设计

3.1结构平面布置

图3.1 结构平面布置图

图3.2 板的单元图

3.2楼面板计算

3.2.1确定计算单元

板的计算单元取如图3.2所示的A、B板，选取图中所示的一榀框架进行分析和

计算。对于A板,l oy

l ox =7800

4500

=1.73<2,为双向板；对于B板, l oy

l ox

=4500

2400

=1.875 <2,

也用双向板进行计算。对于A、B板，?A=1

45l ox=1

45

×4500=100mm，?B=

1 45l ox=1

45

×2400=53mm，取?A=?B=100mm,满足要求。

主梁的梁高h=(1

8~1

18

)l=433mm~975mm，取h=600mm。

梁宽b=(1

2~1

4

)h=150mm~300mm，取b=250m

3.2.2荷载计算

活荷载标准值：根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）查得： 楼面 q 1=2.52/kN m 走廊 q 2=3.52/kN m 恒荷载标准值：

20mm 水泥砂浆面层 0.02 m ×203/kN m ＝0.402/kN m 100mm 钢筋混凝土板自重 0.10 m ×253/kN m ＝2.502/kN m 15mm 混合砂浆天棚抹灰 0.015 m ×173/kN m ＝0.262/kN m

合计： ＝3.162/kN m 可得，总荷载设计值 P 1＝g+q 1＝3.16×1.3+2.5×1.4＝7.6 2/kN m

P 2＝g+q 2＝3.16×1.3+3.5×1.4＝9.0 2/kN m

3.2.3内力计算（按塑性理论计算） ① 区格板A

计算跨度 l ox =4.5m ?0.25m =4.25m

l oy =7.8m ?0.25m =7.55m

n =l oy

l

ox

=7.55m 4.25m =1.78 取 α=1

n 2≈0.32 2.0β=

采用分离式配筋， 总的弯矩为:

M x =l oy m x =7.55m x

M y =αl ox m x =0.32×4.25m x =1.36m x

M x ′=M x ′′=βl oy m x =2×7.55m x =15.1m x M y ′=M y ′′=βαl ox m x =2×0.32×4.25m x =2.72m x

代入公式得，区格板A 四周是与梁连接，所以内力折减系数取0.8，由

''''''2000220.8(3)/12X Y X X Y Y x y x M M M M M M Pl l l +++++=-

2×7.55m x +2×1.36m x +2×15.1m x +2×2.72m x =0.8×7.6×4.252×(3×7.55?4.25)/12

故得 m x =3.15kN ·m/m

m y =αm x =0.32×3.15=1.01kN ·m/m

m x ′=m x ′′=βm x =2×3.15=6.30kN ·m/m

m y ′=m y ′′=βm y =αβm x =2×0.32×3.15=2.02kN ·m/m

②区格板B ：

计算跨度 l ox =2.4m ?0.25m =2.15m

l oy =4.5m ?0.25m =4.25m

n =l oy

l

ox

=4.25m 2.15m =1.98 取 α=1

n 2≈0.26 2.0β=

用分离式配筋方法， 总的弯矩为:

M x =l oy m x =4.25m x

M y =αl ox m x =0.26×2.15m x =0.56m x

M x ′=M x ′′

=βl oy m x =2×4.25m x =8.5m x M y ′=M y ′′=βαl ox m x =2×0.26×2.15m x =1.12m x

代入公式得，区格板B 四周是与梁连接，所以内力折减系数取0.8，由

''''''2000220.8(3)/12X Y X X Y Y x y x M M M M M M Pl l l +++++=-

2×4.25m x +2×0.56m x +2×8.5m x +2×1.12m x =0.8×9.0×2.152×(3×4.25?2.15)/12

故得 m x =1.02kN ·m/m

m y =αm x =0.26×1.02=0.27kN ·m/m

m x ′=m x ′′=βm x =2×1.02=2.04kN ·m/m

m y ′=m y ′′

=βm y =αβm x =2×0.26×1.02=0.53kN ·m/m

3.2.4配筋计算

各区格板跨内以及支座弯矩根据前面计算已经得出，取截面有效高度?0x =80mm ，?0y =70mm ，支座取?0=80mm ，可近似按0/0.95y As m f h =计算钢筋截面面积，计算结果见表3.1。

表3.1 楼面双向板的配筋计算

3.3屋面板计算

3.3.1 确定计算单元

同3.2中楼面板计算，板的计算单元取如图3.2所示的A、B板，选取图中所示

的一榀框架进行分析和计算。对于A、B板，?A=1

35l ox=1

35

×4500=118mm，

?B=1

35l ox=1

35

×2400=69mm，取?A=?B=120mm,满足要求。

3.3.2荷载计算

活荷载标准值：根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）查得

不上人屋面 0.5kN/m2基本雪压 0kN/m2由于屋面活荷载与雪荷载不同时考虑，两者中取较大者，故取0.5kN/m2 恒荷载标准值：

屋面（不上人）:

保护层： 30厚C30细石混凝土 0.03m×24 KN/ m 3＝0.72kN/ m 2

防水层：高聚物改性沥青防水卷材 0.5kN/m 2 找平层： 20厚1：3水泥砂浆找平 0.02m×20 KN/ m 3＝0.4kN/ m 2 找坡层： 40厚1：8水泥炉渣3%坡度 0.04m×16 KN/ m 3＝0.64kN/ m 2 结构层：120厚现浇钢筋混凝土板 0.12m×25 KN/m 3＝3.0kN/m 2 抹灰层：15厚混合砂浆 0.015m×17 KN/m 3 ＝0.26kN/m 2 —————————————————————————————————— 合计： 5.52kN/m 2 可得，总荷载设计值 P ＝g+q ＝5.52×1.3+0.5×1.4＝7.88kN/m 2 3.3.3内力计算（按塑性理论计算） ① 区格板A

计算跨度 l ox =4.5m ?0.25m =4.25m

l oy =7.8m ?0.25m =7.55m

n =l oy

l

ox

=7.55m 4.25m =1.78 取 α=1

n 2≈0.32 2.0β=

采用分离式配筋，总的弯矩为:

M x =l oy m x =7.55m x

M y =αl ox m x =0.32×4.25m x =1.36m x

M x ′=M x ′′=βl oy m x =2×7.55m x =15.1m x M y ′=M y ′′=βαl ox m x =2×0.32×4.25m x =2.72m x

代入公式得，区格板A 四周是与梁连接，所以内力折减系数取0.8，由

''''''2000220.8(3)/12X Y X X Y Y x y x M M M M M M Pl l l +++++=-

2×7.55m x +2×1.36m x +2×15.1m x +2×2.72m x =0.8×7.88×4.252×(3×7.55?4.25)/12

故得 m x =3.27kN ·m/m

m y =αm x =0.32×3.27=1.05kN ·m/m

m x ′=m x ′′=βm x =2×3.27=6.54kN ·m/m

m y ′=m y ′′

=βm y =αβm x =2×0.32×3.27=2.09kN ·m/m

②区格板B ：

计算跨度 l ox =2.4m ?0.25m =2.15m

l oy =4.5m ?0.25m =4.25m

n =l oy

l

ox

=4.25m 2.15m =1.98 取 α=1

n 2≈0.26 2.0β=

采用分离式配筋， 总的弯矩为:

M x =l oy m x =4.25m x

M y =αl ox m x =0.26×2.15m x =0.56m x

M x ′=M x ′′

=βl oy m x =2×4.25m x =8.5m x M y ′=M y ′′=βαl ox m x =2×0.26×2.15m x =1.12m x

代入公式得，区格板B 四周是与梁连接，所以内力折减系数取0.8，由

''''''2000220.8(3)/12X Y X X Y Y x y x M M M M M M Pl l l +++++=-

2×4.25m x +2×0.56m x +2×8.5m x +2×1.12m x =0.8×7.88×2.152×(3×4.25?2.15)/12

故得 m x =0.91kN ·m/m

m y =αm x =0.26×0.91=0.29kN ·m/m

m x ′=m x ′′=βm x =2×0.91=1.82kN ·m/m

m y ′=m y ′′

=βm y =αβm x =2×0.26×0.91=0.47kN ·m/m

3.3.4配筋计算

各区格板跨内及支座弯矩已求得，取截面有效高度0x h =100mm ，0y h =90mm ，支座取0h =100mm ，可近似按0/0.95y As m f h =计算钢筋截面面积，计算结果下表3.2。

4.框架计算

4.1梁柱截面尺寸估算

框架柱嵌固于基础顶面，框架梁与柱刚接。底层柱高高度是从基础顶面算到二层楼楼面，室内外高差是-0.45m，二层楼面标高是 4.5m，基础顶面距室外地坪0.5m，故得到底层柱高 5.45m。其余各层柱高从楼面算至上一层楼面，均为3.6m.

4.1.1主梁

梁高h=(1

8~1

18

)l=433mm~975mm，取h=600mm。

梁宽b=(1

2~1

4

)h=150mm~300mm，取b=250mm。

故主梁，b×h=250mm×600mm 4.1.2框架柱

柱的截面宽度b=(1

12~1

18

)H=250mm~375mm，取b=400mm。

柱的截面高度h=400mm。

故框架柱，b×h=400mm×400mm

4.2计算简图的确定

4.2.1 框架计算简图

框架采用了横向承重布置，选取2轴上的一榀框架为例子，从而进行手算，计算简图如图4.1图所示。