黄河科技学院建筑系教学楼土木工程计算书正文大学学位论文

1 绪论

本设计说明书是根据此次黄河科技学院工学院毕业设计任务书的要求编写的,设计的题目为黄河科技学院教学楼设计方案二。本次毕业设计的内容包括建筑设计和结构设计。

结构设计是土木工程专业毕业设计的重要阶段，也是毕业前的综合学习阶段,还是深化、拓宽、综合教和学的重要过程,更是对大学期间所学专业知识的全面总结。

在结构设计前期，我复习了《结构力学》、《土力学与基础工程》、《混凝土结构设计》、《建筑结构抗震设计》等教材，查阅了大量专业标准和规范，在网上搜集了不少资料，并借阅了一整套专业的工程图纸。在结构设计中期，我通过所学的基本理论、专业知识和基本技能进行结构计算和分析。在结构设计后期，主要进行设计手稿的输入和施工图的绘制，并得到老师的审批和指正，使我圆满的完成了任务，在此我表示衷心的表示感谢。

结构设计期间，在指导老师的帮助下，我经过资料查阅及设计计算，加深了对规范、标准等相关内容的理解，巩固了专业知识、提高了综合分析、解决问题的能力。进行内力组合的计算时，进一步了解了Excel；在绘图时熟练掌握了AutoCAD；在计算书的输入时进一步熟悉了Word。

框架结构设计的计算工作量很大，在计算过程中以手算为主，辅以一些计算软件的校正。本次毕业设计凝结了个人的汗水和心血，由于自己水平有限，设计说明书中难免有不妥和疏忽之处，敬请各位老师批评指正。

2 建筑设计

2.1设计资料

本设计为黄河科技学院建筑系教学楼。建筑场地平坦，土层分布比较规律。冬季取暖室外计算温度-10℃，夏季室外计算温度31℃。相对湿度冬季为49%，夏季为56%。结构形式为钢筋混凝土框架结构，基础形式为钢筋混凝土柱下独立基础。地震烈度为7度。

2.2设计依据

1、人体尺度和人体活动所需的空间尺度

2、办公用品、设备的尺寸和使用必要的空间

3、温度、湿度、日照、雨雪、风向、风速等自然条件

4、建筑模数

5、地形、地质条件和地震烈度

本设计为地震区的建筑。设计时主要考虑对抗震有利的场地和地基。房屋设计的体型，应该尽可能规整，简洁，避免在建筑平面及体型上的凸凹。采用必要的加强房屋整体性的构造措施，不做或少做地震时容易倒塌脱落的建筑附属物，女儿墙等须作加固处理。从材料选用和构造做法上尽可能减轻建筑物的自重，特别是减轻屋顶和围护墙的重量[1]。

2.3设计原则

1、满足建筑功能要求

2、采用合理的技术措施

3、具有良好的经济效果

4、考虑建筑美观要求

5、符合总体规划要求

3 结构设计

3.1工程概况

郑州市黄河科技学院拟建5层综合教学楼，建筑面积4906.50m2，拟建房屋所在地的基雪压s0=0.35kN/m2，基本风压ω0=0.4kN/m2，最大风级7-8级，全年主导风向为东北风，夏季主导风向为南风。年降水量1200mm，日最大降水量160mm，每小时最大降水量为40mm/h，最大积雪深度为25cm。建筑场地平坦，土层分布比较规律。常年地下水位于地表下约8m，在一般季节施工可不考虑地下水的影响。土的重度γ=19.0kN/m3，液限ωl=25.5%，塑性指数I p=9.0，孔隙比e=0.682，Ⅲ类场地。f k=160kN/m2，冻土深度为18cm。基础形式为独立基础。冬季取暖室外计算温度-10℃，夏季室外计算温度31℃。相对湿度冬季为49%，夏季为56%。地震烈度为7度。

3.2柱网布置

根据该工程的使用功能及建筑设计的要求，进行了建筑平面、立面及剖面设计，具体见建筑施工图。主体结构共5层，一层层高为3.9m，二至四层层高为3.6m。平面布置采用柱距为6.6m的内廊式大柱网，边跨为6.0m，中间跨为3.0m。内外墙均采用240mm 厚粉煤灰空心砌块砌筑。楼盖及屋盖均采用现浇钢筋混凝土结构。

柱网布置图如图3.1所示。

图3.1 柱网布置图

3.3承重方案

竖向荷载的传力途径：楼板的均布活荷载和恒荷载经过次梁间接或直接传递至主梁，再由主梁传递至框架柱，最终由框架柱传递至基础。根据以上楼盖的平面布置及竖向荷载的传力途径，本行教学楼的框架承重方案为横向框架承重，这可使横向框架梁的截面高度大，增加框架的横向侧移刚度[2]。 3.4梁柱截面尺寸的初步确定 3.4.1 梁截面尺寸

梁截面高度一般取梁跨度的1/12～1/8进行估算，梁宽取梁高的1/3～1/2。本设计中边横梁高为h =6600×1/11=600mm ，截面宽度取b =600×1/2=300mm ，可得梁的截面初步定为b ×h =300mm×600mm 。

由此估算梁的截面尺寸见表3.1。表中给出了各层梁的混凝土强度等级，其设计强度C30为f c =14.3N/mm 2，f t =1.43N/mm 2。

表3.1 梁截面尺寸 层次 砼等级

横梁b×h (mm×mm)

纵梁b×h 次梁b×h

AB 跨、CD 跨

BC 跨 (mm×mm) (mm×mm) 1～5

C30

300×600

300×400

300×600

300×500

3.4.2 柱截面尺寸

柱截面尺寸可按下式进行估算

N =βFg E n (3.1)

式中N 为柱组合的轴压力设计值，

β为考虑地震作用组合后柱轴压力增大系数,边柱取1.3，内柱取1.25， F 为按简支状态计算的柱的负载面积，

g E 为折算在单位建筑面积上的重力荷载代表值，近似取12～15kN/m 2，本设计取13kN/m 2，

n 为验算截面以上的楼层层数。

c A ≥

c

N f N

][ (3.2)

式中A c 为柱截面面积，

f c 为混凝土轴心抗压强度设计值，

[μN ]为框架柱轴压比限值，本设计抗震等级为三级（《建筑设计抗震规范》GB50011-2001）,其轴压比限值近似取0.9[3]。

各层柱的负载面积如图3.2所示。

图3.2 各柱负载面积图

边柱F 1=9×3 =27.0m 2 中柱F 2=9×4. 5=40.5m 2

边柱A c 1≥

1772733.149.05

1013393.13=??????mm 2 中柱A c 2≥

2556823

.149.05

10135.4925.13=??????mm 2 若取柱截面为正方形，则边柱和中柱截面分别为428mm 和492mm 。根据上述计算结果并综合考虑其他因素，确定柱截面尺寸。

柱截面尺寸见表3.2。

表3.2 柱截面尺寸

层次 砼等级 柱b×h (mm×mm)

1～5

C30

600×600

3.5计算简图

基础选用柱下钢筋混凝土独立基础，基础顶面标高取-1.100m 。

2~5层柱高度即为层高 3.6m ，底层柱高度从基础顶面取至2层楼面标高处即3.9+1.1=5.0m 。

各梁跨度即为柱截面形心轴线之间的距离。

计算简图如图3.3所示。

（a）横向框架（b）纵向框架

图3.3 计算简图

3.6荷载计算

3.6.1 屋面及楼面永久荷载标准值

屋面做法采用倒置式不上人平屋面，具体做法详见05YJ1工程用料做法屋1（B1-35-F5）。

40厚细石混凝土保护层22kN/m3×0.04m=0.88kN/m2 35厚挤塑聚苯乙烯泡沫板保温层0.17kN/m3×0.035m=0.006kN/m2合成高分子防水层0.40kN/m2 20厚1：3水泥砂浆找平层20kN/m3×0.02m=0.40kN/m2 20厚1：8水泥膨胀珍珠岩找坡7kN/m3×0.02m=0.14kN/m2 100厚钢筋混凝土屋面板结构层25kN/m3×0.10m=2.50kN/m2

合计 4.33kN/m2屋面恒载(65.4+0.24)×(6×2+3.0+0.24)×4.33=4331.53kN/m2

楼面做法采用陶瓷地砖楼面，具体做法详见05YJ1工程用料做法楼10。

陶瓷地砖（包括20厚1：4干硬性水泥砂浆）0.70kN/m2 100厚钢筋混凝土楼板结构层25kN/m3×0.10m=2.50kN/m2

合计 3.20kN/m2楼面恒载(65.48+0.24)×(6×2+3+0.24)×3.20=3201.13kN/m2

3.6.2 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0.50kN/m2屋面雪荷载标准值s k=μr·s0=1.0×0.35kN/m2=0.35kN/m2楼面活荷载标准值 2.00kN/m2式中μr为屋面积雪分布系数，取μr=1.0。

屋面活载(65.48+0.24)×(6×2+3+0.24)×0.50=500.18kN/m2

屋面雪载(65.48+0.24)×(6×2+3+0.24)×0.35=350.12kN/m2

楼面活载(65.48+0.24)×(6×2+3+0.24)×2.00=2000.71kN/m2

3.6.3 梁、柱重力荷载标准值

梁、柱平面布置图如图3.4所示。

图3.4 梁柱平面布置图

梁、柱重力荷载计算见表3.3。

表3.3 梁柱重力荷载计算

层次构件

b×h γ

β

g l i n G i∑G i (m×m) (kN/m3) (kN/m) (m) (根) (kN) (kN)

1～5 边横梁0.3×0.6 25 1.05 4.725 5.4 24 612.36

2285.53 中横梁0.3×0.4 25 1.05 3.150 2.4 12 90.72

纵梁0.3×0.6 25 1.05 4.725

6.0 28 793.8

8.4 8 317.52

5.8 4 109.62

次梁0.3×0.5 25 1.05 3.938 5.4 17 361.51

1 柱0.6×0.6 25 1.10 9.900 3.9 54 2084.94 2084.94

2～5 柱0.6×0.6 25 1.10 9.900 3.6 54 1924.56 1924.56

3.6.4 墙、门和窗重力荷载标准值

1、墙体：

内外墙均为粉煤灰空心砌块砌筑（5kN/m3），240mm厚。

（1）外墙：外墙面贴面砖（0.5kN/m2），内墙面20厚混合砂浆抹面（17kN/m3），则外墙单位面积重力荷载为

0.5+5×0.24+17×0.02=2.04kN/m2

（2）内墙：两侧均为20厚混合砂浆抹面（17kN/m3），

则内墙单位面积重力荷载为

5×0.24+17×0.02×2=1.88kN/m2

墙体重力荷载计算见表3.4。

2、门窗：

M-1、M-6、采用钢框门，单位面积荷载为0.35kN/m2；

M-2、M-3、M-4、M-5采用木框门，单位面积荷载为0.15kN/m2；

C-1、C-2、C-3、C-4、C-5采用塑钢玻璃窗，单位面积荷载为0.40kN/m2；

单位面积荷载为0.40kN/m2。

门窗重力荷载计算见表3.5。

表3.4 墙体重力荷载计算

层次墙体每片面积

片数

G i∑G i

(m2) (kN) (kN)

1 横墙

外墙

21.06 4 171.85

2305.25

9.36 2 38.194

内墙

46.89 2 176.31

21.06 17 673.08

19.62 2 73.77

纵墙

外墙

18.9 4 154.22

25.1 2 142.31

17.1 8 279.07

14.22 8

62.91

16．62 1

内墙

30.42 2 114.38

16.38 4 123.18

19.62 8 295.08

2～5 横墙

外墙

19.44 4 158.63

2115.65

8.64 2 35.25

内墙

19.44 17 621.30

58.41 2 219.62

纵墙

外墙

16.56 4 135.13

28.98 2 118.24

15.3 8 249.70

14.88 2 60．71

内墙

28.08 2 62.60

15.12 4 113.70

17.82 8 268.01

15.80 1 15.80

表3.5 门窗重力荷载计算

层次门窗编号

自重γ面积数量G i∑G i

(kN/m2) (m2) (n) (kN) (kN)

1 M-1 0.35 4×2.1 1 2.94

62.73 M-2 0.15 1.5×2.1 4 1.89

M-3 0.15 0.9×2.1 20 5.67

M-4 0.15 1.5×2.1 2 0.95

M-5 0.15 1.2×2.1 2 0.76

M-6 0.35 1.8×2.4 2 2.65

C-1 0.40 2.1×2.1 8 14.11

C-2 0.40 1.8×1.5 6 6.48

C-3 0.40 1.4×1.5 24 20.16

C-4 0.40 2.0×1.5 2 2.4

C-5 0.40 1.2×1.5 6 4.32

2～5 M-6 0.35 1.8×2.1 2 2.65

66.96 M-3 0.15 0.9×2.1 20 5.67

M-4 0.15 1.5×2.1 2 0.95

M-5 0.15 1.2×2.1 2 0.76

C-1 0.40 2.1×2.1 12 21.16

C-2 0.40 1.8×1.5 6 6.48

C-3 0.40 1.4×1.5 24 20.16

C-4 0.40 2.0×1.5 4 4.8

C-5 0.40 1.2×1.5 6 4.32

3.6.5 重力荷载代表值计算

顶层重力荷载代表值=屋面恒载+0.5×屋面雪载+纵、横梁自重+半层柱自重+半层墙体自重[4]

顶层：屋面恒载Q1=4331.53kN 屋面雪载Q2=350.12kN 梁自重Q3=2285.53kN 柱自重Q4=1924.56kN 墙体自重Q5=2115.65kN

G5′=4331.53+0.5×350.12+2285.53+0.5×1924.56+0.5×2115.65=8812.23kN

门窗自重Q6=66.96kN

女儿墙自重Q7=(65.4+6×2+3)×2×1.2×2.04=393.64kN

G5=8812.23+66.96 +365.73=9272.83kN

其余层重力荷载代表值=楼面恒载+0.5×楼面活载+纵、横梁自重+楼面上下各半层柱自重+楼面上下各半层墙体自重

四层：楼面恒载Q 1=3201.13kN 楼面活载Q 2=2001.71kN 梁自重Q 3=2157.63kN

柱自重Q 4=1924.60kN 墙体自重Q 5=2115.95kN

G 4′=3201.43+0.5×2001.89+2157.63+1924.60+2115.95=10527.23kN 门窗自重Q 6=66.96kN G 4=10527.23 +66.96=10594.19kN G 4= G 3= G 2=10594.19kN

一层：楼面恒载Q 1=3201.43kN 楼面活载Q 2=2001.89kN 梁自重Q 3=2157.13kN

柱自重Q 4=2084.40kN 墙体自重Q 5=2305.36kN

G 1′=3201.43+0.5×2001.89+2157.13+0.5×(2084.+1924.40)+0.5×(2305.25+2115.6) =10702.22kN 门窗自重Q 6=66.96kN

G 1=10702.22 +66.96=10769.18kN

集中于各楼层标高处的重力荷载代表值G i 如图3.5所示。

G 5=8587.57kN G 4=9440.18kN G 1=9538.88kN

G 2=9440.18kN G 3=9440.18kN

图3.5 各质点重力荷载代表值

3.7横向框架侧移刚度计算

混凝土C30的弹性模量E c =3×104N/mm 2。 3.7.1 横梁线刚度计算

框架结构中，对现浇楼面的边框架梁取I b =1.5I 0，中框架梁取I b =2.0I 0，其中，I 0为梁矩形部分的截面惯性矩，I 0=bh 3/12。梁的线刚度i b =E c I b /l ，l 为梁的计算跨度[5]。横梁的线刚度i b 计算见表3.6。

i 2=3.38i c =6.48

表3.6 横梁的线刚度计算

类别

E c

b ×h

I 0 l E c I 0/l 1.5E c I 0/l 2.0E c I 0/l (N/mm 2) (mm×mm)

(mm 4) (mm)

(N·mm)

(N·mm)

(N·mm)

AB 跨CD 跨 3.00×104 300×600 5.40×109 6000.00 2.7×1010 4.05×1010 5.40×1010 BC 跨

3.00×104

300×400

1.60×109

3000.00 1.6×1010

2.4×1010

3.2×1010

3.7.2 柱线刚度计算

柱的线刚度i c =E c I c /h ，其中，I c 为柱的截面惯性矩，h 为柱的计算高度。柱的线刚度i c 计算见表3.7。

表3.7 柱的线刚度计算

层次 E c b ×h I c h E c I c /l (N/mm 2) (mm×mm) (mm 4) (mm) (N·mm) 1 3.0×104 600×600 1.08×1010 5000 6.48×1010 2～5

3.0×104

600×600

1.08×1010

3600

9×1010

3.7.3 各层柱的侧移刚度计算

各层柱的侧移刚度计算采用D 值法，按下式进行计算

212h

i D c

c

α= (3.3) 式中c α为柱侧移刚度修正系数，对于一般层K

K c +=2α，对于底层固接K K

c ++=25.0α，

K 为梁柱线刚度比。

以底层边框架边柱的侧移刚度为例，说明计算过程。共A-1、A-10、D-1、D-10 4根。其余边框架柱的侧移刚度计算见表3.8，中框架柱的侧移刚度计算见表3.9。

522.048.638

.32===

c i i K 429.0625.02625.05.025.0=++=++=

K

K c α 133445000

1048.612429.02

10

11=???=D N/mm 表3.8 边框架柱侧移刚度计算 N/mm

层次

边柱A-1 A-10 D-1 D-10

中柱B-1 B-10 C-1 C-10 ∑D i

αc D i 1

αc D i 2 1 0.625 0.429 13344 0.995 0.499 15530 115496 2～5

0.450

0.184

15306

0.717

0.264

21991

149188

表3.9 中框架柱侧移刚度计算 N/mm

层次

边柱A-2~9 D-2~9

中柱B-2~9 C-2~9

∑D i

αc D i 1

αc D i 2 1 0.833 0.471 14650 1.327 0.549 17082 507712 2～5

0.600

0.231

19250

0.956

0.323

26938

739008

将上述同层框架柱侧移刚度相加，即可得横向框架各层层间侧移刚度∑D i ，计算结果见表3.10。

表3.10 横向框架各层层间侧移刚度计算 N/mm 层次

1 2 3 4 5 ∑D i

623208

888196

888196

888196

888196

由上表可见∑D 1/∑D 2=599356/815604=0.735＞0.7，故该框架为规则框架。 3.8横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算 3.8.1 横向自振周期计算

横向自振周期的计算采用结构顶点的假想位移法，按下式进行计算

k n

i

k Gi G V =∑= (3.4)

ij s

j Gi i D V 1

/)(=∑=?μ (3.5)

k n

k T )(1

μμ?∑== (3.6)

式中G k 为集中在k 层楼面处的重力荷载代表值，

V Gi 为把集中在各层楼面处的重力荷载代表值视为水平荷载而得的第i 层层间剪力，

ij s

j D 1

=∑为第i 层的层间侧移刚度，

i )(μ?、k )(μ?分别为第i 、k 层的层间侧移，

K

K

K

K

s 为同层内框架柱的总数[6]。 结构顶点的假想侧移计算见表3.11。

表3.11 结构顶点假想侧移计算

层次 G i V Gi ∑D i (Δμ)i μi (kN) (kN) (N/mm) (mm) (mm) 5 9272.83 9272.83 888196 10.44 196.49 4 10594.19 19867.02 888196 22.37 186.05 3 10594.19 30461.21 888196 34.30 163.68 2 10594.19 41055.40 888196 46.22 129.38 1

10769.18

51824.58

623208

83.16

83.16

基本自振周期)(1s T 可按下式进行计算

T T T μψ7.11= (3.7)

式中ΨT 为结构基本自振周期考虑非承重砖墙影响的折减系数，框架结构取0.6~0.7，本

设计取0.6，

T μ为计算结构基本自振周期用的结构顶点假想位移，单位为m 。

因此443.019649.06.07.11=??=T s 3.8.2 水平地震作用及楼层地震剪力计算

本设计高度不超过40m ，质量和刚度沿高度分部比较均匀，变形以剪切型为主，故可采用底部剪力法计算水平地震作用。 1、结构等效总重力荷载

G eq =0.85∑G i =0.85×51824.58=44050.89kN 2、水平地震影响系数

根据设计资料，Ⅲ类场地，设计分组第一组，特征周期值T g =0.45s ，地震烈度为7度的地震影响系数最大值αmax =0.08，因0.1s ＜T 1=0.443s ＜T g =0.45s ，故α1=αmax =0.08 3、总的水平地震作用标准值即底部剪力 F Ek =α1G eq =0.08×44050.89=3524.07kN

因1.4T g =1.4×0.45=0.63s ＞T 1=0.443s ，故可不考虑顶部附加水平地震作用。

各质点的水平地震作用可按下式进行计算

Ek j

j n

j i

i i F H G H G F 1

=∑=

(3.8)

各楼层地震剪力按下式进行计算

k n

i

k i F V =∑= (3.9)

各质点水平地震作用及楼层地震剪力计算见表3.12。

表3.12 各质点横向水平地震作用及楼层地震剪力计算 层次

H i G i G i H i

F i V i (m)

(kN) (kN·m) (kN) (kN) 5 18.3 9272.83 169692.79 0.301 1060.75 1060.75 4 14.7 10594.19 155734.60 0.276 972.64 2033.39 3 11.1 10594.19 117595.51 0.208 733.01 2766.4 2 7.5 10594.19 29456.43 0.141 496.89 3264.29 1

3.9

10769.18

41999.80

0.074

260.78

3524.07

各质点水平地震作用及楼层地震剪力沿房屋高度的分部如图3.6所示。

（a ）水平地震作用分布 （b ）层间剪力分布

图3.6 地震作用计算简图

3.8.3 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Δμi 和顶点位移μi 分别按下式进行计算

ij s

j i i D V 1/)(=∑=?μ (3.10)

k n

k )(1

μμ?∑== (3.11)

各层的层间弹性位移角θe =Δμi /h i ，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）可知，层间弹性位移角限值[θe ]=1/550，计算结果见表3.13。

j

j i

i H G H G ∑