土木工程毕业结构设计计算书
摘要
m，建设地点在贵阳市，抗毕业设计题目为贵阳市中学教学楼结构设计，建筑面积55172
震设防烈度为6度；上部结构采用钢筋混凝土框架结构，框架抗震等级为三级；基础采用柱下独立基础。
毕业设计包括建筑设计、结构设计两部分。结构设计是重点。结构设计内容包括：构件截面尺寸的确定、竖向和水平荷载计算、框架内力及侧移计算、内力组合、框架梁柱截面配筋以及楼板、楼梯和基础设计。严格按有关结构设计规范或规程进行结构设计，并且考虑了抗震计算和有关构造要求。在计算方法上，水平地震作用采用“底部剪力法”，风荷载和水平地震作用下框架内力计算采用D值法，竖向荷载作用下框架内力计算采用分层法。结构设计算重点是手算，并利用PKPM软件包中Satwe软件检验手算结果。
关键词：教学楼、混凝土、框架结构、内力计算、配筋
前言
毕业设计是土木工程专业本科教学计划的最后一个重要环节，是对学生综合素质与工程实践能力的一次检验；毕业设计能培养学生综合应用所学的基础课、专业基础课、专业课和相应技能，更能提高学生的综合素质和分析处理工程问题的能力。
m，建筑地点在贵阳市，抗震设防毕业设计为四层教学楼，建筑面积达55172
烈度为6度，上部结构为框架结构，基础为预应力桩。本题目建筑结构绘图不算很复杂，但结构计算上也有一些难点。
本毕业设计主要分为建筑设计、上部结构设计、下部结构设计、楼板结构设计、楼梯结构设计和分析与总结六大章。第一章主要是建筑方案与建筑施工图设计说明，第二章是设计的重点，主要是结构方案选型、框架截面尺寸初选、荷载计算、侧移验算、内力分析和组合、框架梁柱配筋计算。第三、四、五章主要是地基，楼板，楼梯的方案选型、尺寸初选和配筋计算。第六章主要是电算与手算的分析比较。
1 建筑设计
1.1设计资料
1.1.1工程概况
拟在贵阳市新中学教学楼，总建筑面积为5517 m2。此教学楼为四层现浇钢筋混凝土框架结构，建筑高度为16.8m。
1.1.2设计原始资料
1）地段平面：L形，东西长69.6m，长边南北宽25.8m，短边南北宽18m。
2）主要建筑材料：
砼：C20，C30；钢筋：HPB235、HRB400；
外墙和隔墙材料：M型烧结砖；
外墙装修：墙面砖或马赛克；
门窗：木夹板门，铝合金窗。
1.2建筑方案选择与建筑施工图设计
1.2.1 建筑方案选择
该建筑东西方向长为69.6m，长边南北方向宽为25.8m，短边南北方向宽为18m。根据该教学楼所处地理位置，设计时已考虑了周围环境，占据好的朝向及景观。1）平面设计
（1）贵阳市中学新教学楼一至四层均为教室。在建筑设计上根据拟建地形以L形安排平面，同时考虑外形美观，建筑设计中应处理好不同功能分区之间的交
通组织，充分利用场地，合理划分功能分区，其平面设计满足采光和防火等要求。
2）外立面设计：
外立面形式美观，可谓是一道靓丽的风景，大开窗提供了充足的光线，充分满足了美观和采光。
3）交通设计：
（1）走道
根据《民用建筑设计通则》（GB 50352-2005）和《中小学校设计规范》（GB50099-2011）可知2400mm的走廊充分满足了人员的走动。
（2）楼梯
楼梯的尺度要综合考虑人行、防火疏散和家具搬运等要求，公共楼梯的面积和尺度应满足最少尺度的要求，不能过于放宽，而降低使用面积。楼梯的尺度还要兼顾楼梯构件规格的简化和统一等方面的因素。
4）屋面排水系统
根据《建筑设计资料集》（第二版）05和年平均降雨量，采用不上人屋面排水。5）卫生间
（1）在满足设备及人体活动空间要求的前提下力求布置紧凑。
（2）卫生间是用水较多的场所，其材料与构造的选择要注意防水、排水和便于清洁。卫生间内蒸汽和异味要组织好通风给以排除。最好采用直接采光和通风。
教室、卫生间满足《中小学校设计规范》第四章中的有关要求。
1.2.2建筑施工图设计
建筑施工图满足《房屋建筑制图统一标准》（GBT 50001—2010）。
2上部结构设计
2.1设计依据
2.1.1工程设计基准期
本工程设计的基准期为50年。
2.1.2．自然条件
1）气象条件
①主导风向：西北风。
②基本风压：W0=0.30kN/m2（按50年一遇采用）。
③基本雪压：S0=0.20kN/m2（按50年一遇采用）。
④雨季集中在7、8、9月份。
⑤土壤最大冻结深度450mm。
2）、主要建筑材料：
砼：C20，C25，C30；钢筋：HPB235、HRB400。
外墙和隔墙材料：加气混凝土砌块。
外墙装修：墙面砖或马赛克。
门窗：木夹板门，铝合金窗或钢窗。
3）、建筑抗震设防烈度为6度，场地土为Ⅲ类
4）、工程地质资料：
建筑场地位于×河Ⅲ级阶地上，地形较平坦，勘探表明，场地地层从上到下由素填土和黄土状土构成，其中素填土层厚1.4～2.5m，以下为黄土状土层，地基土承载力特征值，f ak=180kPa，场地为Ⅲ级非自重湿陷性黄土场地，地下水位标高为-5m，在多雨季无显著变化。水无侵蚀性。
5）建设前期条件
已经进行了场地平整，给水、排水、供电、通讯、供煤气与城市系统连接。2.1.3 设计要求
工程所在地抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类。
2.2 结构方案选型
2.2.1上部结构体系选择、结构布置及计算单元
1）.上部结构体系
由于该结构高度为16.8m，抗震设防烈度为6度，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001）表6.1.1现浇混凝土房屋适用的最大高度：混凝土房屋架结构适用最大高度为60m，框架-抗震墙结构适用最大高度为130m，抗震墙结构适用最大高度为140m，框架核心筒结构适用最大高度为150m，筒中筒结构适用最大高度为180m。本建筑16.8m，以上结构体系都适用于本建筑，但从受力及经济因素考虑，框架结构较为合理。因此本建筑最终采用钢筋混凝土框架结构。
2）.结构布置图详见结构布置。
3）.计算单元取11轴单榀框架为计算单元
2.2.2 基础选型
根据建筑处的地质情况，承载力第四层是承载力很强的中等风化花岗岩，初步确定基础采用独立基础比较适合。
2.2.3 特殊处理：
根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2002），现浇钢筋混凝土框架结构伸缩缝间距不宜超过55m。本工程长度69.6m>55m，但考虑到建筑的使用要求和立面的效果，以及防水处理困难等，目前常采用不设伸缩缝；特别在地震区，由于缝将房屋分成几个独立的部分，地震时常因为互相碰撞而造成震害。因此，目前的总趋势是避免设缝。并从总体布置上或构造上采取一些相应的措施来减少温度收缩和体形复杂引起的问题。为解决混凝土收缩可能引起的裂缝，可考虑在施工阶段每隔30～40m设置一道后浇带，后浇带宽1.0m；为解决温度变化可能引起的裂缝，屋面还可加强保温、隔热措施，楼板可配置分布钢筋。
2.2.4 结构用材料
梁板的混凝土强度等级用C30；
柱的混凝土强度等级用C30；
梁柱钢筋等级均为HRB400。
2.3结构基本尺寸确定及截面几何特性计算
2.3.1 框架梁截面尺寸初选
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》6.3.1得
截面高度：h=(1/8～1/18)L=(1/8～1/18)?7800=433mm～975mm
取mm
=
h500
截面宽度：(1/2~1/3)(1/2~1/3)500250~167
==?=
b h mm
取250
b mm
=
同理：对l=2400m 取h=400mm,b=250mm
2.3.2 框架柱截面尺寸初选
底层柱轴力估算：
假定结构每平方米总荷载设计值为12kN,则底层柱的轴力设计值约为：
=???=
12 4.5 4.54972
N kN
若采用C30混凝土浇捣，由《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）查得
14.3c a f MP =。假定柱截面尺寸450450b h mm mm ?=?，则柱的轴压比为：
972000
0.4314.3450450
c N f bh μ=
==?? 故确定取柱截面尺寸为450450b h mm mm ?=?。边柱截面取和中柱一样为
450450b h mm mm ?=?。
为简化施工，各柱截面从底层到顶层不改变。
2.3.3 板的厚度初选
根据《混凝土结构设计》（GB50010-2002）10.1.1得
楼板：11
450082,1205050
h l mm h mm ≥
=?==短跨实际取， 屋面板：取mm h 120=。
2.3.4框架计算简图
框架柱嵌固与基础顶面，框架梁与柱刚接，由于各层柱的截面尺寸不变，故梁跨等于柱截面形心轴线之间的距离。底层柱高从基础顶面算至二层楼面，室内外高差为-0.450m ，基础顶面至室外地坪通常取-0.500m,故基顶标高至±0.000的距离定为-0.950m ，故底层柱高为5.15m 。其余各层柱高从楼面算至上一层楼面（即层高），各梁柱构件的线性刚度经计算后由此可绘出框架的计算简图如2.4所示。框架梁混凝土强度等级采用C30，其中再求梁截面惯性矩时考虑现浇楼板的作用，取I=2I 。（I 。为不考虑楼板翼缘作用的梁截面惯性矩）。 边跨（BC 、DE 跨）梁：i=2Ec ?
12
1
?0.25?0.53/ 7.8 =6.68?104-Ec （m 3） CD 跨梁： i=2Ec ?
12
1
?0.25?0.43/ 2.4 =11.11?104-Ec （m 3） 上部各层柱：i=Ec ?
12
1
?0.45?0.453/ 4.2 =8.14?104-Ec （m 3）
底层柱：i=Ec ?
12
1
?0.45?0.453/ 5.15 =6.64?104-Ec （m 3）
图2.4 结构计算简图
注：图中数字为线刚度，单位：?10
4
- Ecm 3。
2.3.5 框架梁、柱线刚度与框架的抗侧刚度
框架梁混凝土强度等级采用C30。，考虑现浇楼板参与工作，对中框架梁
00.2I I b =，0I 为框架梁按矩形截面计算的惯性矩。框架梁刚度计算：梁采用C30
混凝土，E=30*106KN/m 2
边跨梁：
734/ 3.01020.250.5/ 6.9 2.310i EI l kN m ==?????=??边（12）
中跨梁：
734/ 3.01020.250.35/12 2.1 2.610i EI l kN m ==?????=??中（）
底层柱：
7
4
4
/ 3.0100.45/12 5.25 2.010i EI l kN m ==???=??底（）
标准层柱：
744/ 3.0100.45/12 3.9 2.610i EI l kN m ==???=??标（）
令' 1.0i =底，则其余各杆件的相对线刚度为：
44' 2.310/2.010 1.15i =??=（）边
44' 2.610/ 2.010 1.3i =??=（）中
44' 2.610/2.010 1.3i =??=（）标
如图2.1所示。
侧移刚度D 计算见表2.1，其中： 一般层：边柱c i i i K 221+=
，中柱c
i i i i i K 24321+++=，K K
+=2α 底层：边柱c i i K 1=
，中柱c
i i i K 21+=，K K ++=25.0α 212h i D c α=
2.4 竖向荷载计算
2.4.1 永久荷载计算
屋面及楼面的荷载
①屋面永久荷载
找平层：15厚水泥砂浆： 0.015×20＝0.302/m kN
防水层（刚性）40厚C20细石混凝土防水：
1.02/m kN
防水层（柔性）三毡四油小石子： 0.42/m kN 找平层：15厚水泥砂浆： 0.015×20＝0.302/m kN 找坡层：40厚水泥石灰焦渣砂浆3％找平： 0.04×14＝0.562/m kN 保温隔热层：80厚膨胀珍珠岩砂浆： 0.08×12＝0.962/m kN 结构层：120厚现浇钢筋混凝土板： 0.12×25＝32/m kN
抹灰层：10厚混合砂浆： 0.01×17＝0.172/m kN
合
计
6.692/m kN
②各层走廊楼面 水磨石地面：10mm 面层 20mm
水泥沙浆打底
0.652/m kN
素水泥浆结合层一道
结构层：100厚现浇钢筋混凝土板： 0.1?25＝2.52/m kN 抹灰层：10厚混合砂浆 20.01170.17/kN m ?=
合
计
23.82/kN m
③标准层楼面永久荷载
大理石面层，水泥砂浆擦缝
30厚1：3干硬性水泥砂浆，面上撒2厚素水泥 1.162
kN
/m 水泥浆结合层一道
结构层：120厚现浇钢筋混凝土板：0.12×25＝32
kN
/m 抹灰层：10厚混合砂浆：0.01×17＝0.172
kN
/m
合计4.332
kN
/m
梁自重
b×h=250mm×500mm
自重：25×0.25×（0.5-0.12）=2.38kN/m
抹灰层：10厚混合砂浆[(0.5-0.12)×2+0.25]×17×0.01=0.17kN/m
合计：2.25kN/m
b×h=250mm×400mm
自重：25×0.25×（0.4-0.12）=1.75kN/m
抹灰层：10厚混合砂浆[(0.4-0.12)×2+0.25]×17×0.01=0.14kN/m
合计：1.89kN/m
柱自重
b×h=450mm×450mm
自重：25×0.45×0.45=5.06kN/m
抹灰层：10厚混合砂浆0.01×0.45×4×17=0.31kN/m
合计：5.37kN/m
横墙自重：
底层：（5.15-0.5-0.4）×0.24×18=18.36kN/m
水刷石外墙面：（4.2-0.5）×0.5=1.85kN/m
水泥粉刷内墙面：（4.2-0.5）×0.36=1.33kN/m
合计：21.54kN/m
标准层：(4.2-0.5)×0.24×18=15.98kN/m
水刷石外墙面：(4.2-0.5)×0.5=1.85kN/m
水泥粉刷内墙面：(4.2-0.5)×0.36=1.33kN/m
合计：19.16kN/m
走廊外横墙自重
标准层：0.9×0.24×18=3.89kN/m
铝合金窗：0.35×(4.2-0.9-0.35)=1.03kN/m
水刷石外墙面：0.5×0.9=0.45kN/m
水泥粉刷内墙面：0.9×0.36=0.32kN/m
合计：5.69kN/m
外纵墙自重
底层：0.9×0.24×18=3.89kN/m
铝合金窗：0.35×(4.2-0.9-0.45)=1.0kN/m
水刷石外墙面：0.5×0.9=0.45kN/m
水泥粉刷内墙面：0.9×0.36=0.32kN/m
合计：5.66kN/m
标准层：0.9×0.24×
18=3.89kN/m
铝合金窗：0.35×(4.2-0.9-0.45)=1.0kN/m
水刷石外墙面：0.5×0.9=0.45kN/m
水泥粉刷内墙面：0.9×0.36=0.32kN/m
合计：5.66kN/m
内纵墙自重
底层：[﹙4.15×4.05-1.6×2.1-1.2×1.5﹚×0.24×18+0.2×1.6×2.1+0.35×1.2×1.5]÷4.05＝11.45kN/m
水泥粉刷墙面:
(4.15×4.05-1.6×2.1-1.2×1.5)÷4.05×0.36×2=2.07kN/m
合计：13.52kN/m
标准层：[﹙3.75×4.05-1.6×2.1-1.2×1.5﹚×0.24×18+0.2×1.6×2.1+0.35×1.2×1.5]÷4.05＝9.72kN/m
水泥粉刷墙面:
(3.75×4.05-1.6×2.1-1.2×1.5)÷4.05×0.36×2=1.57kN/m
合计：11.29kN/m
女儿墙：
200mm厚的实心砖墙：20×0.2=4kN/m2水刷石外墙面：0.96kN/m2 20mm水泥粉刷内墙面：20×0.02=0.4kN/m2
合计： 5.36×1.0= 5.36kN/m
2.4.2 可变荷载计算
查《建筑结构荷载规范》（GB 50009— 2001）得 1）. 屋面可变荷载
不上人屋面，可变荷载为0.5 2/m kN
2）. 楼面可变荷载
走道为2.52/m kN ，楼梯间为3.52/m kN ，其它都为2.02
/m kN
2.5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外墙面的分布风荷载，化为等量的作用于楼面集中风荷载，计算公式如下：
w=βz ·μs ·μz ·ωo
式中：
基本风压0w =0.30 2/m kN ，因结构高度H=16.8m<30m ，可取βz =1.0 ；对于矩形平面μs =1.3；μz 可查《建筑结构荷载规范》。底层柱高H=
4.2+0.45+0.5=
5.15m ;计算过程如下表。表中z 为框架节点至室外地面的高度，A 为一榀框架各层节点的受风面积。
各楼层位置处的风荷载标准值Pw= Ai zi βμs z μωo
风荷载作用下结构计算简图如下图：
2.6竖向荷载计算
作用在框架梁上的竖向荷载包括梁的自重、梁上墙重、梁四周的粉刷、墙两面的粉刷、楼板次梁传来的荷载。取11轴进行竖向重力荷载代表值计算。
2.6.1竖向恒荷载标准值作用下的11轴框架的导荷载
1.楼板自重作用下的导荷载计算
《混凝土结构规范》（GB50010—2002）混凝土板应按下列原则进行计算：
(1)两对边支承的板应按单向板计算；
(2)四边支承的板应按下列规定计算：
①当长边与短边长度之比小于或等于2.0时，应按双向板计算；
②当长边与短边长度之比大于2.0，但小于3.0时，宜按双向板计算；当按沿短边方向受力的单向板计算时，应沿长边方向布置足够数量的构造钢筋；
③当长边与短边长度之比大于或等于3.0时，可按沿短边方向受力的单向板计算。
本结构的板绝大部分为双向板，沿短跨方向的支承梁，承受板面传来的三角形分布荷载；沿长跨方向的支承梁，承受板面传来的梯形分布荷载。
楼板自重作用下11轴框架计算简图，如图2.6-2所示：
楼板活荷载作用下的导荷载计算楼板自重导荷计算相同。由前面荷载计算得楼面活荷载为：上人屋面：2.0 kN/m2；不上人屋面：0.5 kN/m2；走廊、门厅、楼梯：2.5 kN/m2；办公室：2.0 kN/m2。可计算得竖向活荷载标准值作用下11轴框架计算简
图2.6-3所示。
图2.6-2 楼板自重传力计算简图
图2.6-3 楼板活载传力计算简图
顶层：边跨g=6.69×4.5÷2×2=30.105kN/m
q=0.5×4.5÷2×2=2.25kN/m
α=4.5÷2÷6.9=0.326
中跨g=6.69×2.1÷2×2=14.049kN/m
q=0.5×2.1÷2×2=1.05kN/m
标准层：边跨g=4.33×4.5÷2×2=19.485kN/m
q=2.0×4.5÷2×2=9.00kN/m
α=4.5÷2÷6.9=0.326
中跨g=3.82×2.1÷2×2=8.022kN/m
q=2.5×2.1÷2×2=5.25kN/m
首层：边跨g=4.33×4.5÷2×2=19.485kN/m
q=2.0×4.5÷2×2=9.00kN/m
α=4.5÷2÷6.9=0.326
中跨g=3.82×2.1÷2×2=8.022kN/m
q=2.5×2.1÷2×2=5.25kN/m
2.6.2、梁、墙、窗自重作用下的导荷载计算
计算该榀框架的均布荷载时，应把该框架上的墙重、梁重，窗重均化为作用在该框架的均布线荷载，并把由纵向梁（纵向梁的自重，其所承担的墙重和窗重）所传来的力化为加在该框架上的集中力。各楼层11轴框架上梁墙窗传来的均布荷载如图2.6-4所示。
图2.6-4 梁、墙、窗自重传力计算简图
顶层：边跨g=2.25kN/m(b×h=250mm×500mm)
中跨g=1.56kN/m(b×h=250mm×400mm)
标准层：边跨g=2.25kN/m(b×h=250mm×500mm)
中跨g=1.56kN/m(b×h=250mm×400mm)
首层：边跨g=2.25kN/m(b×h=250mm×500mm)
中跨g=1.56kN/m(b×h=250mm×400mm)
2.7第11轴框架内力分析
以下框架内力分析中弯矩以使杆端顺时针为正，剪力以使杆端顺时针转为正，柱的轴力以压为正，反之为负。
2.7.1竖向荷载作用下框架的内力分析
1）.弯矩计算
采用分层法对框架进行内力分析。
分层法作出的两个假定：
（1） 竖向荷载作用下，框架的侧移忽略不计。 （2） 每层框架梁上的荷载对其他层梁的影响可忽略。
分层计算时，假定上下柱的远端为固定端，而实际上框架上下柱的远端为固定端是弹性支承。为了使误差减少，除底层外，其余各层柱的线刚度应乘以折减0.9（折减系数），且弯矩传递系数取1/3。 （3）.固端弯矩计算
将框架梁看成两端固接的梁计算固端弯矩，具体荷载计算方法参见《建筑结构静力计算手册》（第二版），具体如下列各图所示：
① 均布荷载
12
2ql M M B A -==
均布荷载 ② 三角形荷载
96
52
ql M M B A -==
三角形荷载
③ 梯形荷载
)21(12
322
αα+--==ql M M B A
α=a/l
梯形形荷载
④各跨各层在各种荷载下梁固端弯矩如下表2.7-1所示：
注：表中M 的单位为m kN .，P 的单位为kN ，q 的单位为(m kN /)。 竖向恒荷载下的内力计算
梁柱线刚度的增减：中框架梁的线刚增大系数为2.0， 柱的线刚地除底层柱外，各柱取折减系数0.9。 竖向永久荷载下的各层内力计算
竖向永久荷载作用下的各层内力计算采用分层法；剪力由杆平衡得出；轴力由
结点平衡得出。
把框架分成各个单层无侧移框架，各层梁柱相对线刚度如图2.7-1所示：
图2.7-1 修改后梁柱相对线刚度
表2.7-1 各跨各层在各种荷载下梁固端弯矩
竖向荷载固端弯矩（自重）
层数M BC M CB M CD M DC M DE M ED 4层-107.12 107.12 -3.80 3.80 -107.12 107.12 3层-72.48 72.48 -2.42 2.42 -72.48 72.48 2层-72.48 72.48 -2.42 2.42 -72.48 72.48 1层-72.48 72.48 -2.42 2.42 -72.48 72.48