土木工程(结构工程)毕业设计--中学学生宿舍楼.doc

本 科 生 毕 业 论 文

论文题目
：

姓名
：

学号
：

班级
：

年级
：
2011级
专业
：
土木工程（结构工程）
学院
：
建筑工程学院
指导教师
：

完成时间
：
2015年 5 月20日

目 录

绪论 1
1. 工程概况 2
1.1 设计资料 2
1.2 工程地质条件 2
1.3 设计荷载 2
2. 结构方案设计 3
2.1 结构形式 3
2.2 材料选用 3
2.3 结构布置 3
2.4 构件截面尺寸的初步选定 4
3. 框架侧移刚度计算 7
3.1 框架梁的线刚度 7
3.2 框架柱的线刚度 7
3.3 框架柱的位移刚度D值 8
4. 荷载计算 9
4.1 恒载标准值计算 9
4.2 活荷载标准值 11
4.3 重力荷载代表值的计算 11
4.4 荷载分层总汇 12
5. 横向水平荷载作用下计算 13
5.1 横向水平地震荷载作用下框架结构的内力和侧移计算 13
5.2 横向风荷载作用下框架结构的内力和侧移计算 21
6. 竖向荷载作用下的内力计算 29
6.1 确定计算单元 29
6.2 荷载计算 29
6.3 内力计算 33
7. 框架内力组合计算 43
7.1 内力调幅 43
7.2 框架梁内力组合 44
8. 截面设计 55
8.1 框架梁 55
8.2 框架柱 59
9. 板的设计 63
9.1 楼面板布置图 63
9.2 荷载设计值 63
9.3 计算跨度 64
9.4 弯矩计算 64
9.5 截面设计 65
10. 楼梯设计 67
10.1 楼梯概况 67
10.2 楼梯板设计 67
10.3 平台板计算 69
10.4 平台梁设计 70
11. 基础设计 72
11.1 基础选型及柱底荷载 72
11.2 工程地质条件 72
11.3 基本尺寸与桩数确定 72
11.4 桩基受力计算 74
11.5 桩基沉降计算 74
11.6 桩身结构设计 74
11.7 承台设计 74
结论 78
致 谢 79
参考文献 80
附录 81

绪论
考虑到现浇式钢筋混凝土框架结构的整体性相对较强、抗震性能良好。其结构适用于多高层的办公楼、住宅楼、教学楼和商场等民用建筑。框架结构是高次超静定结构，其由刚接构成的梁柱来传递荷载。
本次工程为江西省赣州市兴国平川中学学生宿舍楼，综合安全和经济效益考虑，采用现浇钢筋混凝土框架结构。建筑面积为4241.87m2，建筑总高度为19.8m，每层楼层高相同（3.3m），楼层数为6层且采用不上人屋面。工程所在地的场地类型为中软场地土，场地类别为II类建筑场地。
出于安全考虑，本结构抗震设防烈度为7度。在此次的毕业设计中，我根据任务书的要求和指导老师的帮助，本着“适用，经济，美观”的原则，完成了本工程的结构设计，并结合相关专业软件对比，从而绘制出施工图。

82

1. 工程概况
1.1 设计资料
建筑名称：江西省赣州市兴国平川中学学生宿舍楼
建筑地点：江西省赣州市兴国县
建筑面积：4241.87m2
建筑层数及各层高度：六层建筑，建筑总高度为19.8m，各楼层高度为3.30m
设计标高：室内地坪
结构形式：框架体系，现浇楼板
抗震设防烈度：7度
建筑等级：丙类
抗震等级：三级
设计使用年限：50年
1.2 工程地质条件
（1）人工填土：厚度为2.5m，桩侧土的极限侧阻力标准值qsk=60kpa
（2）黏土：厚度为5.5m,桩侧土的极限侧阻力标准值qsk=60kpa
（3）粉质黏土：厚度为8.0m，桩侧土的极限侧阻力标准值qsk=85kpa，桩
端阻力标准值qpk=2000kpa。
（4）砂砾石层（未见底）

1.3 设计荷载
（1）楼面： 住宅 ： 2.0kN/m2
卫生间： 2.5kN/m2
（2）屋面（不上人）： 0.5kN/m2
（3）走廊： 2.0kN/m2
（4）楼梯： 2.0kN/m2
（5）屋面雪荷载： 0.35kN/m2

东华理工大学毕业设计 结构方案设计
2. 结构方案设计
2.1 结构形式
根据任务书要求，因为框架结构的抗震性能较好，且整体性好，室内空间可灵活布置，可采用隔断来分割空间，从而适应不同的空间使用需求。因此该学生宿舍楼采用现浇式钢筋混凝土框架结构。参考任务书和设计资料，本工程基础拟选用桩基础。

2.2 材料选用
（1）柱：C30混凝土，纵筋用钢筋，箍筋钢筋；
（2）梁：C30混凝土，主筋用钢筋，箍筋用钢筋；
（3）板：C30混凝土，钢筋用；
（4）基础：C30混凝土，主筋用钢筋，构造钢筋用钢筋

2.3 结构布置
因为楼板是搭在梁上，所以楼板所受的荷载以及楼板自重均传至楼板下的框架梁，再由框架梁传至框架柱（框架柱支撑梁），最后所有的荷载均传至基础和地基。
在了解了框架结构竖向荷载的基本传力方式后，本宿舍楼的受力模式采用横向框架承重方案，这样就可以增大横向框架梁的截面高度，从而增加框架的横向侧移刚度。
结构布置图见图1：

图1 结构布置图
2.4 构件截面尺寸的初步选定
2.4.1 横向框架梁的截面尺寸
因为框架梁的计算跨度柱形心为准且建筑轴线与柱轴线重合，所以横梁计算跨度如下图2所示：

图2 梁的计算跨度

框架梁截面的高度一般取,其中为框架梁的计算跨度。
横向框架梁：
（1）边跨，边跨梁高度：
所以取梁截面高，取宽。
（2）中跨,中跨梁高度：
因需满足：，所以取梁截面高，因为梁的宽度b满足：
且，所以取宽
（3）边跨,所以梁DF截面尺寸与梁AC相同。即取梁截面
高，取宽。

2.4.2 纵向框架梁的截面尺寸
纵向框架梁取，取梁截面高度
因为梁的宽度且，所以取

2.4.3 框架柱的截面尺寸选定
框架柱的截面面积可根据柱子的轴压比确定：
（1）柱组合的轴压力设计值：
注:——柱轴压力增大系数（在地震作用组合后，边柱取，中柱
取）
——简支状态计算柱的负载面积，本工程中：边柱的负载面积为
，中柱负载面积为
——重力荷载代表值（折算在单位建筑面积上的，取）
N ——验算截面以上的楼层层数。

（2）
注： ——框架柱轴压比限值，本工程项目的抗震等级为三级，
由规范可知取为0.9。
——混凝土轴心抗压强度设计值，对于C30混凝土，

对于边柱：

对于中柱：

对于抗震等级为三级且层数超过2层时，柱子截面尺寸不应小于，由计算以及综合各因素考虑，该框架结构柱子截面尺寸均取：，，所以偏于安全。

综合以上计算，该结构各层梁柱截面尺寸见表1和表2所示：

表1 梁的截面尺寸
层次
混凝土等级
梁（b×h）
横向
纵向
1~6
C30
边跨
250×600
250×450
C30
中跨
250×400

表2 柱截面尺寸
层次
混凝土等级
b×h
1～6
C30
500×500

2.4.4 楼板尺寸估算
由规范得现浇钢筋混凝土板板厚要求如下：
（1）一般的民用建筑楼板，双向板最小厚度为，单向板最小值为
（2）双向板不小于，单向板不小于
本设计中，综合安全和经济效益等考虑，选取板的厚度为100mm。

东华理工大学毕业设计 框架侧移刚度计算
3. 框架侧移刚度计算
3.1 框架梁的线刚度
梁的线刚度计算公式：
注：其中——混凝土弹性模量
——梁的截面惯性矩
——梁的计算跨度

由于本工程采用现浇楼面，所以取梁截面惯性矩，本工程中梁柱使用的混凝土均为C30，所以混凝土弹性模量=3.0×104N/mm2 。
即梁的线刚度：
边跨梁C线刚度：
中跨梁D线刚度:
边跨梁F线刚度：

3.2 框架柱的线刚度
柱的线刚度计算：
注：其中——混凝土弹性模量
——柱的截面惯性矩
——框架柱的计算高度
各层柱：

梁柱相对线刚度见图3：

图3 梁柱相对线刚度

3.3 框架柱的位移刚度D值
柱的侧移刚度值由公式可得：
注：其中——柱侧移刚度修正系数（查表可知）
——框架柱的计算高度

表3 框架柱的侧移刚度D值（单位为N/mm）
层次
边柱（24根）
中柱（24根）

1
0.95
0.49
25539
1.60
0.58
30230
1338456
2至6
0.95
0.32
16679
1.60
0.44
22933
950688
所以该框架为规则框架（因为，所以满足要求）

东华理工大学毕业设计 荷载计算
4. 荷载计算
4.1 恒载标准值计算
4.1.1 屋面均布恒载
30厚C30细石混凝土保护层
3+3厚双层SBS改性沥青防水卷材
20厚水泥砂浆找平层
80厚矿渣水泥保温层
100厚现浇钢筋混凝土板
20mm厚板底粉刷抹平
合计 5.54kN/m2

4.1.2 标准层楼面
10厚水磨石地面
20厚水泥砂浆打底
100厚钢筋混凝土楼板
10mm厚纸筋石灰抹底
合计 3.71kN/m2

4.1.3 梁自重
横向边跨梁AB截面尺寸: =250mm×600mm
梁自重
梁侧粉刷（20mm厚抹灰）
合计：

横向中跨梁BC截面尺寸: =250mm×400mm
梁自重
梁侧粉刷（20mm厚抹灰）
合计：

横向边跨梁CD: =250mm×600mm
梁自重
梁侧粉刷（20mm厚抹灰）
合计：

纵向框架梁截面尺寸均为：=250mm×450mm
梁自重
梁侧粉刷（20mm厚抹灰）
合计：

4.1.4 柱自重
截面尺寸：=500mm×500mm
柱自重
柱粉刷（20mm厚抹灰）
合计：

4.1.5 墙自重
（1）外墙自重
墙体（240mm粘土厚空心砖）
外墙面贴瓷砖
内墙面（20mm厚抹灰）
合计 4.44kN/m2

（2）内墙自重
墙体（240mm粘土厚空心砖）
两侧均为20mm厚抹灰
合计 4.28kN/m2

4.2 活荷载标准值
楼面： 住宅 ： 2.0kN/m2
卫生间： 2.5kN/m2
屋面（不上人）： 0.5kN/m2
走廊： 2.0kN/m2
楼梯： 2.0kN/m2
屋面雪荷载： 0.35kN/m2
由规范可知：对于屋面活载取0.5kN/m2（屋面均布活荷载不应与雪荷载同时考虑，两者中取大值）

4.3 重力荷载代表值的计算
屋面恒载标准值： 5.54kN/m2×722.7m2=4003.8kN
楼面恒载标准值 (忽略开洞情况)：3.71kN/m2×722.7m2=2681.2kN
屋面均布活荷载:0.5kN/m2×722.7m2=361.4kN
楼面均布活荷载标准值:2.0kN/m2×722.7m2=1445.4kN
（1）梁柱自重
①各层框架梁总重：（12×4.09+2.7×2.6）×12+3.05×49.5×4= 1277.1kN
②标准层柱总重：6.93kN/m×3.3m×48= 1097.7kN
③首层柱总重：6.93kN/m×3.3m×48= 1097.7kN
（2）墙体自重
①首层墙体重：

②标准层墙体重：

4.4 荷载分层总汇
由竖向荷载传递的基本路径及各类荷载组合，可以将各楼层荷载汇总如下：
（1）顶层重力荷载代表值的计算方法：屋面恒载 + 50%屋面活载 + 梁自重 + 半层柱自重 + 半层墙体自重
标准层重力荷载代表值的计算方法：楼面恒载 + 50%楼面均布活荷载 + 梁自重 + 楼面上下各半层的柱及纵横墙体自重
（2）各层重力代表值的计算：
顶层：
G6= 4003.8+0.5×361.4+1277.1+0.5×1097.7+0.5×3782.7= 7901.8kN
标准层：
Gi= 2681.2+0.5×1445.4+1277.1+1097.7+3782.0= 9560.7kN
首层：
G1= 2681.2+0.5×1445.4+1277.1+0.5×1097.7+0.5×3782.7= 7121.2kN
综上计算可得，集中于各个楼层楼面重力荷载代表值如图4所示：

图4 各层重力荷载代表值

5. 横向水平荷载作用下计算
5.1 横向水平地震荷载作用下框架结构的内力和侧移计算
5.1.1 横向自振周期计算
因为本框架结构的质量和刚度沿高度分布均匀，所以基本自振周期(s），可按照如下公式： 1.7
注：——结构顶点假想位移（将集中在各层楼面处的重力荷载
代表值作为水平荷载进行计算），单位是m
——折减系数（结构基本自振周期考虑非承重砖墙影响，其中
框架结构取，本工程中取值为0.7）
按以下公式计算：
VGi/∑D ij

注：——集中在第层楼面处的重力荷载代表值
——把第层楼面处的重力荷载代表值看作为水平荷载作用的
第层的层间剪力
——第层间侧移刚度
——第层层间侧移

表4 结构顶点的假想侧移
层次

6
7901.8
7901.8
950688
8.31
181.92
5
9560.7
17462.5
950688
18.37
173.61
4
9560.7
27023.2
950688
28.42
155.24
3
9560.7
36583.9
950688
38.48
126.82
2
9560.7
46144.6
950688
48.54
88.34
1
7121.2
53265.8
1338456
39.80
39.80
本工程中取 则：1.70.7=0.5s
5.1.2 水平地震作用及楼层地震剪力计算
该学生宿舍楼建的高度不超过40m，质量和刚度沿高度分布均匀，因此在计算水平地震作用时可以利用底部剪力法。
（1）结构总水平地震作用的标准值计算：

注：——基本自振周期的水平地震影响系数
——等效重力荷载

（2）等效重力荷载的计算：
=0.85×(7121.2+9560.7×4+7901.8)=45275.93kN

（3）水平地震影响系数的计算：
注：——特征周期（查表可得s）
——结构自振周期
——阻尼调整系数（计算公式为）
——水平地震影响系数最大值（查表可得）
所以:
=0.051×45275.93=2309.07kN
=×0.42=0.5
由以上计算知：顶部附加水平地震作用应被考虑进去。
顶部附加地震作用系数：
顶部附加水平地震作用：×2309.07=254 kN

分别将1到6层看成6个质点质点，则水平地震作用：

注：和——分别表示集中于质点和的重力荷载代表值
和——分别表示质点和的计算高度
——结构总水平地震作用的标准值
——顶部附加地震作用系数
将和带入上式中得：

所以各层地震剪力计算可见表5：

表5 横向水平地震作用下楼层地震剪力表
层次

6
19.8
7901.8
156455.6
0.251
515.8
515.8
5
16.5
9560.7
157751.6
0.254
522.0
1037.8
4
13.2
9560.7
126201.2
0.203
417.2
1455.0
3
9.9
9560.7
94650.9
0.152
312.4
1767.4
2
6.6
9560.7
63100.6
0.102
209.6
1977.0
1
3.3
7121.2
23500.0
0.038
78.1
2055.1

5.1.3 水平地震作用下的位移计算
框架结构在水平地震作用下的层间位移和顶点位移分别为：
Vi/∑D ij

注:——第层的重力荷载代表值
——各楼层地震剪力值
——第层间侧移刚度
——第层层间侧移
各层的层间弹性位移角：

表6 横向水平地震作用下的位移验算
层次

6
515.8
950688
0.54
8.64
3300
1/6111
5
1037.8
950688
1.09
8.1
3300
1/3028
4
1455.0
950688
1.53
7.01
3300
1/2157
3
1767.4
950688
1.86
5.48
3300
1/1774
2
1977.0
950688
2.08
3.62
3300
1/1587
1
2055.1
1338456
1.54
1.54
3300
1/2143

综合上表数据，最大层间弹性位移角发生在第层，因为第2层：，所以符合的要求，查找弹性层间位移角限值表得：。

5.1.4 水平地震作用下框架内力计算

表7 横向地震下各层边柱柱端弯矩及剪力计算
层次

(N/mm)
边柱

6
3.3
515.8
950688
16679
9.05
0.95
0.35
10.45
19.41
5
3.3
1037.8
950688
16679
18.21
0.95
0.45
27.04
33.05
4
3.3
1455.0
950688
16679
25.53
0.95
0.475
40.02
44.23
3
3.3
1767.4
950688
16679
31.01
0.95
0.5
51.17
51.17
2
3.3
1977.0
950688
16679
34.68
0.95
0.5
57.22
57.22
1
3.3
2055.1
1338456
25539
39.21
0.95
0.65
84.11
45.29

表8 横向地震下各层中柱柱端弯矩及剪力计算
层次

(N/mm)
中柱

6
3.3
515.8
950688
22933
12.44
1.6
0.38
15.60
25.45
5
3.3
1037.8
950688
22933
25.03
1.6
0.45
37.17
45.43
4
3.3
1455.0
950688
22933
35.10
1.6
0.48
55.60
60.23
3
3.3
1767.4
950688
22933
42.63
1.6
0.5
70.34
70.34
2
3.3
1977.0
950688
22933
47.69
1.6
0.5
78.69
78.69
1
3.3
2055.1
1338456
30230
46.42
1.6
0.625
95.74
57.44

梁端弯矩 剪力以及柱轴力计算方式如下：

k
其中：——节点左梁的线刚度； ——节点右梁的线刚度；
——节点左梁的弯矩； ——节点右梁的弯矩；
——为柱在i层轴力（以压为正）

框架以第六层的计算为例：
边梁：

走廊：

柱轴力计算：
边柱：
中柱：
其他楼层的梁端弯矩、剪力及柱轴力的计算方法同上，现列表如下：

表9 梁端弯矩、剪力以及柱轴力表
层次
边梁
走道梁
柱轴力

边柱N
中柱N
6
19.41
7.89
6.00
4.55
15.09
15.09
2.60
11.61
-4.55
-7.06
5
33.5
13.61
6.00
7.85
36.19
36.19
2.60
27.84
-12.40
-27.05
4
71.27
28.96
6.00
16.71
57.76
57.76
2.60
44.43
-29.11
-54.77
3
91.19
37.06
6.00
21.37
74.68
74.68
2.60
57.45
-50.48
-90.85
2
108.39
44.05
6.00
25.41
88.37
88.37
2.60
67.98
-75.89
-133.42
1
102.51
41.66
6.00
24.03
80.73
80.73
2.60
62.10
-99.92
-171.49

水平地震作用下结构的各内力图如图5和图6所示：

图5 框架弯矩图(kN·m)

图6 梁端剪力和轴力图（kN）

5.2 横向风荷载作用下框架结构的内力和侧移计算
5.2.1 风荷载标准值
风荷载标准值计算公式：

注：——风荷载标准值（单位为kN/m2）
——为基本风压（单位为kN/m2)
——风荷载体型系数
——为风压高度变化系数
——为高度z处的风振系数
此工程的基本风压为0.3kN/m2，即=0.3kN/m2 ，查表得：迎风面，背风面。由建筑设计资料可知，此工程项目地面粗糙度指数为B类地区，H/B=19.8/49.5=0.40 (其中H为建筑物总高度，B为迎风面宽度），所以可查得脉动影响系数=0.42。
因为这栋学生宿舍楼层总高度<30m并且高宽比<1.5，所以忽略脉动风压的影响，风振系数取。
查找规范表得：风荷载体型系数=0.8+0.5=1.3。
查找规范表，并利用内差法可算出风压高度变化系数
沿房屋高度的分布风荷载标准值为：（负载宽度为4.5m）
1.35
例如以第六层为例计算：
迎风面：kN/m
背风面：kN/m
同理其他各楼层风荷载标准值均可算出。
所以沿房屋高度分布风荷载标准值，如表10所示：

表10 沿房屋高度分布风荷载标准值
层次
(m)

(kN/m)
(kN/m)
迎风面
背风面
6
19.80
1.00
1.24
1.00
1.34
0.84
5
16.50
0.83
1.17
1.00
1.26
0.79
4
13.20
0.67
1.08
1.00
1.17
0.73
3
9.90
0.50
1.00
1.00
1.08
0.68
2
6.60
0.33
1.00
1.00
1.08
0.68
1
3.30
0.17
1.00
1.00
1.08
0.68

风荷载沿房屋高度的分布如图7所示：

图7 风荷载沿房屋高度分布（kN·m）

5.2.2 等效节点集中风荷载
在分析框架结构时，应运用静力等效原理，将分布风荷载转等效为节点集中荷载：
=3.53kN

=6.76kN

=6.19kN

=5.89kN
=5.81kN
=5.81kN
等效节点集中风荷载：如下图所示

图8 等效节点集中风荷载（kN）
5.2.3 风荷载作用下的水平侧移验算
（1）框架的层间侧移：

根据上图图8所示的水平风荷载，可以计算出层间剪力，由上式便可以算出各层层间侧移。
J层侧移
顶点侧移
按照上述公式各层层间侧移刚度均可算出，从而计算出各层的相对侧移和绝对侧移，如表11所示：

表11 层间位移表
层次

(N/mm)

6
3.53
3.53
79224
0.04
1.32
1/82500
5
6.76
10.29
79224
0.13
1.28
1/25385
4
6.19
16.48
79224
0.21
1.15
1/15714
3
5.89
22.37
79224
0.28
0.94
1/11786
2
5.81
28.15
79224
0.36
0.66
1/9167
1
5.81
33.99
111538
0.30
0.30
1/11000

（2）侧移验算：
综上可知，在风荷载作用下框架的最大值为：1/9167<，所以符合设计规范。

5.2.4 横向风荷载作用下框架内力计算
（1）柱端弯矩及剪力

由以上公式可计算出横向风荷载下各层柱的内力，如表12和表13所示：

表12 横向风荷载下各层边柱柱端弯矩及剪力计算
层次

(N/mm)
边柱

6
3.3
3.53
79224
16679
0.74
0.95
0.35
0.86
1.59
5
3.3
10.29
79224
16679
2.17
0.95
0.45
3.22
3.93
4
3.3
16.48
79224
16679
3.47
0.95
0.48
5.44
6.01
3
3.3
22.37
79224
16679
4.71
0.95
0.50
7.77
7.77
2
3.3
28.15
79224
16