中学楼四层框架结构设计计算书.doc

目 录
中文摘要及关键词 .......... ................................... 3
毕业设计计算书.................................................. 4
第一部分、设计概况
一 工程概况..................................................... 4
二 设计过程..................................................... 4
三 设计特点..................................................... 5
第二部分、结构设计计算书
一 结构方案及布置 .............................................. 5
二、初步选定梁柱截面尺寸及材料强度等级.......................... 5
三 计算各层重力荷载代表值及结构刚度参数......................... 9
（一） 计算各层重力荷载代表值 ................................... 9
（二） 刚度参数计算 .............................................13
四 计算横向框架自振周期 ........................................15
五 计算多遇地震烈度下横向框架的弹性地震作用 ....................17
六 多遇地震作用下结构层间弹性变形验算 ..........................18
七 上述地震作用下结构内力分析 ..................................19
（一）柱端剪力..................................................19
（二）柱的上下端弯矩 ...........................................19
（三） 框架梁端弯矩 .............................................20
（四） 框架梁端剪力计算 .........................................21
（五） 框架柱的柱力计算 .........................................21
八 竖向荷载作用下横向框架的内力分析 ............................25
（一）荷载及计算简图 ...........................................23
（二）框架内力计算 .............................................38
九 荷载效应组合 ................................................42
（一）梁的支座弯矩和剪力 .......................................42
（二）、梁跨中最大弯矩 ..........................................49
十、按组合内力进行梁柱配筋计算..................................51
（一） 框架梁...................................................51
（二） 框架柱...................................................52
十一、 延性构造措施 ............................................54
（一）、梁钢筋的设置要满足下列要求 ..............................54
（二）、梁柱节点处钢筋的锚固 ....................................54
十二 楼梯设计 ..................................................55
（一）斜板设计 .................................................57
（二）平台板设计 ...............................................59
（三）平台梁设计 ...............................................60
十三 基础设计 ..................................................60
（一）构造要求 .................................................61
（二）设计计算 .................................................62
十四 施工组织设计...............................................

总结与体会 .....................................................
谢词 ...........................................................
参考文献 .......................................................

摘 要：
本设计为重庆市某中学教学楼，四层钢筋混凝土框架结构，建筑面积为2841.6m2，室外地坪至屋面板顶板的总高度为15.6m。
本设计包括建筑设计、结构设计、施工组织设计三部分。
结构设计选取了一榀主要框架进行计算。内容包括荷载计算、内力计算、内力组合、承载力计算。现浇楼梯设计。基础的选型和布置，并取一个独立基础进行设计。
关键词：
钢筋混凝土 框架 结构设计 现浇楼梯 基础设计

毕业设计计算书
第一部分、设计资料
一、建筑资料
该工程为一教学楼，拟建于城市新建的居住小区内，总建筑面积3000 m2左右，建筑形状为一矩形体，总长51m，总宽15.5m，共4层，总高为16.7m。层高均为3.9m，四层多为办公室，层高应该低一点，但考虑到四层有一个多功能教室，面积相对较大，所以层高也定为3.9m。室内外高差为0.45m。祥见建筑施工图。
该建筑为钢筋混凝土框架结构，属丙类建筑。
二、设计资料
1、气象资料 基本雪压 S0=0
基本风压 W0=0.35 kN/m2
2、地质、水文资料
本工程场地平坦、开阔，杂填土厚为0.8m，以下为黄沙岩，地基承载力设计值R=350KN/m，地下水位-0.35m。
3、本场地地震基本烈度为8度区，按此设防。
第二部分、结构设计计算书
一、结构方案及布置
该建筑为教学楼，建筑平面布置灵活，有较大空间，可考虑采用框架结构或框－剪结构。由于楼层为四层，主体高度为16.7m，8度抗震，考虑到在8度抗震设防区框架结构体系适用的最大高度为45m，框架结构在10层以下的建筑中具有较好的抗震性能，在一般烈度区建造的多层框架房屋是可以保证安全的。框架结构本身抗震性能好，能承受较大的变形，所以选择框架结构。
该工程采用全现浇结构体系，由于任务书上要求的预制板，现有资料难于查到，根据任务书提出有些条件在结构设计阶段可根据实际情况调整的规定，楼盖采用现 浇混凝土板。梁板混凝土强度等级为C35，柱采用C混凝土。墙体采用粘土砖空斗砌体。

二、初步选定梁柱截面尺寸及材料强度等级
1、初估梁柱截面尺寸
框架梁截面尺寸：框架梁的截面尺寸应该根据承受竖向荷载的大小、梁的跨度、框架的间距、是否考虑抗震设防要求以及选用的混凝土材料强度等诸多因素综合考虑确定。
一般情况下，框架梁的截面尺寸可参考受弯构件按下式估算：梁高h=(1/8～1/12)l，其中l为梁的跨度。梁宽b=(1/2～1/3)h。在抗震结构中，梁截面宽度不宜小于200mm，梁截面的高宽比不宜大于4，梁净跨与截面高度之比不宜小于4。

① 、框架梁截面尺寸：
根据梁高：H=（1/8~1/12）L B=(1/2~1/3)H 得：

KJ—1： H=（1/8~1/12）L =（1/8~1/12）×6300=525~787.5 ㎜
取H=700㎜
B=(1/2~1/3)H= (1/2~1/3)×700=233~350㎜
取B=300㎜
KJA ： H=（1/8~1/12）L =（1/8~1/12）×6000=500~750 ㎜
取H=700㎜
B=(1/2~1/3)H= (1/2~1/3)×700=233~350㎜
取B=300㎜
KJA-： H=（1/8~1/12）L =（1/8~1/12）×10800=900~1350 ㎜
取H=900㎜
B=(1/2~1/3)H= (1/2~1/3)×900=300~450㎜
取B=400㎜
四层KJ-2：H=（1/8~1/12）L =（1/8~1/12）×14800=1233~1850 ㎜
取H=1400㎜
B=(1/2~1/3)H= (1/2~1/3)×1400=460~700㎜
取B=500㎜
次梁截面尺寸：
CL—1： H=（1/8~1/12）L =（1/8~1/12）×6000=500~750 ㎜
取H=500㎜
B=(1/2~1/3)H= (1/2~1/3)×500=167~250㎜
取B=250㎜
CL—2： H=（1/8~1/12）L =（1/8~1/12）×7800=650~975 ㎜
取H=650㎜
B=(1/2~1/3)H= (1/2~1/3)×650=217~325㎜
取B=250㎜
CL—3： H=（1/8~1/12）L =（1/8~1/12）×6000=500~750 ㎜
取H=500㎜
B=(1/2~1/3)H= (1/2~1/3)×500=167~250㎜
取B=250㎜
② 、框架柱截面尺寸：
在计算中，还应注意框架柱的截面尺寸应符合规范对剪压比()、剪跨比()、轴压比()限值的要求，如不满足应随时调整截面尺寸，保证柱的延性。抗震设计中柱截面尺寸主要受柱轴压比限值的控制，如以ω表示柱轴压比的限值，则柱截面尺寸可用如下经验公式粗略确定：

式中；A——柱横截面面积，m2，取方形时边长为a；
n——验算截面以上楼层层数；
F——验算柱的负荷面积，可根据柱网尺寸确定，m2；
fc——混凝土轴心抗压强度设计值；
ω——框架柱最大轴压比限值，一级框架取0.7，二级框架取0.8，三级框架取0.9。
φ——地震及中、边柱的相关调整系数，7度中间柱取1、边柱取1.1，8度中间柱取1.1、边柱取1.2；
G——结构单位面积的重量(竖向荷载)，根据经验估算钢筋混凝土高层建筑约为12～18kN／m2。
KJ—3底层柱
KJ—3:(A轴线)
==0.158㎡
a==397㎜
KJ—3: (B轴线)
==0.261㎡
a==511㎜

KJ—3: (C轴线)
==0.223㎡
a==472㎜
KJ—6底层柱
KJ—6: (A轴线)
==0.221㎡
a==470㎜
KJ—6: (B轴线)
==0.287㎡
a==535㎜
KJ—6: (C轴线)
==0.139㎡
a==372㎜
KJ—2四层柱
KJ—2: (A轴线)
==0.074㎡
a==272㎜
③ 、 板截面尺寸：
截面尺寸表

b(mm)
h(mm)
框架梁
350
700
框架梁（四层kj-2）
500
1400
KJA-
400
900
次 梁
250
500
柱
600
600
卫生间板
h=110mm
楼板为现浇双向板，根据经验板厚：
h=(1/40～1/50)=(1/40～1/50)×5500=110～137.5㎜,取h=110㎜
根据计算结果，考虑抗震设防烈度，以及教学楼空间要求大、使用荷载较大的特点 ，各截面尺寸如下：
④ 、柱高度
底层柱=层高+室内外高差+基础顶面至室外地面的高度3.9+0.45+0.5=4.85,其它层同层高。
⑤ 、材料强度等级

1～4层的梁、板混凝土强度等级均为C35；1～4层柱采用C混凝土。纵向钢筋采用HRB400级和HRB335级热轧钢筋；箍筋宜采用HPB235级热轧钢筋。
⑥ 、计算简图、选取计算单元：
ⅰ、平面计算简图（如图2-1），标注框架编号（横向为1、2、3┈，纵向为A、B、C┈）、框架梁编号（材料、截面和跨度相同的编同一号），确定梁的计算跨度；

图2-1 平面计算简图
ⅱ、选取⑦轴横向框架为计算单元，画出计算简图（如图2-2），标出计算跨度、柱的计算高度

图2-2 框架-6计算简图
三、计算各层重力荷载代表值及结构刚度参数
（一）、计算各层重力荷载代表值
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。可变荷载的组合系数见《抗规》5.1.3。
1、屋面竖向恒载：按屋面的做法逐项计算均布荷载×屋面面积
屋面采用三毡四油上铺小石子的做法，根据荷载规范
30㎜厚细石混凝土保护层 22×0.03=0.66 KN/㎡
三 毡 四 油 防 水 层 0.4 KN/㎡
20㎜厚水泥砂浆找平层 20×0.02=0.4 KN/㎡
150㎜水泥蛭石保温层 5×0.15=0.75 KN/㎡
110㎜钢筋混凝土板 25×0.11=2.75 KN/㎡
V型轻钢龙骨吊顶 0.25 KN/㎡
屋面恒载标准值 Σ＝5.26KN/㎡
G=5.26×14.8×47.5=3662.63 KN
2、屋面竖向活载：(不上人屋面活载标准值取0.5 kN/m2 )
荷载×屋面面积；
0.5×14.8×47.5=351.5 KN
3、楼面竖向恒载：按楼面的做法逐项计算均布荷载×楼面面积
一至三层楼面：
教室：
水磨石地面 0.65 KN/㎡
110㎜钢筋混凝土板 25×0.11=2.75 KN/㎡
V型轻钢龙骨吊顶 0.25 KN/㎡
楼面恒载标准值 Σ＝3.65KN/㎡
3.65×（18×6.3－2.1×6）=367.92 KN
卫 生 间 ：
瓷砖地面（包括水泥粗砂打底） 0.55 KN/㎡
110㎜钢筋混凝土板 25×0.11=2.75 KN/㎡
V型轻钢龙骨吊顶 0.25 KN/㎡
楼面恒载标准值 Σ＝ 3.55 KN/㎡
3.55×（5.5×6.0﹢2.1×6）=161.88 KN
其 余 :
水磨石地面 0.65 KN/㎡
110㎜预制钢筋混凝土板 25×0.11=2.75 KN/㎡
V型轻钢龙骨吊顶 0.25 KN/㎡
楼面恒载标准值 Σ＝3.65 KN/㎡
3.65×（46.8×14.1﹣6.9×6.3﹣18×6.3﹣5.5×6）=1692 KN
G=367.92+161.88+1692=2221.8KN
4、楼面竖向活载：楼面均布活荷载×楼面面积
活载标准值：
教室、实验室、会议室等 2.0 kN/m2
卫 生 间 2.0 kN/m2

走道、楼梯 2.5 kN/m2
1~3层功能面积分布情况：
卫生间： 5.5×6+2.1×6＝45.6㎡
走道、楼梯： 3.6×6.3＋3.3×6.3+2.3×46.8＝151.11㎡
教室、实验室： 46.8×14.1－45.6－151.11＝463.17㎡
1~3层竖向活载
45.6×2.0＋151.11×2.5＋463.17×2.0＝1395.3kN
5、梁柱自重（包括梁侧、梁底、柱的抹灰）：梁侧、梁底抹灰、柱周抹灰，近似按加大梁宽及柱宽考虑，一般加40mm。

混凝土容重：25KN/m3

6、墙体自重：（包括女儿墙和各种纵横隔墙）
墙体两面抹灰，近似按加厚墙体40mm考虑。

粘土砖空斗砌体的容重：15KN/m3

7、荷载分层总汇
屋面重力荷载代表值Gi=屋面恒载+50%屋面活荷载+纵横梁自重+楼面下半层的柱及纵横墙自重+女儿墙重；
G4=3662.63+0.5×351.5+2530.1+（1262.75+4365.6）+322.71
=9505.1 KN
各楼层重力荷载代表值Gi=楼面恒荷载+50%楼面活荷载+纵横梁自重+楼面上下各半层的柱及纵横墙自重；
G=2221.8+0.5×1395.3+2263.61
+ （1313.26+2840.22+1262.75+4365.6）=10074KN
G=2221.8+0.5×1395.3+2263.61

+ （1313.26+2840.22+1313.26+2648.67）=9544.8KN
G=2221.8+0.5×1395.3+2263.61
+ （1313.26+2648.67+1633.06+3178.12）=9453.9KN
总重力荷载代表值=9505.1+10074+9544.8+9453.9=38577.86KN
（二）、刚度参数计算
1、梁的线刚度计算：
E=3.15KN/㎡，b=0.35 m，h=0.7 m,
L=7.8 m, L=6.3 m,
I===10×10-3m
底层边框架梁线刚度：
A～B 轴：i===6.06KN·m
B～C轴: i===7.50KN·m
底层中框架梁线刚度：
A～B 轴：i===8.08KN·m
B～C轴: i===10.00KN·m
同理可求得其余各层梁线刚度，如表3：

2、柱的线刚度计算
各层柱分别列表计算：
E=3.25KN/㎡，b=0.6 m，h=0.6 m, H=4.85 m,
H2=H3=H4=3.9m
I===10.8×10-3 m
底层柱线刚度： i===7.241KN·m
2~3层柱线刚度：i===9KN·m
3、横向框架柱的侧移刚度值
根据D值法，第i层第j 根柱的侧移刚度为：

式中，α体现了节点转角的影响，对于框架一般层的边柱与中柱和首层的边柱与中柱的α值详见课本《混凝土结构下册》(武汉理工大学出版社) P201 、P203

柱的侧移刚度按上式计算，式中系数由书P203表3-3查得。根据梁柱的线刚度比的不同，可分为中框架中柱、边柱和边框架中柱、边柱，以及楼梯间柱。现以KJ--6第二层柱Z6的侧移刚度计算为例，说明计算过程，其余柱的计算过程从略，计算结果见表5

图3-1 KJ—6 柱（Z6 ）及与其相连梁的相对线刚度
由图可知，根据公式

由式

其余各柱的刚度、总刚度计算见下页表5

四、计算横向框架自振周期
建筑物总高度为16.7m，且质量和刚度分布均匀，可采用底部剪力法计算结构的地震作用。
结构基本周期采用能量法公式，房屋外采用240mm厚陶粒空心砌块，内墙为240mm厚粘土空心砌块和180厚粘土空心砌块，其周期折减系数取为0.7，具体计算如表6。

装订时换表5页

能量法计算基本周期：

式中，ui——把集中在各楼层处的重力荷载代表值Gi视为作用在楼面处的水平力时，按弹性刚度计算得到的结构顶点侧向位移（m）。
式中，——上述水平力作用下第i层的层间剪力，;
——第i层柱的侧移刚度之和
五、计算多遇地震烈度下横向框架的弹性地震作用
对满足底部剪力法适用条件的框架结构，可用底部剪力法求解。
本建筑场地地震基本烈度为8度区，属于坚硬场地区，I类建筑场地，第三组。查《抗规》表，得，αmax＝0.16，
α1＝αmax（Tg/ T1）0.9=0.16×（0.35/ 0.50）0.9＝0.112
T1＝0.50S＞1.4 Tg =1.4×0.35＝0.49 s

应考虑顶部附加水平地震作用，顶部附加地震作用系数为
＝0.08 T1＋0.01=0.050
结构总水平地震作用去掉标准值为：
=0.112×0.85×38577.86=3672.6KN
附加顶部集中力=0.050×3672.6=183.6KN
楼面处水平地震作用标准值及层间地震剪力如下：
六、多遇烈度地震作用下结构层间弹性变形验算
1、 层间剪力的计算（课本P119）（上表已算出）
＋
2、 层间弹性变形计算

验算是否满足。

七、上述地震作用下结构内力分析
㈠ 、求柱端剪力
第i层第k 根柱子的剪力为

㈡ 、柱的上下端弯矩

式中，y——为柱子的反弯点高度比，
——柱标准反弯点高度比，标准反弯点高度比是各层等高、各跨跨度相等、各层梁和柱线刚度都不改变的多层多跨规则框架在水平荷载作用下求得的反弯点高度比，查表得。
——上下梁线刚度变化时的反弯点高度比修正值；当某柱的上、下梁线刚度不同，柱上、下节点转角不同时，反弯点位置有变化，应将加以修正，修正值为。
、——上下层高度变化时反弯点高度比修正值，
以4层中柱为例计算：
由前面计算得：，，，
查表得 =0.45，=0，=0，顶层不考虑的修正。
=0.45
得：

其余同理计算得表9

换表9 地震作用下框架柱剪力及柱端弯矩计算

㈢ 、 框架梁端的弯矩
根据节点平衡，求梁端弯矩：
对于中柱，左、右梁端弯矩可由上、下柱端弯矩之和按左、右梁的线刚度比例分配

对边柱节点：

以KJ-6第3层计算为例：
柱A：
， ，
=70.6+174.8=245.4
柱B:
， ，
=

=
柱C：
， ，
=85.8+201.8=287.6
其余各梁端的弯矩计算雷同，见表10

㈣ 、框架梁端的剪力计算

根据框架梁隔离体的平衡条件，梁端弯矩的代数和除以梁的跨度即可得梁端剪力
（5-21）
同样取第三层为例计算：

A～B轴梁AB：=
B～C轴梁BC：=
其余见表10
㈤ 、框架柱的轴力计算
对于中柱，每个节点左、右梁端剪力之差即为柱的该层层间轴向力；
对于边柱，节点一侧的梁端剪力即为柱的该层层间轴向力；
从上到下逐层累加层间轴向力，即得柱在相应层的轴力。
计算结果见表10

换表10 地震作用下框架梁端弯矩 此表须裁剪复印成A4大小

图7-1 框架梁柱的弯矩图

图7-2 框架柱的剪力图、轴力图

八、竖向荷载作用下横向框架的内力分析
1、横向框架梁上的线荷载（恒载和活荷载分别算）
⑴、楼（屋）面均布荷载传给梁的线荷载（双向板）板的等效均布荷载：（见表12）
梯形分布：
短向（三角形）分配荷载：
长向（梯形）分配荷载：
⑵、梁上的永久荷载＝梁自重＋楼（屋）面板均布永久面荷载传给梁的线荷载＋梁上
墙体自重
①、横向框架梁上线荷载
1)、KJL-6恒载计算：
1层KJL-6恒载：
（A～1/A跨）
梁自重（包括粉刷） 6.83 kN/m
楼 面 传 来 恒 载 11.7kN/m
墙自重（包括粉刷） 0.00 kN/m

恒载标准值 gk＝18.53kN/m
（1/A～B跨）
梁自重（包括粉刷） 6.83 kN/m
楼 面 传 来 恒 载 6.04kN/m
墙自重（包括粉刷） 0.00 kN/m

恒载标准值 gk＝12.87kN/m
（B～C跨）
梁自重（包括粉刷） 6.83 kN/m
楼 面 传 来 恒 载 5.51kN/m
墙自重（包括粉刷） 11.5 kN/m

恒载标准值 gk＝23.84kN/m
2层KJL-6恒载：
（A～1/A跨）
梁自重（包括粉刷） 6.83 kN/m
楼 面 传 来 恒 载 11.7kN/m
墙自重（包括粉刷） 11.5 kN/m

恒载标准值 gk＝30.03kN/m
（1/A～B跨）
梁自重（包括粉刷） 6.83 kN/m
楼 面 传 来 恒 载 6.04kN/m
墙自重（包括粉刷） 0.00 kN/m

恒载标准值 gk＝12.87kN/m
（B～C跨）
梁自重（包括粉刷） 6.83 kN/m
楼 面 传 来 恒 载 5.51kN/m
墙自重（包括粉刷） 0.00 kN/m

恒载标准值 gk＝18.53kN/m
3层KJL-6恒载：
（A～1/A跨）
梁自重（包括粉刷） 6.83 kN/m

楼 面 传 来 恒 载 11.7kN/m
墙自重（包括粉刷） 11.5 kN/m

恒载标准值 gk＝30.03kN/m
（1/A～B跨）
梁自重（包括粉刷） 6.83 kN/m
楼 面 传 来 恒 载 6.04kN/m
墙自重（包括粉刷） 0.00 kN/m

恒载标准值 gk＝12.87kN/m
（B～C跨）
梁自重（包括粉刷） 6.83 kN/m
楼 面 传 来 恒 载 5.51kN/m
墙自重（包括粉刷） 11.5 kN/m

恒载标准值 gk＝23.84kN/m
4层KJL-6恒载：
（A～1/A跨）
梁自重（包括粉刷） 6.83 kN/m
屋 面 传 来 恒 载 14.51kN/m

恒载标准值 gk＝21.34kN/m
（1/A～B跨）
梁自重（包括粉刷） 6.83 kN/m
屋 面 传 来 恒 载 7.49kN/m

恒载标准值 gk＝14.32kN/m
（B～C跨）
梁自重（包括粉刷） 6.83 kN/m
屋 面 传 来 恒 载 9.04kN/m

恒载标准值 gk＝15.87kN/m

②、横向次梁上线荷载
1）、次梁 CL2-4 （A～1/A跨）恒载计算：
1～2层（A～1/A跨）恒载：
梁自重（包括粉刷） 4.71 kN/m
楼面传来恒载 12.42kN/m
梁上横墙自重 0.00kN/m

恒载标准值 gk＝17.13kN/m
3层（A～1/A跨）恒载：
梁自重（包括粉刷） 4.71 kN/m
楼面传来恒载 12.42kN/m

梁上横墙自重 11.5kN/m

恒载标准值 gk＝28.63kN/m
4层（A～1/A跨）恒载：
梁自重（包括粉刷） 4.71 kN/m
楼面传来恒载 15.4kN/m
梁上横墙自重 0.00kN/m

恒载标准值 gk＝20.11kN/m
2）、次梁 CL2-4（1/A～B跨）恒载计算：
1～3层（1/A～B跨）恒载：
梁自重（包括粉刷） 4.71 kN/m
楼面传来恒载 6.24kN/m
梁上横墙自重 0.00kN/m

恒载标准值 gk＝10.95kN/m
4层（1/A～B跨）恒载：
梁自重（包括粉刷）