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1、内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书 题 目：内蒙古天彩稀土技术责任有限公 司办公楼建筑结构设计 学生姓名： 学 号： 专 业：土木工程 班 级：土木 指导教师：109 内蒙古天彩稀土技术责任有限公司办公楼建筑结构设计（方案一）摘 要本工程为内蒙古包头市天彩稀土技术责任有限公司办公楼工程，根据设计任务书以及有关资料，结构形式为现浇钢筋混凝土框架结构，主体结构为5层，总建筑面积约5200。该设计包括建筑、结构两大部分。本册说明书仅为结构部分的设计计算书，主要设计内容有：1 结构选型，确定截面尺寸，计算重力荷载代表值。2 结构抗震计算，利用顶点位移法计算结构自振周期、利用底部剪力法计算水平地震作用以
2、及水平地震作用下该框架结构的内力。3 利用弯矩二次分配法计算该框架结构在竖向荷载作用下的内力。4 内力组合，利用最不利内力组合确定梁柱截面设计。5 楼盖、楼梯、基础设计。6 用PK-PM电算程序对框架结构进行计算。除此之外，根据计算结果还绘制了图纸（框架、基础、楼梯、楼板配筋图），其中两张图纸为手工绘制，其余图纸利用PK-PM电算结果和CAD绘制。关键词：框架结构、 地震作用、 内力组合、 截面设计The architectural and structural design on office building of rare earth day color Technologies Ltd
3、 in Inner Mongolia ( project 1)AbstractThe design is on the office building of rare earth day color Technologies Ltd in Inner Mongolia. The structure adapts reinforced concrete frame structure according to the design assignment and the relative data, the principal part contains 5 floors, the total a
4、rchitectural areas is about 5200 square meters.This design includes architecture, structure, the explaining book is just about the calculation of the structure part, and the following is the primary content.1 Choose the structure type, confirm the section size, and calculate the representation value
5、 of gravity load. 2 Seismic calculation of structure, calculate the natural period of vibration with the topic displacement method and calculate the earthquake action and structural internal force with equivalent bottom shear method.3 calculate the internal force of frame structure in the vertical l
6、oad by moment distributive method. 4 internal force combination, use the most disadvantageous internal force Combination to design the beam and column. 5 structure design of floor, stair and foundation.6 calculate the frame structure with PK-PM program. In addition, frame, foundation, stair and floo
7、r configure drawing were plotted according to calculated result, two drawing by plotted by handwork, other drawings by plotted by CAD and PK-PM. Key words: Frame structure, Earthquake action, Internal force combination, Design of section目 录摘 要IAbstractII第一章 工程概况11.1 工程简介11.2 地质、水文及气象资料11.3 施工技术条件及建筑
8、材料供应1第二章 结构布置及梁柱截面尺寸确定22.1 结构布置及计算简图22.2 梁柱截面尺寸初定32.2.1 主梁尺寸32.2.2 次梁尺寸42.2.3 柱截面尺寸42.2.4 楼板尺寸6第三章 荷载计算73.1 屋面及楼面的永久荷载73.1.1 屋面荷载（不上人）73.1.2 楼面荷载73.2 墙、门窗重力荷载73.2.1 外墙荷载83.2.2 内墙荷载83.2.3 门窗荷载83.3 梁柱荷载93.4 屋面及楼面可变荷载9第四章 重力荷载代表值计算10第五章 框架侧移刚度计算16第六章 水平地震作用下框架结构内力和侧移计算196.1 横向自振周期计算196.2 水平地震作用及楼层地震剪力计
9、算196.3 水平地震作用下的位移验算206.4 水平地震作用下框架内力计算216.4.1 柱剪力及柱端弯矩计算216.4.2 梁端弯矩、剪力及柱轴力计算22第七章 竖向荷载作用下框架结构的内力计算267.1计算单元267.2 恒载计算277.3 活载计算287.4 内力计算307.4.1 分配系数计算307.4.2 节点弯矩计算327.4.3 弯矩二次分配33第八章 框架内力组合408.1 结构抗震等级418.2框架梁内力组合428.3 梁跨间最大弯矩计算438.4 梁跨间剪力调整448.5 框架柱内力组合458.6 柱端弯矩及柱剪力调整498.6.1 柱端弯矩调整498.6.2 柱端剪力调
10、整50第九章 框架梁的截面设计和构造要求519.1 梁的正截面受弯承载力计算519.2 梁斜截面受剪承载力计算559.3 框架柱截面设计569.3.1 剪跨比和轴压比验算569.3.2 柱正截面承载力计算569.3.3 柱的斜截面承载力计算589.4 框架梁柱节点设计59第十章 楼板设计6210.1 设计资料6210.1.1 截面尺寸6210.1.2 荷载计算6210.2 板的计算6210.2.1 双向板设计6210.2.2 单向板设计66第十一章 次梁设计6811.1 荷载及内力计算6811.1.1 荷载设计值6811.1.2 内力计算6811.2 截面设计6811.2.1 正截面受弯承载力
11、计算6811.2.2 斜截面受剪承载力计算69第十二章 楼梯设计7112.1 梯段板设计7112.1.2 配筋计算7212.2 平台板设计7212.2.1 荷载及内力计算7212.2.2 配筋计算7212.3 平台梁设计7312.3.1 荷载 及内力计算7312.3.2 配筋计算7312.3.3 斜截面受剪承载力验算74第十三章 基础设计7513.1 设计资料7513.2 独立基础设计7513.2.1 基础埋深的确定7513.2.2 基础底面尺寸的确定及地基承载力验算7613.2.3 基础抗冲切验算7813.2.4 基础配筋计算8113.3 联合基础设计8313.3.1 基础底面尺寸确定831
12、3.3.2 地基承载力验算8513.3.3 基础抗冲切验算8513.3.4 基础配筋计算86第十四章 电算部分88外文翻译92参 考 文 献108致 谢109第一章 工程概况1.1 工程简介内蒙古天彩稀土技术责任有限公司办公楼工程，建筑面积约为5200平方米，根据包头市规划部门及甲方要求，本工程拟建层数为五层，框架结构,总高度不超过24m,建筑总面允许有10%增减。1.2 地质、水文及气象资料拟建工程所在地地形较为平坦。自然地坪以下1.6m2.3m为细砂层，承载能力标准值f = 180kN/（KPa）；2.3m3.9m为砾砂层，承载能力特征值f = 280kN/（KPa）；3.9m6.9m为圆
13、砾层，承载能力特征值f = 350kN/（KPa），类场地。地下水位在自然地面以下9.5511m，地下水对各种混凝土无侵蚀性。土壤冻结深度为1.6m。地震烈度：8度（0.2g）、第一组。最热平均温度：27.3（绝对最高温度39）最冷平均温度：-10（绝对最低温度-25）主导方向：北风，西北风。基本风压值：0.55kN/基本雪压值：0.25kN/1.3 施工技术条件及建筑材料供应施工技术条件及预制构件的能力，按包头市地区条件，建筑材料供应，以本地区原材料为主，外地材料为辅。第二章 结构布置及梁柱截面尺寸确定 2.1 结构布置及计算简图结构平面形状宜简单、规则、对称，刚度和承载力分布均匀，不应采用
14、严重不规则的平面形状。结构的主要抗侧力构件应对称布置，尽量使结构的刚心与质心重合，避免地震时引起结构扭转及局部应力集中。结构平面布置如下图所示。图2.1 结构平面布置图结构的竖向布置应使体型规则、均匀，避免有较大的外挑和内收，质量沿高度方向均匀分布，结构的承载力和刚度宜自下而上逐渐的减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。结构整体采用L型，在L型转角处设置变形缝，将结构分为两个一字型。横向、竖向均较为简单、规则。计算简图用框架的轴线表示，框架柱的底部与基础顶面固接。25层柱的计算高度即为层高，取3.6m；底层柱的计算高度从基础顶面到一层楼板底面，室内外高差为0.45m，基础埋深1.7m，阶
15、梯形基础每阶高度取0.40m，即h=3.6+0.45+0.5-0.1=4.45 m。 图2.2 横向框架计算简图2.2 梁柱截面尺寸初定根据建筑抗震设计规范第6.3.1，梁的截面尺寸，宜符合下列各项要求：1、截面宽度不宜小于200mm；2、截面高宽比不宜大于4；3、为了避免发生剪切破坏，梁净跨与截面高度之比不宜小于4。2.2.1 主梁尺寸框架结构中梁截面高度h一般取计算跨度的1/141/8，当梁的负载面积较大或荷载较大时宜取上限值。同时为防止梁产生脆性破坏，梁的净跨与截面高度之比不宜小于4。梁的截面宽度可取梁高的1/31/2，同时不应小于250mm。主梁截面尺寸的确定：横向框架梁：h=(1/1
16、41/8 )6900=493863（mm），取700mm b=(1/31/2)700=233350（mm）, 取 300mm纵向框架梁：h=(1/141/8)7200=514900（mm）, 取700mm b=(1/31/2)700=233350（mm）, 取 300mm 走道梁： h=(1/141/8)2400=171300（mm)， 取 450mm b=(1/31/2)450=150225（mm）, 取250mm 次梁截面高度取主梁间距的h=(1/181/12)l 次梁： h=(1/181/12)6900=383575（mm)，取 450mm b=(1/31/2)450=150225（mm
17、）, 取250mm 综上所述，在本设计中，梁截面尺寸初选如下； 横向框架主梁的截面尺寸为（300700）mm，走廊梁由于走廊的跨度较小，为了防止梁的脆性破坏，规定梁高宜不大于净跨，即mm，截面尺寸为（250450）mm，纵向框架主梁的截面尺寸为（300700）mm。2.2.2 次梁尺寸次梁：h=(1/181/12)L=(1/181/12)6900=383575（mm）则次梁的高度在400600之间取mm。梁截面宽度可取(1/31/2)梁高，同时不小于柱宽，且不应小于。则取次梁的截面尺寸为mm。2.2.3 柱截面尺寸框架柱的截面尺寸一般根据轴压比限值按下列公式估算： 其中 N柱组合的轴压力设计值
18、； 考虑地震作用组合后柱轴压力增大系数，边柱取1.3,不等跨内取1.25,等跨内柱取1.2； gE折算在单位建筑面积上的重力荷载代表值，可根据实际计算，也可近似取1215 kN/m2； n验算截面以上楼层层数； F按简支状态计算的柱的负载面积； Ac柱截面面积；N框架柱轴压比限值，对一级、二级、三级、四级抗震等级分别取0.65、0.75、0.85、0.90；混凝土轴心抗压强度设计值；由表可知本工程抗震等级为二级，轴压比限值N=0.75，各层重力荷载代表值近似取14.0 kN/m2，柱的负荷面积如图所示。 图2.3 柱负载面积示意图 中柱的负载面积:(1.2+3.45)7.2=33.48 边柱的
19、负载面积：3.457.2=24.84为了方便施工取边柱与中柱的截面相同，因此取两者较大值F=33.48中柱： 如取柱截面为正方形，根据上述计算结果并综合考虑其他因素，本设计柱的截面尺寸为。2.2.4 楼板尺寸按跨高比条件：楼板厚度 b=(1/451/40)3600=8090（mm）。对于现浇楼板要求，则取板厚。第三章 荷载计算3.1 屋面及楼面的永久荷载3.1.1 屋面荷载（不上人） 保护层 C20细石混凝土，内配I级钢筋网片 隔离层 平铺无纺聚酯纤维布一层 保温层 100厚挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板 找平层 20厚1:3水泥砂浆 找坡层 1：8水泥膨胀珍珠岩找2%的坡，最薄处20厚 结构层 10
20、0厚现浇钢筋混凝土板 装饰层 V型轻钢龙骨吊顶 标准值 5.49 设计值 3.1.2 楼面荷载10厚地砖铺实拍平,水泥浆擦缝 20厚1：4硬性水泥砂浆 素水泥浆结合层一遍 100厚现浇钢筋混凝土板 V型轻钢龙骨吊顶 标准值 设计值 3.2 墙、门窗重力荷载3.2.1 外墙荷载 300厚陶粒空心砌块 20厚1:3水泥砂浆找平层 10厚1:1水泥专用胶粘剂刮于板背面 70厚聚苯乙烯泡沫塑料板加压粘牢，板面打磨成细麻面 1.5厚专用胶贴加强网于需加强的部位 1.5厚专用胶贴标准网于整个墙面，并用抹刀将网压入胶泥中， 基层整修平整，不露网纹及抹刀痕 一底二涂高弹丙烯酸涂料 内墙面20厚粉刷石膏 标准值
21、 设计值 3.2.2 内墙荷载粉刷石膏素浆一遍 18厚1:2粉刷石膏砂浆，分两次抹灰 2厚粉刷石膏浆压光 200厚陶粒空心砌块墙 2厚粉刷石膏浆压光 18厚1:2粉刷石膏砂浆，分两次抹灰 标准值 设计值 3.2.3 门窗荷载木门单位面积重力荷载为，铝合金窗单位面积重力荷载取。3.3梁柱荷载主梁：边跨横梁及纵梁：中跨横梁及次梁：柱：3.4 屋面及楼面可变荷载不上人屋面均布活荷载标准值 楼面活荷载标准值 走廊活荷载标准值 屋面雪荷载标准值 楼梯间、卫生间的重量取为一般房间的1.5倍第四章 重力荷载代表值计算 建筑物的重力荷载代表值是结构和构配件自重的标准值和各可变荷载的组合值之和。在计算水平地震作
22、用时，用到重力荷载代表值各楼层仅可考虑一个自由度，在每一楼层质点处集中了本层楼面及上下各半层墙、柱的重力荷载代表值。的计算：外横墙：外纵墙：内横墙：内纵墙： 窗： 门： 女儿墙：玻璃幕墙:屋面面积计算：普通房间： 大房间：走 廊：卫生间:楼梯间： 因此， 主梁：横梁 纵梁次梁：走道梁：柱子： 的计算：外横墙： 外纵墙： 内横墙： 内纵墙： 窗：门：玻璃幕墙：楼板面积计算：普通房间： 大房间：走 廊：卫生间：楼梯间：因此，主梁：横梁 纵梁次梁：走道梁：柱子： 的计算：外横墙： 外纵墙：上半部 下半部 内横墙： 内纵墙：上半部 下半部 窗： 门： 玻璃幕墙： 楼板面积计算：普通房间： 大房间：走
23、廊：卫生间：楼梯间： 因此，主梁：横梁 纵梁次梁：走道梁：柱子： 雨棚：门厅： 集中质点系的如下图所示：图4.1 重力荷载代表值第五章 框架侧移刚度计算梁板柱采取整体现浇方式，在框架结构中，现浇层的楼面可以作为梁的有效翼缘，增大梁的有效刚度，减小梁的侧移。为考虑这一有利作用，在计算梁的截面惯性矩时，对现浇楼板的中框架梁取，边框架梁取（为矩形梁的截面惯性矩）。各层框架梁均采用C30混凝土，对C30混凝土查混凝土结构设计规范得。表5.1 横梁线刚度计算表类别层次边横梁走廊梁2400类别层次边横梁走廊梁表5.2 柱线刚度计算表层次 柱的侧移刚度计算：根据梁柱线刚度比的不同，据平面布置图中的柱可分为中
24、框架中柱和边柱，边框架中柱和边柱以及楼梯间柱等。柱的侧移刚度值按下式计算：式中，为柱侧移刚度修正系数对不同情况按下表计算，其中表示梁柱线刚度之比。 表5.3 柱抗侧移刚度影响系数 楼层简图K一般层边柱中柱底层按式可计算出各柱的侧移刚度，将同层所有柱的值相加，即为该层框架的总侧移刚度即，框架各层的应沿高层均匀分布即应满足规则建筑的要求。表5.4 中框架柱侧移刚度值层次边柱中柱1表5.5 边框架柱侧移刚度值层次边柱中柱0.6210.237197501.0170.3372808319133310.7680.458202081.2570.54023826176135将上述不同情况下同层框架柱侧移刚度相
25、加，即得框架各层层间侧移刚度， 表5.6 框架各层层间侧移刚度层次1234510465441236845123684512368451236845由表可见， 故该框架为规则框架。第六章 水平地震作用下框架结构内力和侧移计算6.1 横向自振周期计算 表6.1 结构顶点的假想侧移计算 层次（N/mm）58485.508485.5012368456.86112.2048729.2017214.70123684513.92105.3438729.2025943.90123684520.9891.4228729.2034673.10123684528.0370.4419713.9044387.00104
26、654442.4142.41按式计算基本周期，其中量纲为m，取为0.7，则6.2 水平地震作用及楼层地震剪力计算本设计结构高度不超过40m，质量和刚度沿高度分布比较均匀，变形以剪切型为主，故可用底部剪力法计算水平地震作用。由抗震规范可知：对于8度设防区，设计基本加速度为0.2g，第一组。可查得结构特征周期Tg=0.35(s)，水平地震影响系数max=0.16，因为 5Tg = 50.35 = 1.75s，因，故可不考虑考虑顶部附加水平地震作用系数作用在质点的水平地震作用标准值 计算结果见下表：表6.2 各质点横向水平地震作用及楼层地震剪力计算表层次518.858485.50159951.520
27、.3151687.621687.62415.258729.20133120.270.2621403.673091.29311.658729.20101695.160.2001071.494162.7828.058729.2070270.040.138739.344902.1314.459713.9043226.830.085455.395357.51各质点水平地震作用及楼层地震剪力房屋高度的分别见下图： 图6.1 水平地震作用及楼层地震剪力沿房屋高度分布图6.3 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和顶点位移分别按下式进行计算： 计算过程见下表：表6.3 横向水平地震作用
28、下的位移验算层次51687.6212368450.00140.01643.61/257143091.2912368450.00250.01503.61/144034162.7912368450.00340.01253.61/105924902.1312368450.00400.00913.61/90015357.5210465440.00510.00514.451/873有表可见，最大层间弹性位移角发生在第1层，其值为满足的要求，其中。6.4 水平地震作用下框架内力计算6.4.1 柱剪力及柱端弯矩计算 按式求得框架第层的层间剪力后，层柱分配到得剪力及该柱上下两端的弯矩和分别按下式计算：柱下端：
29、 柱上端： 表6.4 各层边柱端弯矩及剪力层次/边 柱y53.61687.6212368452441733.320.8280.3541.9877.9643.63091.2912368452441761.020.8280.4190.07129.6233.64162.7912368452441782.180.8280.45133.13162.7123.64902.1312368452441796.780.8280.50174.20174.2014.455357.52104654422236113.831.0240.65329.26177.29表6.5 各层中柱端弯矩及剪力层次中 柱y53.6168
30、7.6212368453366745.941.3560.3761.19104.1943.63091.2912368453366783.471.3560.45135.21165.2633.64162.79123684533667112.401.3560.50202.31202.3123.64902.13123684533667132.361.3560.50238.24238.2414.455357.52104654426120133.721.6760.63374.87220.16注：、，表中M的量纲为，V的量纲为。6.4.2 梁端弯矩、剪力及柱轴力计算梁左端：梁右端： 式中：分别为表示节点左右梁
31、的线刚度；分别表示节点左右的弯矩： 为柱在i层的轴力，以受压为正。表6.6 梁端弯矩剪力及柱轴力层次边 梁走 道 梁柱 轴 力边柱N中柱N577.9663.676.920.5340.5340.532.433.78-20.53-13.254171.60138.366.940.9288.0988.092.473.41-61.45-45.743252.78206.236.966.52131.30131.302.4109.42-127.97-88.642307.33269.186.983.55171.37171.372.4142.81-211.52-147.901351.49280.086.991.5
32、3178.31178.312.4148.59-303.05-204.96注：1）柱轴力中的负号表示拉力，当为地震作用时左侧两根柱为拉力，对应的左侧两根柱为压力；2）表中M的单位为，V的单位为，N的单位为，的单位为。 水平地震作用下的框架的弯矩图，梁端剪力图及柱轴力图如下图所示：图6.2 左震作用下框架弯矩图图6.3 左震作用下梁端剪力及柱轴力图第七章 竖向荷载作用下框架结构的内力计算7.1计算单元由号轴线横向框架进行计算，计算单元宽度为，如下图所示，由于房间内布置有次梁，故直接传给该框架的楼面荷载如图中的水平阴影线所示，计算单元范围内的其余楼面荷载则通过次梁和纵向框架梁的集中力的形式传给横向框
33、架作用在节点上。由于纵向框架梁的中心线与柱的中心线不重合，因此在框架节点上还有集中力矩。图7.1 横向框架计算单元7.2 恒载计算 图7.2 各层梁上作用的恒载根据上图，、代表横梁自重为均布荷载形式对于顶层： 、分别为房间和走道板传给横梁的梯形荷载和三角形荷载，顶层为屋面板。 由计算单元图所示几何关系可得： 、分别为边纵梁，中纵梁直接传给柱的恒载，它包括梁自重、楼板自重和女儿墙等的重力荷载计算如下： 集中力矩： 对于层， 包括梁自重和其上横墙自重为均布荷载，其它荷载计算方法同第5层，结果为: 7.3 活载计算 活荷载作用下各层框架梁上的荷载分布如图所示：图7.3 各层梁上作用的活载对于第5层
34、对于层 将以上结果总汇，见下表：表7.1 横向框架恒载汇总表层次55.763.1419.76149.06185.6922.3627.851-410.053.1412.06131.55155.8019.7323.37表7.2 横向框架活载汇总表层次51.87.8312.151.171.501-47.231.3252.924.707.497.4 内力计算对于多层框架结构，采用弯矩二次分配法计算梁柱端弯矩，先确定梁的固端弯矩及节点各杆的弯矩分配系数，而后进行弯矩分配与传递。节点的不平衡力矩包括节点两侧反号的梁固端弯矩及纵梁偏心所产生的节点集中力矩，应将它们的代数和相加进行分配，最终的杆端弯矩应为固端弯矩与分配弯矩之代数和。正负号规定杆端转角，杆端弯矩对杆端顺时针旋转为正，节点处逆时针为正，用于节点的外力偶荷载，作用于转动约束的约束力矩对节点约束顺时针为正。梁端柱端弯矩采用弯矩二次分配法计算，由于结构和荷载均对称，故可取半榀框架。7.4.1 分配系数计算表7.3 梁柱线刚度表（单位：） 构件类型层次梁柱 2-57.4569.492(4.746)9.017.4569.4927.281 注：中间梁计算跨度为原来的，故线刚度值为原来的2倍。