常州市某職業(yè)技術學院教學樓建筑與結構設計說明書

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常州市某職業(yè)技術學院教學樓 建筑及結構設計 摘要：本課題的設計內容是常州市某職業(yè)技術學院教學樓，根據所提供的設計條件進行建筑設計和結構設計，并且結合所在地區(qū)的材料供應情況和施工能力，確定合理的結構布置方案，進而確定框架梁、板、柱、樓面、屋面、樓梯、基礎等其他構件的形式與尺寸。本設計主要進行了建筑、結構施工圖設計。設計開始應用PKPM結構計算軟件進行結構設計，選取5軸的框架為例，設計內容包括內力荷載計算、內力組合、框架梁柱的配筋、基礎設計、零星構件（次梁、板、樓梯）設計等。本計算書所有內容均以最新規(guī)范規(guī)定為依據。 關鍵詞：建筑設計 結構設計 荷載 內力 配筋 Abstract: This design content is a university student hostel in Taizhou, according to the conditions provided by the design of architectural design and structural design, which combines the material supply area and construction capabilities in order to determine a reasonable layout of the program structure and determine the forms and sizes of the beams, plates, columns, floors, roofs, stairs, foundations and other components. The design is mainly for the construction and structural construction design .Design begins to use PKPM structural calculation software design. I select the 5-axis frame, for example. The design load calculation includes internal force, internal force composition, the framework of reinforcement beams, foundation design, scattered component (sub beams, plates, stairs) design and so on. All contents of this calculation are based on the latest specification. Keywords: Architectural design Structural design Load Internal force Reinforcement 1 工程概況 本工程為常州市某職業(yè)技術學院教學樓，三類場地，7度的抗震設防，教學樓總體建筑面積約5200平方米，實地面積約為5153.4平方米，按功能及結構分為四層。建筑采用鋼筋混凝土框架結構，總體上為對稱結構。底層由于考慮到門廳、室內外高差以及基礎埋深的原因，底層采用4.9米的層高，其他層采用3.9米的層高。 整棟建筑設有主出入口一個，輔出入口2個，樓梯2部。內部采用內廊外廊相結合式設計，即內部走廊的兩側都是教室，按照教室的使用功能合理安排教室的面積大小。外廊設置在兩邊，對應的是實驗室。每層都設置教室休息室，獨立衛(wèi)生間，開水房方便老師和學生使用。 2 建筑設計 本次畢業(yè)設計的課題為常州市某職業(yè)技術學院教學樓建筑與結構設計,結合以前教學樓的特點與形式 ,設計的一座具有現代化氣息的教學樓。建筑設計是一項以人為本的設計工作，設計中應以實用為基礎，充分考慮功能上的實用要求，包括功能分區(qū)、人體尺度、家具尺度、空間設計、流線組織等，滿足人們居住、生活、工作、學習等不同需要，真正做到合理、舒適、可行。建筑物的設計和建造直接受到自然環(huán)境條件的影響和制約，這也是決定建筑設計的一個重要方面，關系到建筑物的平面布置、形體組合、立面造型等。 2.1平面設計 建筑平面設計主要應考慮建筑物所處的環(huán)境及其功能要求，同時又要兼顧結構平面布置的規(guī)則和合理；此外，考慮到抗震設計的一些要求，建筑物應力求規(guī)則。因此，本次設計在平面上采用“凹”字形、內廊,外廊相結合式的平面布置。對該平面設計作如下說明：本設計柱網上采用6.3m×8.1m和8.1m×8.4m【1】。走廊采用了內廊外廊相結合式結構布置。內廊寬3.3m，外廊寬3.6m以滿足人流要求。同時設有兩部樓梯，兼做消防樓梯。 2.2立面設計 結合平面設計中框架柱的布置，立面上主要采用豎向劃分，外觀上顯得大方、挺拔、氣派；同時，考慮到框架結構的優(yōu)點，柱間全開窗不用墻，使窗與柱形成了有節(jié)奏的虛實對比，顯得明快、活潑，同時也得到了良好的采光效果。大門設于正中間，使整個建筑物顯得美觀大方。大門設有左右兩扇門，使整個大門顯得大氣；雨蓬的運用，和大門的設置一同起到了突出主要入口功能，起到了吸引人流導向的作用。 2.3剖面設計 建筑剖面圖是表示建筑物在垂直方向上房屋內部各部分的組合，剖面設計主要表現了建筑物內部結構構造關系，以及建筑高度、層高、建筑空間的組合與利用，它和房屋的使用、造價有著密切地聯(lián)系，同時也是反映了建筑標準的一個重要方面，具體的問題需要結合平面、剖面的情況，探討研究才能確定下來。本設計建筑物的質量和剛度沿著高度的變化均勻，樓層沒有錯層，滿足抗震相關要求。 2.4細部構造設計 建筑方案完成后主要進行構造方案設計，合理地確定屋面、樓地面、墻面、門窗等部位的構造方案，以及樓梯設計、踏步和扶手的構造選型，對特殊的部位（如女兒墻、散水、臺階等）進行構造處理。 3 PKPM設計 PKPM軟件在我國市場中占有絕對優(yōu)勢，擁有用戶上過萬家，市場占有率達到90%以上，現在已經成為國內應用最為廣泛的CAD系統(tǒng)。PMCAD是整個結構CAD的核心，它建立的全樓結構模型是PKPM二維、三維結構計算軟件的前處理部分，也是梁、柱、剪力墻、樓板等施工圖設計軟件和基礎CAD的必備接口軟件。 3.1結構布置及構件尺寸的確定 多層框架結構主要承受豎向荷載。柱網布置時既要滿足生產工藝和建筑平面的布置要求，又要考慮到結構在豎向荷載作用下內力分布均勻合理，使構件材料強度均能充分利用，施工方便。所以根據建筑方案的設計要求，采用內廊﹑外廊相結合的方式，對稱布置，確定結構平面布置，如圖3.1所示。 圖3.1 結構平面布置圖 接著初步確定梁柱的尺寸，可運用經驗公式進行估算，公式如下【2】： 主梁：， 次梁：， 柱子： 3.2材料的選擇 板: 采用C30混凝土，鋼筋選用HPB235鋼筋； 梁: 采用C30混凝土，縱筋采用HRB335鋼筋，箍筋采用HPB235鋼筋； 柱: 采用C30混凝土，縱筋采用HRB335鋼筋，箍筋采用HPB235鋼筋； 基礎：采用C30混凝土，縱筋采用HPB335鋼筋。 3.3荷載的輸入及參數的設定 荷載輸入主要有恒荷載與活荷載兩個主要部分，恒荷載輸入有梁間荷載輸入和樓面、屋頂恒荷載輸入，活荷載輸入有樓面活荷載和屋頂活荷載。 進行PKPM電算過程中需要確定一些參數，例如地震分組，抗震等級，基本風壓與雪壓等等，選取正確的參數對電算的結果有很大的影響，因此我們要結合提供的一些設計信息，來確定參數的取值，讓結果更加的精確。 3.4 PKPM電算流程及成果 PMCAD軟件開始通過人機交互方式，一開始逐步的引導我們逐層進行樓面布置，荷載輸入，再確定每層層高從而建立起一套描述建筑整體結構的數據。用PKPM電算程序進行結構設計，經歷三個步驟：建模、計算和繪制施工圖。 一開始建模的過程，在PMCAD先畫軸線，生成網格，接著進行梁柱的布置，相關的設計參數也要修改，如場地類別，設計地震分組，基本風壓，基本雪壓等等，接下來進行梁間的荷載與樓屋面的恒載與活載輸入，之后進行樓層定義，確定標準層與荷載層的層數及層高、樓層信息的歸屬，這樣建模就好了。其他的子菜單可進行板厚與樓面恒載活載的局部修改，如樓梯的恒載，衛(wèi)生間的板厚等等，接著就是荷載傳導了，最后到生成PK文件了。 同時在TAT菜單中開始轉入結構分析計算，然后在PK菜單中進行數據交互與計算所選擇的一榀框架，經過計算生成內力圖，包括恒載內力圖，活載內力圖，風載內力圖，地震作用內力圖等，形成框架，連續(xù)梁，板，柱等PK數據，最后就可以生成相關的施工圖了。 4 框架設計 框架結構的受力為空間受力體系，本身屬于一種柔性結構，因而在水平荷載作用下，側向的位移比較大，，為了進行簡化，取KJ-5進行計算，底層柱高=層高+室內外高差+基礎頂面至室外地面高度，初步估計底層柱高為4.9【4】。 4.1豎向荷載作用下框架的內力計算 在豎向荷載計算中,為了簡化計算,根據荷載傳遞路線最短的原則將橫向框架梁上的雙向板所承擔的荷載以三角形分布荷載或梯形分布荷載傳遞給框架梁上;計算單元范圍內的其余樓面荷載則通過次梁和縱向框架梁以集中力的形式傳給橫向框架。 豎向荷載作用下框架的內力計算，有三種方法：分層法、迭代法、彎矩二次分配法。分層法主要用于框架的結構與荷載沿高度分布比較均勻時，不足之處是計算所得的框架節(jié)點處的彎矩之和常常不能平衡；迭代法一般用于計算有側移與不規(guī)則的框架結構，其計算過程比較復雜，容易出錯；彎矩二次分配法可用于無側移、規(guī)則的框架，精確度要比分層法高?？紤]本次設計的框架的對稱性，采用彎矩二次分配法。 彎矩二次分配法的計算步驟如下： （1）求出各節(jié)點桿件的彎矩分配系數 （2）求出梁在豎向荷載作用下的固端彎矩M （3）將節(jié)點不平衡彎矩分配傳遞 （4）再一次分配，求出各梁端彎矩 4.2風荷載作用下框架的內力計算 作用在屋面梁和樓面梁節(jié)點處的集中荷載標準值： 其中為基本風壓，根據所屬地區(qū)泰州查建筑結構荷載規(guī)范可知； 風壓高度變化系數，地面粗糙度為B類； 風荷載體型系數，對于矩形平面，可取值為1.3； 為風振系數，因房屋高度小于30m，所以風振系數可取1.0； 4.2.1風荷載作用下的位移計算 進行風荷載作用下的位移驗算滿足式。 4.2.2風荷載作用下的內力計算 框架在風荷載下的內力計算方法可采用反彎點法和D值法。反彎點法假定梁柱之間的線剛度之比為無窮大，并假定柱的反彎點高度為一定值，使計算結果帶來一定的誤差。在本次設計中，梁柱的線剛度較為接近，風荷載下的內力采用D值法【5】。 D值法計算步驟為： （1）求各柱反彎點處的剪力值； （2）求各柱反彎點的高度； （3）求各柱的桿端彎矩及梁端彎矩； （4）求各柱的軸力和剪力。 框架各柱的桿端彎矩、梁端彎矩按下式計算 框架柱 框架柱的反彎點位置取決于該柱上、下端轉角的比值，考慮梁柱線剛度比、結構總層數及該柱所在的層次、柱上、下橫梁線剛度比、上層高度的變化、下層高度的變化等影響，求出柱底端至柱反彎點的距離【6】。 4.3地震作用下框架的內力計算 常州地區(qū)屬于7度抗震地區(qū)，根據建筑抗震設計規(guī)范的相關規(guī)定，可不考慮豎向地震作用。本設計中，由于建筑物的總高度，變形主要是剪切變形為主，質量和剛度沿高度分布比較均勻，可采用底部剪力法計算水平地震作用力【3】。取一個計算單元進行計算。 4.3.1重力荷載代表值計算 計算地震作用時，建筑的重力荷載代表值應取結構和構配件自重標準值和各可變荷載組合值之和。其中雪荷載組合值系數取0.5，樓面活荷載組合值系數取0.5。屋面梁上的線荷載設計值:恒載+0.5雪載, 樓面梁上的線荷載標準值:恒載+0.5活載, 計算結果見表4.1。 表4.1 重力荷載代表值 樓層 自重標準值 可變荷載組合值 重力荷載代表值 4 1228.15 43 1249.65 3 1236.92 256.1 1364.97 2 1247.98 256.1 1376.03 1 1152.16 256.1 1280.21 4.3.2自振周期的計算 此框架結構的質量和剛度沿高度分布比較均勻，所以可采用頂點位移法計算其基本自振周期(s)， 式中，—考慮填充墻對結構剛度影響的自振周期的修正系數，可取0.6～0.8； —為計算結構自振周期用的結構頂點假想位移（m），即假想把集中在各層樓面處的重力荷載代表值視作水平荷載而算得的結構頂點位移 4.3.3橫向地震作用 地震作用按7度Ⅲ類場地,地震動參數區(qū)劃的特征周期分組按第一組考慮，則,,采用底部剪力法計算。由于,故不考慮頂部附加地震作用。 結構底部剪力為： 4.3.4地震作用下的變形驗算 進行地震作用下的位移驗算滿足式。 4.3.5地震作用下的內力計算 地震作用力沿豎向呈倒三角形分布,內力計算也采用D值法，與風荷載相似。 求出主體結構框架各層的層間總剪力后，按各柱的側移剛度（值）在該層側移剛度所占比例分配到各柱。 設為層柱分配到的剪力，則 （8） 根據求得的各柱層間剪力和修正后的反彎點位置，即可確定柱端彎矩；再由節(jié)點平衡條件，梁端彎矩之和等于柱端彎矩之和，節(jié)點左右梁端彎矩大小按其線剛度比例分配可求出各梁端彎矩；進而由梁的平衡條件可求出梁端剪力；最后，由節(jié)點左右梁端剪力之和即為柱的層間軸力，可求出第層柱軸力即為其上各層節(jié)點左右兩端剪力代數和。 4.4內力組合 上面已經完成了對框架結構的內力計算，得到了恒活荷載、風荷載、地震作用下的彎矩圖、剪力圖和軸力圖。接下來就根據最不利原則進行內力組合，使的結構在各種可能荷載作用下能夠安全受力。 4.4.1控制截面 對于框架柱，彎矩、軸力和剪力沿柱高是線性變化的，因此取各層柱的上、下端截面作為控制截面。 對于框架梁，在水平荷載作用和豎向荷載作用下，剪力沿梁軸線呈線性變化，彎矩則呈拋物線形變化，因此，除取梁的兩端為控制截面以外，還應在跨間取最大正彎矩的截面為控制截面。由于本框架規(guī)則對稱，荷載也是對稱分布，因此梁的最大彎矩的截面在跨中處的正截面。 在截面配筋計算時應采用構件端部截面上的內力，由于內力計算時梁端部的剪力與彎矩從柱子的中心計算，梁端柱邊緣的剪力和彎矩值應進行下式計算： 4.4.2梁端調幅 框架結構的正常的破壞形式中，是可以在梁端出現塑性鉸的，施工中為了方便澆搗混凝土，也希望節(jié)點處梁的負鋼筋盡量少放，因此在進行框架結構設計時，要對梁端彎矩進行調幅，人為減少梁端的負彎矩，減少節(jié)點附近梁頂面的配筋量。 調幅后梁端彎矩可?。? 在本次設計中，彎矩調幅系數。 4.4.3內力組合 框架結構截面在是最不利內力的荷載效應組合可采用簡化規(guī)則，按下列組合值中取最不利值確定： 當永久荷載效應起控制作用時： 當可變荷載效應起控制作用時： 因本次設計還考慮抗震設計，則還需下式設計 5 基礎設計 本工程考慮到地下水位的高度，冰凍線的深度，以及軟弱地下層的深度，初步確定1.35米深度作為基礎埋深，同時考慮到該工程為框架結構，梁柱中心線不重合，將會產生叫大的豎向彎矩，為了提高抗側剛度，滿足縱橫向彎矩的平衡，提高抗剪切能力，該工程選用柱下獨立基礎，既能滿足以上條件，同時又能起到節(jié)省材料的作用【7】。 設計步驟： （1）初步確定截面尺寸及基礎類型； （2）求基底凈反力設計值； （3）求基礎高度及抗沖切驗算； （4）基礎配筋計算。 6 零星構件設計 考慮到整體的安全性，結構設計中一些不可缺少的構件也需要我們進行計算，如板、次梁、樓梯。 6.1板的設計 對于單向板的計算，取1m寬的板帶作為計算單元，中間的板帶考慮“薄膜效應”進行內力計算。對于雙向板的計算，按彈性理論查表計算。 6.2次梁的設計 根據本教學樓樓蓋的實際使用情況，樓蓋的次梁的活荷載不考慮梁從屬面積的荷載折減，按簡支梁計算設計。 6.3樓梯的設計 樓梯設計為雙跑樓梯，由于樓梯的跨度不大和考慮施工方便，故采用板式樓梯。 參考文獻 [1] 建筑結構荷載規(guī)范[S](GB 50009—2001). 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002. [2] 混凝土結構設計規(guī)范[S](GB 50010—2002). 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002. [3] 建筑抗震設計規(guī)范[S](GB 50011—2010). 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010. [4] 建筑地基基礎設計規(guī)范[S](GB 50007—2002). 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002. [5] 混凝土結構設計原理(上冊)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008. [6] 混凝土結構設計原理(下冊)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008. [7] 基礎工程(第二版)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.