青岛恒星职业技术学院学生宿舍3号楼结构设计.doc

青岛恒星职业技术学院学生宿舍3号楼结构设计目 录1 工程概况11.1 建筑概况11.2 自然条件12 设计依据13 工程结构的选型14 荷载统计14.1 梁、柱截面尺寸初选14.2结构计算简图24.3 恒荷载34.3.1 屋面框架梁线荷载标准值34.3.2 楼面框架梁线荷载标准值34.4活荷载44.5 风荷载计算44.6 地震作用55 楼板设计76 框架内力计算96.1 恒荷载作用下的内力计算96.2 风载作用下的内力计算176.3 楼面活荷载作用下的内力计算196.4 地震作用下内力计算247 内力组合及配筋计算277.1 梁、柱截面内力组合277.1.1 梁截面内力组合277.1.2 柱截面内力组合287.2 框架梁正截面和斜截面配筋287.2.1 梁的正截面受弯承载力计算287.2.2 梁的斜截面受弯承载力计算307.3 框架柱正截面和斜截面配筋317.3.1 正截面配筋计算327.3.2 斜截面承载力能力计算328 构造及施工要求339 经济分析34参考文献35青岛恒星职业技术学院学生宿舍3号楼结构设计1 工程概况1.1 建筑概况该工程为青岛恒星职业技术学院学生宿舍3号楼，总建筑面积10400平方米左右。建筑层数6层，局部2层。层高3.6米。采用钢筋混凝土框架结构，本建筑包括住宿区和传达室、活动室、小卖部。传达室、活动室和小卖部位于连廊处，连廊2层，为砖混结构。1.2 自然条件(1) 工程地质条件：建筑场地类别为类，地势平坦。(2) 基本风压 0.5kN/m2(3) 基本雪压 0.25kN/m2(4) 该地区的抗震设防烈度7度，设计地震分组为第二组 2 设计依据建筑结构可靠度设计统一标准（GB 50068-2001 ）建筑结构制图标准（GB/T 501052001）建筑结构荷载规范（GB50009-2001）混凝土结构设计规范（GB50010-2001）建筑抗震设计规范（GB50011-2001）建筑工程抗震设防分类标准建筑构造通用图集钢筋混凝土结构构造详图02G02混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图03G101-13 工程结构的选型框架结构所用的钢筋混凝土或型钢有很好的抗压和抗弯能力，因此，可以加大建筑物的空间和高度，可以减轻建筑物的重量，有较好的抗震能力，延性，整体性。墙主要是起围护和隔离的作用，由于墙体不承重，可以用各种轻质材料制成。梁、板、柱等承重构件，可以预制，也可以浇注，框架结构住宅的优点是抗震性能好，结构牢固，使用寿命长，且住宅内可以自由分隔，大开间住宅均采用此结构。 本着节约，经济的原则，并根据青岛恒星职业技术学院学生宿舍楼的设计特点，此项工程选用框架结构。4 荷载统计4.1 梁、柱截面尺寸初选(1) 梁截面初选 一般情况下，框架梁的截面尺寸可按下式进行估算：边跨梁：取h=600mm，b=250mm。中跨梁：取h=450mm，b=250mm。纵向框架梁：取b×h=250mm×400mm。（2）柱截面初选柱截面尺寸初选，要同时满足最小截面、侧移刚度限值和轴压比等诸多因素的影响。根据公式和选柱截面：450mm×450mm。4.2结构计算简图结构计算简图如图1所示，各梁柱线刚度经计算示于图中，其中在求梁截面惯性矩时考虑到现浇板的作用，取I=2I0(I0为不考虑楼板翼缘作用时的梁截面惯性矩)图1 结构计算简图线刚度计算AB、CD跨梁: =13.64×10-4E(m3) BC跨梁： =15.82×10-4E(m3)纵向梁：=7.41×10-4E(m3) 上部各层柱：=9.49×10-4E(m3)底层柱：=7.19×10-4E(m3)4.3 恒荷载4.3.1 屋面框架梁线荷载标准值 屋面恒荷载标准值计算 20厚1：3水泥砂浆找平层 0.02×20=0.40 kN/m2 水泥膨胀珍珠岩找坡层(平均厚度105mm) 0.105×13=1.37 kN/m2 100厚钢筋混凝土楼板 0.10×25=2.50 kN/m215厚纸筋石灰抹底 0.015×16=0.24 kN/m2屋面恒荷载汇总 4.86 kN/m2 框架梁及粉刷自重 (a) 边跨(AB,CD)自重 0.25×0.60×25=3.75 kN/m边跨梁侧粉刷 2×(0.6-0.1)×0.02×17=0.34 kN/m(b) 中跨(BC)自重 0.25×0.45×25=2.81kN/m中跨梁侧粉刷 2×(0.45-0.1)×0.02×17=0.24kN/m 边跨(AB,CD)线荷载标准值 g6AB1=g6CD1(自重,均布) 4.09kN/mg6AB2=g6CD2(恒载传来,梯形) 4.86×3.6=17.50kN/m 中跨(BC)线荷载标准值 g6BC1(自重,均布) 3.05 kN/mg6BC2(恒载传来,三角形) 4.86×2.4=11.66 kN/m4.3.2 楼面框架梁线荷载标准值 楼面恒荷载标准值计算13厚缸砖面层 0.013×21.5=0.28 kN/m220厚1:2水泥砂浆结合层 0.02×20=0.4 kN/m22厚水泥砂浆 0.002×16=0.03 kN/m2100厚钢筋混凝土楼板 0.10×25=2.5 kN/m215厚纸筋石灰抹底 0.015×16=0.24 kN/m2楼面恒荷载汇总 3.45 kN/m2 边跨框架梁及粉刷自重(均布) 4.09 kN/m 边跨框架梁填充墙自重 0.19×(3.6-0.6)×11.8=6.73 kN/m边跨墙面粉刷自重 2×(3.6-0.6)×0.02×17=2.04 kN/m 中跨框架梁及粉刷自重(均布) 3.05 kN/m 楼面边跨框架梁上的线荷载gAB1=gCD1(自重,均布) 4.09+6.73+2.04=12.86kN/m gAB2=gCD2(恒载传来,梯形) 3.45×3.6=12.42 kN/m 楼面中跨(BC)线荷载标准值gBC1(自重,均布) 3.05 kN/mgBC2(恒载传来,三角形) 3.45×2.4=8.28kN/m4.4活荷载(1) 屋面、楼面活荷载标准值计算屋面活荷载标准值 0.5kN/m楼面活荷载标准值 2.0kN/m阳台：2.5×3.6=9 kN/m4.5 风荷载计算风荷载标准值计算公式 (1) 确定各系数的值因结构高度H=22.7530m，高宽比1.461.5，取=1.0，由于主体结构平面为槽型，取1.4，风压高度变化系数可由各楼层标高处的高度Hi查表得到，再用线性插入法求得所求各层高度的值。当 时，取。值见下表：表1 系数的取值离地面高度/m5101520301.001.141.251.42 (2) 计算各楼层标高处的风荷载表2 沿房屋高度分布风荷载标准值层次(m)7(女儿墙顶部)23.751.3141.03.311622.751.2971.03.268519.151.2311.03.102415.551.1521.02.903311.951.0551.02.65928.351.0001.02.52014.751.0001.02.520基本风压=0.5kN/m2，其负荷宽度为3.6m，可计算的沿房屋高度分布的风荷载标准(见表2)： (3) 将风载换算成作用于框架每层节点上的集中荷载。集中风荷载标准值见下表3。表3 集中风荷载标准值层次(m)61.01.429.71.3140.509.1051.01.426.11.2970.5011.1441.01.422.51.2310.5010.4131.01.418.91.1520.509.6721.01.415.31.0550.509.2011.01.411.71.0000.5010.524.6 地震作用(1) 计算各结构层的重力荷载代表值顶层重力荷载代表值 ：屋面恒载 (3.6×6-0.2)×(6.6×2-0.2)×4.86=1601.66kN顶层主梁自重 AB,CD跨： 4.09×6.6×13=350.92kNBC跨： 3.05×2.4×7=51.24kN顶层连系梁自重 9.73×26=252.98kN女儿墙自重 (8.07+1.22)÷3.6×(3.6×11+4×6.6+2.4)=182.70kN 屋面雪荷载 0.5×0.25×(3.6×6-0.2)×(6.6×2+2.4-0.2)=41.20kN半层柱自重 (18.23+1.34)×28×0.5=273.98kN半层墙、门窗自重 ×(6.73+2.04)×11×6.6+(6.73+2.04)×7.2×3 +(1.944+6.36+2.02+3.63+1.1)×9 +(22.6+6.85-5.88)×9 +0.19×(3.6-0.6)×(3.0-0.45)×11.8 +2×0.02×(3.6-0.6)×(3.0-0.45)17-5.88 +(1.944+6.36+2.02+3.63+1.1) =608.73kN顶层重力荷载代表值屋面恒载屋面雪载主梁自重连系梁自重女儿墙自重半层柱自重半层墙门窗自重共计 3357.22kN五层重力荷载代表值楼面恒载 3.45×(3.6×6-0.2)×(6.6×2+2.4-0.2)=1136.98kN主梁自重AB,CD跨 350.92kNBC跨 41.24kN次梁自重 9.73×26=252.98kN一层柱自重 273.98×2=547.96kN一层墙、门窗自重 608.73×2=1217.46kN半层楼梯自重 0.5×3.45×(3.6-0.2)×(6.6-0.2)=37.54kN楼面活荷载 0.5×2.0×(3.6×6-0.2)×(6.6×2+2.4-0.2)=329.56 kN阳台恒载 9×(9.69+12.55×1.2)=222.75kN阳台活载 9×0.5×2.5×3.6×1.2=48.6kN中间层重力荷载代表值=楼面恒载+主梁自重+连系梁自重+一层柱自重+一层墙、门窗自重+半层楼梯自重+楼面活载自重+阳台恒载+阳台活载共计 4195.99kN四层、三层、二层较五层多加半层楼梯自重，故四、三、二层重力荷载代表值为： 4195.99kN+37.54kN=4233.53kN一层重力荷载代表值：楼面恒载 1136.98kN主梁自重AB、CD跨 350.92kNBC跨 51.24 kN连系梁自重 252.98kN一层柱自重 547.96×=723kN一层墙、门窗自重 1217.46×=1606.37kN半层楼梯自重 37.54kN楼面活荷载 329.56kN阳台恒载 222.75kN 阳台活载 48.6kN重力荷载代表值=楼面恒载+主梁自重+连系梁自重+一层柱自重+一层墙、门窗自重+半层楼梯自重+楼面活载自重+阳台恒载+阳台活载共计 4515.51kN总的重力荷载代表值：Gi=3357.22+4195.99+4233.53×3+4515.51=24544.07kn (2) 框架自振周期的计算 =0.437s(3) 多遇水平地震作用标准值的计算按设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.15g。由抗震规范查得水平地震影响系数最大值=0.12，按地震情况下的类建筑场地，由建筑抗震规范GB50011-2001查得特征周期Tg=0.35s则横向地震影响系数T= 0.437s<1.4Tg=1.4×0.35=0.49s 所以不用考虑顶部剪力的调整。对于多质点体系结构底部总横向水平地震标准值=0.092×0.85Gi=0.05 × 0.85 × 24544.07 =1919.35 kN按抗震规范得作用于各质点上横向水平地震作用标准值，如下表4和所示。Fi=(GH/ )F表4 水平地震作用标准值层数63357.2222.7576376.76327259.1447.9454195.9919.1580353.21471.2744233.5315.5564663.9379.2534233.5311.9549693.48291.4524233.538.3534723.06203.6514515514.7521448.67125.795 楼板设计框架梁截面为200mm×600mm，连续梁截面为200mm×400mm，板厚取100mm,设计资料如下：楼面活荷载=2.0kN/m2板自重加上面层、粉刷层等，恒荷载=3.6kN/m2采用C20混凝土，板中钢筋采用HPB235。 (1) 荷载设计值=1.4×2=2.8kN/m2 =1.2×3.06=3.672kN/m2 +=6.472kN/m2(2) 计算跨度 =3600-250=3350mm =6600-250=6350mm(3) 弯矩计算首先假定边缘板带跨中配筋率与中间板带相同，支座截面配筋率不随板带而改变，取同一数值。取，对所有区格，均取=0.6；取 =2。(6.350-3.350×)=5.55=×0.6×3.4×=1.53-2×6.35=-12.8-2×3.35=-6.8=-4.08将各值代入(支座弯矩取绝对值)：得：5.55+1.53+0.5(12.8+12.8+4.08+4.08)=×6.472×3.352(6.35-×3.4)所以=2.06kN·m=0.6×2.06=1.23kN·m=-2×2.06=-4.12kN·m=-2×1.23=-2.46kN·m(4) 截面设计令，结果见表5。表5 按塑性理论设计的截面配筋项目(mm)m(kN·m)(mm2)配筋实有(mm2)跨中方向812.06×0.8=1.648988200251方向731.23×0.8=0.98464.828200251支座方向81-2.46×0.8=1.968117.68200251方向81-4.12250.78200251 配筋率 =0.45×或0.2×=0.25 符合要求。6 框架内力计算6.1 恒荷载作用下的内力计算（1）梯形荷载转化为均布荷载：顶层：=19.34kN/m=10.34kN/m中间层：=23.68 kN/m=8.225 kN/m底层：kN/mkN/m（2）用弯矩分配法计算梁、柱端弯矩线刚度的修正：底层柱i=7.19×E·m3其他层柱i=0.9×9.49×=8.541×E·m3修正后的梁柱线刚度见表6所示表6 梁柱线刚度(E·m3)层次梁柱()2-613.6415.828.541113.6415.827.190顶层固端弯矩计算 =×19.34×=70.2kN·m=×10.34×=4.96kN·m=×10.34×=2.48kN·m中间层固端弯矩计算=×23.68×=85.96kN·m=×8.225×=3.95kN·m=×8.225×=1.97kN·m中间层固端弯矩计算 =×23.68×=85.96kN·m=×8.225×=3.95kN·m=×8.225×=1.97kN·m各层节点的分配系数及固端弯矩计算结果见表7。表7 分层法分配系数及恒载作用下的固端弯矩计算结果(kN.m)结点单元ABE端BA端BE端EB端分配系数顶层0.3850.6510.4530.2840.263中间层0.2780.2780.4440.3530.2210.2210.205底层 0.2450.2910.4640.3660.1930.2290.212固端弯矩顶层-70.270.2-4.96-2.48中间层-85.9685.96-3.95-1.97底层-85.9685.96-3.95-1.97由纵向框架梁在边柱上的偏心距引起的框架边节点附加偏心弯矩为：顶层： =×=35.65×(0.4-0.25)/2=2.67kN·m=×=164.17×(0.55-0.25)/2=16.42kN·m中间层: =×=177.20×(0.55-0.25)/2=17.72kN·m=×=218.48×(0.55-0.25)/2=21.85kN·m底层: =×=177.20×(0.55-0.25)/2=17.72kN·m=×=218.48×(0.55-0.25)/2=21.85kN·m弯矩分配法计算过程见图2、3、4所示，计算所得的单元弯矩图见图5。图2 顶层弯矩分配法计算过程图3 中间层弯矩分配法计算过程图4 中间层弯矩分配法计算过程在实际荷载作用下,框架梁的跨中弯矩按M=-计算，结果如表8所示，分层法计算结果见图6：表8 框架梁恒载作用下跨中弯矩计算(kN·m)位置简支跨中弯矩左端弯矩右端弯矩跨中弯矩ABCD跨顶层79.7637.5453.7434.12中间层110.7772.5264.7842.12底层110.7771.1564.4142.99BC跨顶层7.7930.3030.3-22.51中间层6.1725.6625.66-19.49底层6.1727.3227.32-21.15图5 分层法计算结果(3) 由各分层单元计算整个结构在恒载作用下的弯矩图将分层法求得的各弯矩图叠加，可得整个框架载竖向荷载作用下的弯矩图。叠加后各框架节点的弯矩并不能达到平衡，为了提高精度，将节点不平衡弯矩再分配一次进行修正，叠加后的框架梁跨中弯矩见表9。表9 叠加后框架梁跨中弯矩计算表(kN·m) 位置按简支梁跨中弯矩叠加后框架梁跨中弯矩左端弯矩右端弯矩跨中弯矩ABCD跨6层79.76-41.6957.2630.295层110.77-80.4270.7735.183，4层110.77-78.3770.2936.442层110.77-78.5570.3936.31层110.77-78.2866.9540.16BC跨6层7.79-28.2628.26-20.475层6.17-22.1822.18-16.013，4层6.17-22.4622.46-16.292层6.17-22.422.4-16.231层6.17-25.8525.85-19.68图6 恒荷载作用下整体框架弯矩图(kN·m)(4) 梁端剪力，梁端控制截面弯矩(柱边)计算结果见表10表10 AB跨梁剪力计算表楼层梁荷载板荷载64.0917.5041.6957.2653.14-57.8651.97-56.69512.8612.4280.4270.7773.71-70.7870.64-67.72412.8612.4278.3770.2973.47-71.0270.40-67.95312.8612.4278.3770.2973.47-71.0270.40-67.95212.8612.4278.5570.3973.48-71.0170.41-67.94112.8612.4274.2866.9573.36-71.1470.29-68.07表11 梁端柱边弯矩计算表层次梁端弯矩梁端柱边剪力梁端柱边弯矩MABMBAMBCV'ABV'BAV'BCM'ABM'BAM'BC6-41.6957.26-28.2651.97-56.699.72-30.0044.50-26.075-80.4270.77-22.1870.64-67.727.77-64.5355.53-20.434-78.3770.29-22.4670.40-67.957.77-62.5355.00-20.713-78.3770.29-22.4670.40-67.957.77-62.5355.00-20.712-78.5570.39-22.470.41-67.947.77-62.7155.10-20.651-74.2866.95-25.8570.29-68.077.77-58.4651.63-24.10(5) 柱轴力计算恒载作用下的框架轴力图见图7。 (6) 弯矩调幅梁端弯矩调幅系数取0.85，调幅后的梁端柱边弯矩及跨中弯矩如图8，计算过程见表12。表12 弯矩调幅计算调幅后梁端跨中弯矩及跨中弯矩层数M'ABM'AB0M'BAM'BCM'BC0M'CB6-25.5035.8837.83-22.16-16.5622.165-54.8544.1847.20-17.37-12.9517.374-53.1545.2546.75-17.61-13.1817.613-53.1545.2546.75-17.61-13.1817.612-53.3045.1446.84-17.55-13.1317.551-49.7048.4243.89-20.49-16.0620.49图7 恒载作用下梁剪力、柱轴力图(kN)图8 恒载作用下框架梁经调幅并算至柱边截面的弯矩6.2 风载作用下的内力计算(1) 各层柱端弯矩及剪力计算计算过程见表13(2) 梁端弯矩计算边节点按平衡条件计算，中节点按公式计算，公式为：=(+)=(+)梁端剪力分别按公式=，=表13 各层柱端弯矩及剪力计算层次hViDij边柱A中柱BDi1Vi1kymi1,bmi1,uDi2Vi2kymi2,bmi2,u63.69.150490102841.851.440.372.474.20149602.703.10.454.375.3453.620.550490102844.181.440.426.318.72149606.073.10.510.9310.9343.630.9150490102846.301.440.4510.2012.47149609.163.10.516.4916.4933.640.5850490102848.271.440.4713.9915.771496012.023.10.521.6421.6423.649.78504901028410.141.440.518.2518.251496014.753.10.526.5526.5514.7560.329316658613.551.90.5636.0328.31807216.604.10.5543.3835.49表14 梁端弯矩、剪力及柱轴力计算层次边梁走道梁柱轴力边柱中柱64.20 2.476.61.01 2.872.872.42.39 -1.01-1.38511.197.086.62.77 8.22 8.22 2.46.85 -3.78-5.88418.7812.76.64.77 14.72 14.72 2.412.27 -8.55-13.38325.9717.656.66.61 20.48 20.48 2.417.06 -15.16-23.83232.2422.316.68.27 25.88 25.88 2.421.56 -23.43-37.13146.5628.266.611.34 32.78 32.78 2.427.32 -34.77-53.11注：(1)柱轴力中的负号表示为拉力；(2)m的量纲为kN×m，V的量纲为kN，的量纲为m。(4) 梁端柱边弯矩和剪力计算，计算结果如表15所示：表15 风荷载作用下的框架层间位移验算风荷载作用下框架层间剪力及侧移计算层次123456Fi(kN)10.529.29.6710.4111.419.1Vi(kN)60.3149.7940.5930.9220.519.1Di(10-4E*m)10.4718.03218.03218.03218.03218.032Di(N/mm)293165049050490504905049050490Ui(mm)2.060.990.800.610.410.18Ui(mm)2.063.053.854.464.875.05h/u1750365144785878886219974 (5) 梁跨中弯矩计算，计算结果如表16所示：表16 风载作用下的梁端柱边弯矩,剪力及跨中弯矩层次梁端弯矩梁端柱边剪力梁端柱边弯矩跨中弯矩mABmBAmBCV'ABV'BAV'BCm'ABm'BAm'BCmAB0mBC064.22.472.87-1.01-1.01-2.393.972.242.330.870511.197.088.22-2.77-2.77-6.8510.576.466.682.060418.7812.714.72-4.77-4.77-12.2717.7111.6311.963.040325.9717.6520.48-6.61-6.61-17.0624.4816.1616.644.160232.2422.3125.88-8.27-8.27-21.5630.3820.4521.034.970146.5628.2632.78-11.34-11.34-27.3244.0125.7126.639.150(a) 剪力、轴力图(b) 弯矩图图9 风载作用下框架内力图6.3 楼面活荷载作用下的内力计算活荷载作用下的内力计算采用二次弯矩分配法。(1) 等效均布荷载的计算顶层：=(1-2+)=1-2×+×1.8=1.57kN/m=5/8=5/8×1.2=0.75kN/m=×1.57×=5.70kN·m=×0.75×=0.36kN·m=×0.75×=0.18kN·m中间层及底层：=(1-2+