华中科技大学文化学院学院教学楼结构设计毕业论文.docx
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华中科技大学文化学院学院教学楼结构设计毕业论文
华中科技大学文化学院学院教学楼结构设计毕业论文
1建筑设计理念及设计依据
1.1设计理念
教学楼是为人们学习提供最为良好环境的建筑。
纵观教学建筑的发展历史，无不体现着人类文化、文明的历史进程和时代特征。
教学楼建筑设计同设计其他类型建筑一样有许多共同点，也有许多不同的特点和要求。
随着时代的发展，办公楼的内容和形式都在不断发生变化。
因此，我对教学楼的设计过程和设计方法进行了详细研究，经过一番思考，我认为本设计应该具有以下
特点：
（1）弹性。
从设计、结构到服务功能都应做到开放性，以适应时空的变化。
（2）紧凑性。
教室以及其它辅助用房的空间布置要做到紧凑合理。
（3）易接近性。
从楼外到楼内，从入口到各个部门，要规划得合理，要设计一个良好的导引系统。
（4）可扩展性。
在未来扩展时可灵活延伸，将损失减小到低程度。
（5）舒适性。
在环境、通风、温湿度、光线等方面要柔和、协调，尽量借用外部的自然环境。
（6）环境的稳定性。
（7）安全性。
建筑安全防护措施做到不仅满足规范要求而且更加人性化。
（8）济性。
把建设和维护一座教学楼所需要的经费和人员控制在最低限度。
在整个设计过程中，我本着“安全，适用，经济，美观”的原则，在满足设计任务书提出的功能要求前提下，完成了建筑设计这一环节，合理的选择框架，并为以后的结构设计打下了良好的基础。
1.2工程概况
本设计教学楼位于武汉市，用地755平方米，红线范围为50m×20m。
该地段地势平坦，环境较好，在选址和环境营造方面，注意自然景色的优美，也重学习环境各交通条件的因素，更强调人与自然环境的协调统一，比较适合教学楼功能的充分利用。
根据设计资料的规划要求，本教学楼建筑要求的主要功能有：
门卫室，教师休息室，大教室，小教室，多媒体教室等。
设计标高：
室内外高差：
450mm。
墙身做法：
墙身采用250厚的加气混凝土块。
内粉刷为混合沙浆浆底，纸筋抹灰面，厚20mm,内墙涮两度涂料,外墙贴砖。
楼面做法：
楼面（大理石楼面），100厚现浇钢筋砼楼板，20厚板底抹灰。
屋面做法（上人屋面）：
见建筑设计部分。
门窗做法：
塑钢窗和木门。
地质资料：
工程地质和水文地质
建筑场地的地质钻孔资料如下表：
表1地质资料
岩土名称
土层厚度（m）
层底高程（m）
承载力特征值ƒaka（Kpa）
杂填土
0.5
-0.5
80
粘土
1.3
-1.8
280
场地土的特征周期（卓越周期）为0.30s，勘测时间，勘测范围内未见地下水。
地震烈度：
7度，设计基本地震加速度为0.1g，Ⅱ类场地，设计地震分组为第一组，抗震等级三级。
基本风压：
0=0.40KN/m2
雪压：
0.30KN/m2，地面粗糙度类别为B类。
上人屋面活荷为2.0KN/m2，走廊、楼梯活荷载为2.5KN/m2，卫生间楼面活荷载为2.0KN/KN/m2，教室楼面活荷为2.0KN/KN/m2。
1.3设计依据
（1）华中科技大学文化学院楼毕业设计（论文）任务书
（2）华中科技大学文化学院教学楼毕业论文开题报告
（3）相关建筑设计规范
2建筑设计
2.1平面设计
该建筑物总长度为42.4m，总宽度为17.8m，共五层，总建筑面积约为4000m2,主体结构采用现浇钢筋混凝土框结构。
图2-1建筑平面图
2.1.1使用部分的平面设计
使用房间面积的大小，主要由房间内部活动的特点，使用人数的多少以及设备的因素决定的，本建筑物为教学楼，主要使用房间为教室，各主要房间的具体设置在下表一一列出，如下表：
表2-1房间设置表
序号
房间名称
数量
单个面积
1
大教室
29
64.8
2
小教室
5
43.2
3
教师休息室
5
43.2
4
门房
1
10.8
5
储藏室
1
10.8
7
洗手间
5
43.2
2.1.2门的宽度、数量和开启方式
房间平面中门的最小宽度是由通过人流多少和搬进房间家具设备的大小决定的，如果室内人数多于50人，或房间面积大于60m2时，按照防火要求至少要设两个门，分别设在两端，以保证安全疏散，在进出人流频繁的地方，应使用弹簧门。
教室设置两扇900宽的门，门扇开向室外。
为了在发生危险时便于疏散，正面大门采用两扇宽为1.8m的双扇门，走廊两端的采用0.75m的双扇门，均向外开。
2.1.3窗的大小和位置
房间中窗的大小和位置主要是根据室内采光通风要求来考虑。
采光方面，窗的大小直接影响到室内照明是否充足。
各类房间照明要求是由室内使用上直接影响到室内是用上精确细密的程度来确定的。
通常以窗口透光部分的面积和房间地面的采光面积比来初步确定或检验面积的大小。
教室采光面积比为1/6~1/8，走廊和楼梯间大于1/10。
教室采光面积比为
，在范围之内
楼梯间:
均满足要求。
2.1.4辅助房间的平面设计
通常根据各种建筑物的使用特点和是用人数的多少，先确定所需设备的个数，建筑物中公共服务的卫生间应设置前室，这样使得卫生间比较隐藏，又有利于改善通向卫生间的走廊或过厅的卫生条件。
为了节省交通面积，并使管道集中，采用套间布置。
在本设计中，每层大约有400人上课，按规范规定:
男卫生间：
大便器5具/80人，设5具；小便器1具/40人，设10具；
女卫生间：
大便器1具/40人，设10具；
洗手盆：
1具/200人，设2具。
2.1.5交通部分的平面设计
走廊的应符合人流通畅和建筑防火要求，通常单股人流的通行宽度约为500~600mm。
由于走廊两侧设房间，走廊宽度采用3000mm，根据建筑物的耐火等级为二级，层数五层，走廊通行人数为60人，防火要求最小宽度为1m,符合要求。
楼梯是房屋个层间的垂直交通部分，各楼层人流疏散的必经通路。
楼梯设计主要根据使用要求和人流通行情况确定梯段和休息平台的宽度，梯段的宽度通常不小于1100mm~1200mm。
2.2立面设计
结构韵律和虚实对比，是使建筑立面富有表现力的重要设计手法。
建筑立面上结构构件或门窗作用有规律的重复和变化，给人们在视觉上得到类似音乐诗歌中节奏韵律变化的感受效果。
在本设计中，正立面中所有的窗尺寸都是一样的，给人以特别整齐的感觉！
房屋外部形象反映建筑类型内部空间的组合特点，美观问题紧密地结合功能要求，同时，建筑物所在地区的气候、地形、道路、原有的建筑物以及绿化等基地环境，也是影响建筑物立面设计的重要因素。
2.3建筑剖面设计
为防止室外雨水流入室内，并防止墙身受潮，将使内地坪提高到室外地坪450mm。
首层、标准层与顶层层高均为3.3m。
2.4其它部分详细做法和说明
根据《设计规范》，采用如下设计
（1）.基础（墙基）防潮层：
在－0.045以下基础两侧均用防水水泥砂浆防潮,20厚的1：
2水泥砂浆掺5％避水浆，位置一般在－0.045标高处,适用于砖墙墙身。
（2）．地面：
人造大理石板地面
20厚1：
2水泥砂浆找平层
100厚C30混凝土
100厚素土夯实
（3）．楼面：
人造大理石板地面
20厚1：
2水泥砂浆找平层
100厚钢筋混凝土楼板
20厚底板抹灰
（3）．踢脚台度做法：
釉面瓷砖踢脚台度
5厚釉面砖（白瓷砖）水泥擦缝
5厚1：
1水泥细砂结合层
12厚1：
3水泥砂浆打底
（4）．内墙面做法：
水泥砂浆粉面：
刷（喷）内墙涂料
10厚1：
2水泥砂浆抹面
15厚1：
3水泥砂浆打底
（5）．外墙面：
用15厚1：
3水泥沙浆找平，200×60高级无釉质瓷砖饰面。
（6）．a、五层上人屋面做法：
小瓷砖面层
高聚物改性沥青防水层
1:
8水泥砂浆找坡层
20厚1：
2水泥砂浆找平层
150厚水泥蛭石保温层
20厚底板抹灰
（7）．水泥台阶：
花岗岩面层
20厚1：
25水泥砂浆抹面压实抹光
素水泥浆一道70厚C15号混凝土（厚度不包括踏步三角部分）台阶面向外坡1%
200厚碎石或碎砖石灌M2.5号混合砂浆
素土夯实（坡度按工程设计）
（8）．散水做法：
20厚1：
2水泥砂浆抹面、压实抹光
60厚C15混凝土
素土夯实向外坡4%
备注：
①散水宽度应在施工图中注明
②每隔6m留伸缩缝一道，墙身与散水设10宽，沥青砂浆嵌缝。
③宽600～900mm
④坡度3～5%
（9）．主体为现浇钢筋混凝土框架结构，楼盖及屋盖均采用现浇钢筋混凝土结构。
整个设计过程中，在满足设计任务书提出的功能要求前提下，同时遵循“安全，适用，经济，美观”的原则，结构布置合理，房间利用率比较高，适用性很强，同时又不失美观。
3截面尺寸初步估计
3.1柱截面设计
该结构选用C30的混凝土
，选用二级钢筋HRB335
。
结构抗震等级为三级，由公式
（3-1）
式中
取0.8
取14.3×103kN/m2
N=15×A（其中15为面荷载）
从而得到
N=15×3×（
×7.2＋
×3.0）=230KN
可得
A=
=
=0.101m2=101000mm2
b=h=
=317mm.
取b=h=400mm.
3.2梁的截面设计
梁的截面宽度b:
框架梁取300mm,楼面连系梁取200mm。
梁的截面高度h取值如下：
框架梁：
h1=（
~
）L（3-2）
AB、CD跨:
h1=
L=
=600mm取h1=600mm
BC跨：
在AB和CD之间，考虑到整体性，故也取h1=600mm
连系梁：
H2
Lh2=
L=
=250mm,k
取h2=400mm。
综上可知，各梁的截面如下：
框架梁：
b1×h1=300mm×6000mm（AB跨、BC跨、CD跨）
连楼面系梁：
b3×h3=200mm×400mm
4框架侧移刚度的计算
根据规范可知，对于现浇楼板其梁的线刚度应进行修正：
边框架梁
=1.5
中框架梁
=2
取结构图中5号轴线的一榀框架进行计算
图4－1框架示意图
4.1横梁线刚度ib的计算
表4－1横梁线刚度ib计算表
类别
Ec（N/mm2）
b（mm）
h（mm）
I0（mm4）
l（mm）
EcI0/l（kN·m）
1.5EcI0/l（kN
·m）
2EcI0/l（kN·m）
AB、CD跨
3.0
104
300
600
5.4
109
7200
2.25
1010
4.5
1010
BC跨
3.0
104
300
400
1.6
109
3000
1.6
1010
3.2
1010
4.2柱线刚度ic的计算
表4－2柱线刚度ic计算表
层次
Ec（N/mm2）
b（mm）
h（mm）
hc（mm）
Ic（mm4）
EcIo/l（kN·m）
1
3.0
104
400
400
4500
2.1
109
1.4
1010
2~4
3.0
104
400
400
3300
2.1
109
1.9
1010
图4－2线刚度示意图
4.3各层横向侧移刚度计算
4.3.1底层
A、D柱
i=2.37
αc=（0.5+i）/（2+i）=0.66
D11=αc×12×ic/h2
=0.66×12×1.9×1010/33002
=13818
B，C柱
i=（4.5+3.2）/1.9=6.18
αc=（0.5+i）/（2+i）=0.82
D12=αc×12×ic/h2
=0.82×12×1.9×1010/33002
=17168
4.3.2第二层
1，4号柱
i=4.5×2/（1.9×2）=2.37
αc=i/（2+i）=0.54
D21=αc×12×ic/h2
=0.54×12×1.9×1010/33002
=11305
2，3号柱
i=4.5×2+3.2×2/（1.9×2）=4.05
αc=i/（2+i）=0.67
D22=αc×12×ic/h2
=0.67×12×1.9×1010/33002
=14028
4.3.3三、四、五层
三层，四层和五层的计算结果与二层相同
D31=D34=11305
D32=D33=14028
D41=D44=11305
D42=D43=14028
D51=D54=11305
D52=D53=14028
表4-3横向侧移刚度统计表
层次
1
2
3
4
5
∑Di（N/mm）
61972×15=929580
50666×15=759990
759990
759990
759990
该框架为横向承重框架，不计算纵向侧移刚度。
∑D1/∑D2=929580/759990>0.7，故该框架为规则框架。
5竖向荷载及其内力计算
5.1计算单元的选择确定
图
55－1计算单元
计算单元宽度为7.2m，4轴线至6轴线间，故直接传给该框架的楼面荷载如图中的水平阴影所示。
5.2竖向荷载统计
5.2.1屋面及楼面恒载
屋面：
小瓷砖层：
0.55kN/m2
高聚物改性沥青防水层：
0.5kN/m2
20厚水泥砂浆找平：
0.02×20=0.4kN/m2
1:
8水泥砂浆找坡层:
1.44kN/m2
150厚水泥蛭石保温层:
0.15×5=0.75kN/m2
100厚钢筋混凝土结构层:
0.1×25=2.5kN/m2
20厚底板抹灰：
0.02×17=0.34kN/m2
kN/m2
楼面：
12厚人造大理石板面层0.012×28=0.336kN/m2
100厚砼板：
0.10×25=2.5kN/m2
20厚板底抹灰：
0.34kN/m2
kN/m2
5.2.2屋面及楼面活载
楼面活载：
教室：
2.0kN/m2
厕所：
2.0kN/m2
走廊、门厅、楼梯:
2.5kN/m2
屋面活载：
上人屋面:
2.0kN/m2
雪载：
本题目基本雪压：
S0=0.3kN/m2,屋面积雪分布系数
r=1.0
屋面水平投影面积上的雪荷载标准值为：
SK=
rS0=1.0×0.3=0.3kN/m2
5.2.3梁荷载标准值
框架梁b1×h1=300×600mm2
梁自重0.3×（0.60-0.1）×25=3.75kN/m
10厚水泥石灰膏砂浆0.01×（0.6-0.1）×2×14=0.14kN/m
kN/m
纵向连系梁b2×h2=200×400mm2
梁自重0.2×（0.4-0.1）×25=1.50kN/m
10厚水泥石灰膏砂浆0.01×（0.4-0.1）×2×14=0.084kN/m
kN/m
5.2.4墙荷载标准值
外：
250mm厚加气混凝土砌块0.25×7=1.75kN/m2
20厚底板抹灰：
0.02×17=0.34kN/m2
6厚外墙贴面砖0.006×19.8=0.1188kN/m2
kN/m2
内：
250mm厚加气混凝土砌块0.25×7=1.75kN/m2
20厚底板抹灰：
0.02×17=0.34kN/m
20厚水泥粉刷墙面0.02×17=0.34kN/m2
kN/m2
女儿墙：
6厚水泥砂浆罩面0.006×20=0.12kN/m2
12水泥砂浆打底0.012×20=0.24kN/m2
240粘土空心砖0.24×11=2.64kN/m2
6厚外墙贴砖0.006×19.8=0.119kN/m2
kN/m2
门,窗及楼梯间荷载
门窗荷载标准值：
塑钢玻璃窗单位面积取0.4KN/m2，木门取0.2KN/m2
塑钢玻璃门取0.40KN/m2。
楼梯荷载标准值：
楼梯底板厚取为100㎜，平台梁截面尺寸为200㎜×400㎜
楼梯板自重0.5×（0.074＋0.15＋0.074）×0.3×25÷0.3=3.73KN/m2
人造理石面层（0.3＋0.15）×0.336÷0.3=0.504KN/m2
板底20厚纸筋抹灰0.34×0.02×12÷0.3=0.36KN/m2
合计4.594KN/m2
平台梁两端搁置在楼梯间两侧的梁上，计算长度取l=3300－300=3000㎜，其自重
=0.3×0.2×3.0×25=4.5KN，
5.3竖向荷载内力计算
图5－2荷载示意图
5.3.1恒载作用下柱的内力计算
恒荷载作用下各层框架梁上的荷载分布如下图所示：
图5-3恒荷载作用下的荷载分布图
对于第5层，
q1″表横梁自重，为均布荷载形式。
q1=3.89KN/m
q2分别上人屋面板传给横梁的梯形荷载和三角形荷载。
q2=6.48×3.0=19.44KN/m
P1、P2分别由边纵梁、中纵梁、边纵梁直接传给柱的恒载，PE是由纵向次梁直接传给横向主梁的恒载，它们包括主梁自重、次梁自重、楼板重、及女儿墙等重力荷载，计算如下：
P1=（1.5×1.5×1/2）×2×3.567+1.58×3.0+3.119×3.0×1.4=25.87
P2=（1.5×1.5×1/2）×4×3.567+1.58×3.0=20.79KN
集中力矩M1=PBeB
=25.87×（0.4-0.2）/2
=2.59KN·m
M2=PDeD
=20.79×（0.4-0.2）/2
=2.08KN·m
对于1-4层，
q1″是包括梁自重和其上部墙重,为均布荷载，其它荷载的计算方法同第5层。
q1=3.89KN/m
q2、q2″和q2，分别为楼面板和走道板传给横梁的梯形荷载和三角形荷载。
q2，=3.567×3.0=10.70KN/m
外纵墙线密度[（3.0×2.9-1.8×1.8）×2.21+1.8×1.8×0.4]/3.0=4.45KN/m
内纵墙线密度[（3.0×2.9）×2.43]/3.0=7.05KN/m
P1=P4=（1.5×1.5×1/2）×2×3.567+1.58×3.0+4.45×3.0=26.12
P2=P3=（1.5×1.5×1/2）×4×3.567+1.58×3.0+7.05×3.0=41.94KN
集中力矩M1=PBeB
=26.12×（0.4-0.2）/2
=2.61KN·m
M2=PDeD
=41.94×（0.4-0.2）/2
=4.19KN·m
5.3.2恒荷载作用下梁的固端弯矩计算
等效于均布荷载与梯形、三角形荷载的叠加。
梯形：
q=（1-2α²+α³）q2本设计中AB,CD跨α=1.5/7.2=0.21q=0.92q2
三角形：
q=0.625q2，
对于第5层，
AB,CD跨梁：
q=0.92×19.44+3.89=21.77KN/m
BC跨：
q″=0.625×19.44+3.89=16.04KN/m
AB,CD跨梁端弯矩：
-MAB=MBA=ql2AB/12
=21.77×7.22/12
=94.05（KN.m）
BC跨梁端弯矩：
-MBC=MCB=ql2AB/12
=21.77×3.02/12
=16.33（KN.m）
对于第1-4层，
AB,CD跨梁：
q=0.92×10.70+3.89=13.73KN/m
BC跨：
q，=0.625×10.70+3.89=10.58KN/m
AB,CD跨梁端弯矩：
-MBD=MDB=ql2BD/12
=13.73×7.22/12
=59.31（KN.m）
BC跨梁端弯矩：
-MBC=MCB=ql2AB/12
=10.58×3.02/12
=7.94（KN.m）
5.3.3恒载作用下框架的弯矩计算
分配系数的计算:
其中
为转动刚度
采用分成法计算时，假定上下柱的远端为固定时与实际情况有出入。
因此，除底层外，其余各层的线刚度应乘以0.9的修正系数，其传递系数由0.5改为0.33。
图5-4恒载作用下弯矩分配图
图5-5恒载弯矩图
5.4.4活载作用下柱的内力计算
活荷载作用下各层框架梁上的荷载分布如下图所示：
图5-6活荷载作用下的荷载分布图
对于第5层，
q1=2.0×3.0=6.0KN/m
P1=（1.5×1.5×1/2）×2×2.0+1.58×3.0=9.24KN
P2=（1.5×1.5×1/2）×4×2.0+1.58×3.0=13.74KN
集中力矩M1=M4=PBeB
=9.24×（0.4-0.2）/2
=0.92KN·m
M2=M3=PDeD
=13.74×（0.4-0.2）/2
=1.37KN·m
同理，在屋面雪荷载的作用下：
q1=0.3×3.0=0.9KN/m
P1=（1.5×1.5×1/2）×2×0.3+1.58×3.0=5.42KN
P2=（1.5×1.5×1/2）×4×0.3+1.58×3.0=6.09KN
集中力矩M1=PBeB
=5.42×（0.4-0.2）/2
=0.54KN·m
M2=PDeD
=6.09×（0.4-0.2）/2
=0.61KN·m
对于第1-4层，
q1=2.0×3.0=6.0KN/m
q2=2.5×3.0=7.5KN/m
P1=（1.5×1.5×1/2）×2×2.0+1.58×3.0=9.24KN
P2=（1.5×1.5×1/2）×2×2.0+（1.5×1.5×1/2）×2×2.5+1.58×3.0=14.87KN
集中力矩M1=PBeB
=9.24×（0.4-0.2）/2
=0.92KN·m
M2=PDeD
=14.87×（0.4-0.2）/2
=1.49KN·m
将计算结果汇总如下两表：
表5-1横向框架恒载汇总表
层次
q1
KN/m
q2
KN/m
P1P4KN
P2P3
KN
M1M4
KN·m
M2M3
KN·m
5
3.89
19.44
25.87
20.79
2.59
2.08
1-4
3.89
10.70
26.12
41.94
2.61
4.19
表5-2横向框架活载汇总表
层次
q1
KN/m
q2
KN/m
P1P4KN
P2P3
KN
M1M4
KN·m
M2M3
KN·m
5
6.0
6.0
9.24
13.74
0.92
1.37
1-4
6.0
7.5
9.24
14.78
0.92
1.48
5.4.5活荷载作用下梁的内力计算
对于第5层，
AB,CD跨梁：
q=0.92×6.0=5.52KN/m
BC跨：
q″=0.625×6.0=3.75KN/m
AB,CD跨梁端弯矩：
-MAB=MBA=ql2AB/12
=5.52×7.22/12
=23.85（KN.m）
BC跨梁端弯矩：
-MBC=MCB=ql2A
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