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某高层钢筋混凝土教学楼设计

摘 要

本毕业设计的题目为：某高层混凝土教学楼设计，鉴于以往教学楼的毕业设计一般为双排教室，本毕业设计采用两排教室，中间一走廊式。结构类型为框架-剪力墙结构，结构设计的流程为：结构布置与构件尺寸的确定；框架、剪力墙刚度计算；竖向荷载、水平荷载计算与结构变形验算；结构内力计算；框架的内力组合；构件截面设计与验算；基础设计；PKPM建模与计算；施工图的绘制。

关键词：框架-剪力墙结构；内力组合；PKPM软件。

Abstract
The graduation design topic is: Design of a high-rise concrete building, in view of the graduation design the teaching building is generally double the classroom, the graduation design using the two row of the classroom, the middle corridor type. Structure for the type of frame - shear wall structure, the structure design process: determine the structural layout and component size; calculation of frame, the shear wall stiffness; vertical load, horizontal load calculation and structural deformation calculation; structural internal force calculation; internal force combination framework; component design and checking section; foundation design; modeling and calculation of PKPM the construction drawing.

Keywords: frame - shear wall structure; internal force combination; PKPM software

目 录

第一章 工程概况与结构平面布置 1
1.1工程概况 1
1.2结构方案与布置 2
第二章 构件尺寸初估与计算简图 3
2.1楼板厚度 3
2.2框架梁截面高度与宽度 3
2.3框架柱截面高度与宽度 3
2.4剪力墙布置和厚度 3
2.5计算简图 4
第三章 电算主要计算结果 5
第四章 框架、剪力墙刚度计算 8
4.1.框架刚度计算 8
4.1.1框架梁线刚度计算 8
4.1.2框架柱线刚度计算 8
4.1.3框架柱侧移刚度计算 9
4.1.4框架抗推刚度计算 9
4.2 剪力墙抗弯刚度计算 10
4.2.1 剪力墙类型确定 10
4.2.2 横向各剪力墙等效抗弯刚度计算 11
4.3结构刚度特征值计算 12
第五章 荷载计算 13
5.1楼、屋面板的荷载计算 13
5.2墙体、梁、柱荷载计算 14
5.3重力荷载代表值 15
5.4地震作用的计算 15
5.4.1结构基本自振周期 15
5.4.2 地震作用计算 16
第六章 变形验算 19
第七章 总框架与总剪力墙内力 21
第八章 水平地震作用下框架内力计算 23
8.1框架各层总剪力调整 23
8.2框架柱剪力及弯矩计算 23
8.3框架梁端弯矩、剪力及柱轴力计算 25
第九章 竖向荷载作用下框架内力计算 27
9.1恒荷载的计算 27
9.1.1屋面梁线荷载标准值 27
9.1.2 楼面梁线荷载标准值 27
9.2活荷载的计算 28
9.2.1屋面梁线荷载标准值 28
9.2.2楼面梁线荷载标准值 28
9.3竖向荷载作用下框架弯矩计算 28
9.4竖向荷载作用下梁端剪力计算 30
9.5 竖向荷载作用下柱轴力计算 33
第十章 框架内力组合 37
10.1框架梁内力组合 37
10.2柱的内力组合 49
第十一章 截面设计与验算 54
11.1框架梁 54
11.1.1框架梁正截面强度设计 54
11.1.2框架梁斜截面强度设计 55
11.1.3框架梁腰筋设计 56
11.2框架柱截面设计 56
11.2.1柱轴压比验算 56
11.2.2框架柱正截面强度设计 57
11.2.3斜截面承载力配筋计算 58
第十二章 基础设计 63
12.1地基承载力特征值的确定 63
12.2初步确定基础高度和杯口尺寸 63
12.3确定基础底面尺寸 63
12.4验算基础高度 64
12.5基础底板配筋计算 65
第十三章 楼梯设计 66
13.1梯段板设计 66
13.1.1荷载计算 66
13.1.2截面设计 66
13.2平台板设计 66
13.2.1荷载计算 66
13.2.2截面设计 67
13.3平台梁设计 67
13.3.1荷载计算 67
13.3.2截面设计 68
附录1 总信息 69
附录2 周期、振型、地震力 74
附录3 结构位移 79
附录4 框架柱地震倾覆弯矩百分比 84
附录5 标准层梁配筋图 86
附录6 标准层楼板配筋图 87
参 考 文 献 88
致 谢 89

第一章 工程概况与结构平面布置
1.1工程概况
本工程为某教学楼，地上十层，结构类型为框架-剪力墙结构，首层层高3.6m,标准层层高3.6m 。设计标高±0.000相对于绝对标高37.80m, 室内外高差0.3m 。
本工程建在抗震设防烈度7度地区，设计基本地震加速度0.1g,场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，基本雪压0.4kN/m2，基本风压0.45 kN/m2，地面粗糙度C类，建筑物重要类别为丙类，安全等级为二级，建筑耐火等级为一级。
根据现场的土地使用面积将该楼设计成左右对称布置的教学楼，设置两部电梯，三处楼梯。楼层总高度为36.0m。
工程地质情况：冰冻深度为0.8m；场地内可不考虑地下水的影响；其他设计资料如Error! Reference source not found.所示。
10m
黏土（e=0.8，IL=0.75）
黏土：g＝18 kN/m3
fk=190 kN/m2
Es=10800 kN/m2
砾砂：g＝18 kN/m3
fk=400 kN/m2
Es=90000 kN/m2
7m
砾砂
细砂：g＝19.8 kN/m3
fk=380 kN/m2
Es=38000 kN/m2
细砂

图1.1 工程地质剖面图
材料和做法：
外围护墙采用200mm加气混凝土砌块或陶粒空心砖，内或外做80mm厚增强水泥聚苯保温板；
内墙采用150mm加气混凝土砌块或陶粒空心砖及轻钢龙骨石膏板。
本工程结构设计采用框架—剪力墙结构，框架—剪力墙结构在水平荷载作用下，拥有很好的抗侧性能，结构计算按横向框架承重分析。

图1.2 建筑平面布置图

1.2结构方案与布置
该建筑为教学楼，建筑平面布置灵活，有较大空间。该工程采用钢筋混凝土框架—剪力墙结构，根据框架—剪力墙结构的结构布置原则，标准层结构平面布置如图2所示。

图1.3 结构平面布置图

第二章 构件尺寸初估与计算简图
2.1楼板厚度
如图1.2所示，对于四边支承的板，当长边与短边的比值小于3时，宜按双向板计算。连续双向板厚度h≥(80mm,lx/50), lx为楼板短跨跨度，初步取板厚h=100mm。
2.2框架梁截面高度与宽度
框架梁hb=(1/18~1/10)lb，lb为框架梁的计算跨度；且hb不宜大于1/4净跨。
本设计按弹性理论计算，横向框架梁的计算跨度lb=lc，lc为支座中心线间距离，lc =7.8m，故hb=(1/18~1/10) ×7200=400~720mm。初步取hb=600mm。
横向框架梁bb≥(hb/4,bc/2,200mm),bc为柱宽。一般bb=(1/2~1/3)hb,故bb≥(600/4,
800/2,200)mm.初步取bb=400mm。
同理，初步取次梁截面尺寸为300×450mm。
纵向框架梁的高度与宽度初步取与横向框架梁相同。
2.3框架柱截面高度与宽度
高层建筑中，框架柱所受的轴向力较大，柱的截面尺寸一般根据轴压比限值估算。根据柱从属面积荷载上的轴向力设计值N，并考虑水平荷载影响，初步确定柱截面面积Ac。本设计框架—剪力墙结构中的框架抗震等级为三级，轴压比的限值为[μN]=0.90。单位面积上的重力荷载代表值近似取12kN/m2，底层混凝土强度等级取C30(fc=14.3N/mm2)。抗震设计时柱的截面面积为
Ac=N/([μN]fc)=(1.2×7.2×9×12×9)/(0.90×14.3×103=0.653m2
另外，柱截面边长不宜小于300mm，柱净高与截面长边尺寸之比宜大于4，柱截面的高度与宽度的比值不宜大于3。综合考虑，柱截面尺寸选取为700×700mm，混凝土的强度等级选取为C30。
2.4剪力墙布置和厚度
剪力墙的布置应遵循“均匀，分散，对称，周边”的原则，宜布置在竖向荷载较大处，建筑物端部附近，楼梯、电梯间，平面形状变化处。剪力墙宜自上而下连续布置，避免刚度突变。本设计剪力墙的抗震等级为二级， bw≥(H/20,160mm)，初步选取bw=300mm。
2.5计算简图
在横向水平力作用下，剪力墙与框架之间有连梁连接，但考虑到连梁对墙肢的约束很弱，因此将结构简化为铰接体系。
因该建筑没有地下室，因而底层柱的下端取至室内基础地面；主体结构的高度为H=6.0+3.6×9=38.4m,因梁板现浇，所以其他各层取板底为梁截面的形心线。

图2.1 框架—剪力墙结构铰接体系计算简图

第三章 电算主要计算结果
经过PKPM计算，主要计算结果如下。
抗倾覆验算结果：
抗倾覆弯矩Mr 倾覆弯矩Mov 比值Mr/Mo 零应力区(%)
X风荷载 5873004.5 11602.7 506.18 0.00
Y风荷载 1253204.1 54375.9 23.05 0.00
X 地 震 5873004.5 96781.4 60.68 0.00
Y 地 震 1253204.1 127268.5 9.85 0.00
结构整体稳定验算结果:X向刚重比 EJd/GH**2= 6.64;Y向刚重比 EJd/GH**2= 13.74。该结构刚重比EJd/GH**2大于1.4,能够通过高规(5.4.4)的整体稳定验算;该结构刚重比EJd/GH**2大于2.7,可以不考虑重力二阶效应。
楼层抗剪承载力、及承载力比值：
Ratio_Bu: 表示本层与上一层的承载力之比
层号 塔号 X向承载力 Y向承载力 Ratio_Bu:X,Y
10 1 0.1777E+05 0.2345E+05 1.00 1.00
9 1 0.2052E+05 0.2581E+05 1.15 1.10
8 1 0.2318E+05 0.2897E+05 1.13 1.12
7 1 0.2550E+05 0.3150E+05 1.10 1.09
6 1 0.2767E+05 0.3386E+05 1.09 1.07
5 1 0.2986E+05 0.3605E+05 1.08 1.06
4 1 0.3196E+05 0.3809E+05 1.07 1.06
3 1 0.3336E+05 0.3998E+05 1.04 1.05
2 1 0.3468E+05 0.4144E+05 1.04 1.04
1 1 0.2455E+05 0.2923E+05 0.71 0.71
结构震动周期为1.4597s，第一转动周期与第一平动周期之比为0.674，满足高规的规定。
框架柱地震倾覆弯矩百分比：
柱倾覆弯矩 墙倾覆弯矩 柱倾覆弯矩百分比
10层 X向地震: 3581.0 3506.4 50.53%
10层 Y向地震: 5243.1 2486.2 67.83%
9层 X向地震: 6486.7 7231.6 47.28%
9层 Y向地震: 9652.4 4944.8 66.12%
8层 X向地震: 9679.6 11643.2 45.40%
8层 Y向地震: 14890.7 8082.7 64.82%
7层 X向地震: 12972.8 15798.3 45.09%
7层 Y向地震: 20677.2 13426.4 60.63%
6层 X向地震: 16316.4 21351.5 43.32%
6层 Y向地震: 26937.7 19712.7 57.74%
5层 X向地震: 19644.3 27774.7 41.43%
5层 Y向地震: 33510.4 27026.9 55.35%
4层 X向地震: 22891.4 35323.8 39.32%
4层 Y向地震: 40167.6 35526.2 53.07%
3层 X向地震: 25936.8 44185.9 36.99%
3层 Y向地震: 46552.3 45455.8 50.60%
2层 X向地震: 28830.3 54183.2 34.73%
2层 Y向地震: 52462.4 56797.9 48.02%
1层 X向地震: 32429.5 73328.1 30.66%
1层 Y向地震: 56937.7 82169.5 40.93%
0.2Q0 调整系数：
0.2Qox =756.10 1.5Vxmax =1491.64
0.2Qoy = 994.28 1.5Vymax = 2773.49
Floor Coef_x Coef_y Vcx Vcy
1 1.000 1.000 599.767 745.747
2 1.000 1.000 803.604 1641.434
3 1.000 1.000 845.786 1773.273
4 1.000 1.000 901.844 1848.991
5 1.000 1.000 924.313 1825.612
6 1.000 1.000 928.650 1738.925
7 1.000 1.000 914.623 1607.210
8 1.000 1.000 886.683 1454.651
9 1.000 1.000 806.856 1224.060
10 1.000 1.000 994.430 1454.628
以上计算结果均能满足规范要求，因此进行下一步的手算，详细的计算结果见附录部分。

第四章 框架、剪力墙刚度计算
4.1.框架刚度计算
4.1.1框架梁线刚度计算
框架梁线刚度的计算见下表4.1。表中I为矩形截面计算的梁惯性矩。
表4.1 框架梁线刚度ib计算表
跨度
lb
/mm

截面
bb×hb /(mm×mm)

惯性矩
I0=bb×hb3/12
(×109)/mm4

Ec
(×104) /(N/mm2)

边框架
中框架
Ib=1.5I0
(×109)/mm4

ib=Ec Ib/lb
(×1010)/(N.mm)

Ib=2.0I0
(×109)/mm4
ib=EcIb/lb
(×1010)/(N.mm)
7200
400×600
7.20
3.00
10.80
4.50
14.40
6.00
4600
400×600
7.20
3.00
10.80
7.04
14.40
9.39
2500
400×600
7.20
3.00
10.80
12.96
14.40
17.28
1200
400×600
7.20
3.00
10.80
27.00
14.40
36.00

4.1.2框架柱线刚度计算
框架柱线刚度的计算见下表4.2。对于高度小50m且高度比小于4的建筑物，仅考虑柱梁弯曲变形引起的柱侧移刚度，忽略柱的轴向变形。
表4.2 柱线刚度ic计算表

(×109)/(N.mm2)
(×1010)/(N.mm)

4.1.3框架柱侧移刚度计算
抗侧刚度是指上下端产生单位相对侧向位移时所需施加的侧向力。在考虑了住上下端节点的弹性约束作用后，柱的抗侧移刚度以D值表示。柱的抗侧刚度D值计算见下表。
表4.3 首层柱侧移刚度计算表
首层柱
根数
h(mm)
K=(i1+i2)/ic
α=(0.5+K)/(2+K)
D/(N/mm)
边榀框架中柱
4
6000
3.996
0.750
25000
中榀框架中柱
11
6000
2.328
0.653
21766.67
4
6000
2.667
0.679
22633.33
5
6000
5.328
0.795
26500
中榀框架边柱
11
6000
0.600
0.423
14100
∑D=
717566.69

表4.4 2~10层柱侧移刚度计算表
2~10层柱
根数
h(mm)
K=(i1+i2+i3+i4)/2ic
α=K/(2+K)
D/(N/mm)
边榀框架中柱
4
3600
2.398
0.545
84106.62
中榀框架中柱
11
3600
1.397
0.411
63427.19
4
3600
1.600
0.444
68519.89
5
3600
3.197
0.615
94909.31
中榀框架边柱
11
3600
0.360
0.153
23611.58
∑D=
2042479.06
4.1.4框架抗推刚度计算
总框架的抗推刚度Cf为使总框架层间产生单位剪切变形角时所需要的水平剪力，即Cf=∑D，计算结果见下表4.5。
表4.5 各层框架抗推刚度计算表
层数
D/(N/mm)
h/(mm)
Cf=h∑D(×108)/N
首层柱
717566.69
6000
43.05
2~10层柱
2042479.06
3600
73.53
总框架各层抗侧刚度沿结构高度不完全相同，总框架的抗推刚度取各层抗推刚度的加权平均值。

4.2 剪力墙抗弯刚度计算
4.2.1 剪力墙类型确定
横向剪力墙有如图所示四种类型。
整体墙为没有门窗洞口或只有很小洞口的墙，计算时可以忽略洞口对内力的影响。这种类型的剪力墙实际上是一个整体的竖向悬臂墙，符合平面假定，水平截面正应力为直线分布。
W-1 W-2

W-3 W-4

图4.1 剪力墙图
剪力墙在平面内刚度无穷大，平面外刚度可以忽略。但计算内力和位移时，每一个方向水平力作用下只考虑本方向剪力墙，另一个方向剪力墙只按翼缘考虑。
各层剪力墙的厚度或者混凝土强度等级不同，计算等效刚度的式中E，Iw，Aw，μ应取沿高度的加权平均值。
4.2.2 横向各剪力墙等效抗弯刚度计算
表4.6 剪力墙W-1等效刚度EIeq计算

表4.7 剪力墙W-2等效刚度EIeq计算

表4.8 剪力墙W-3等效刚度EIeq计算

表4.9 剪力墙W-4等效刚度EIeq计算

W-1有四片，W-2有六片，W-3有四片，W-14有两片，总剪力墙等效抗弯刚度
EIeq=201.92×4+268.48×6+27.39×4+41.08×2=2610.28×106 kN/m2
4.3结构刚度特征值计算
按铰接体系，则

第五章 荷载计算
5.1楼、屋面板的荷载计算
楼、屋面板的荷载计算见表5.1、表5.2。
表5.1 楼面板荷载计算
荷载
项目
办公室、会议室
/（KN/m2）
卫生间
/（KN/m2）
走廊
/（KN/m2）
楼面活荷载
2.5
2.500
3.500
楼面
做法
30mm水磨石地面
0.65
0.65
0.65
现浇板100厚
2.500
2.500
2.500
顶棚
做法
顶棚20mm石 灰砂浆抹灰
0.34
0.34
0.34
活荷载标准值
2.500
2.500
3.500
恒载标准值
3.490
3.490
3.490
荷载标准值合计
5.990
5.990
6.990

表5.2 屋面板荷载计算
荷载
项目
荷载/（kN/m2）
屋面活荷载
2.000
屋面
做法
屋3
1.500
现浇板100厚
2.500
顶棚
做法
顶棚20mm
石灰砂浆抹灰
0.160
活荷载标准值
2.000
恒载标准值
4.160
荷载标准值合计
6.160

5.2墙体、梁、柱荷载计算
外墙采用200mm厚加气混凝土砌块（6.5kN/m2）。内墙采用150mm厚陶粒空心砖（6.0kN/m2）。内墙两侧采用水泥砂浆墙面（20kN/m3）。女儿墙采用240mm厚普通砖（18kN/m2），外侧采用喷多层花纹涂料墙面，内侧抹石灰砂浆（17kN/m3）。
（1）单位面积墙体荷载。
外墙：200厚加气混凝土空心砌体 0.20×6.5=1.30kN/m2
100厚加强性水泥石膏聚苯保温板 0.17×0.1=0.017kN/m2
外墙19C 0.012×20+0.005×20=0.34kN/m2
内墙5D2 20×0.005+20×0.008+20×0.003=0.32kN/m2
∑=1.977kN/m2
内墙：150厚陶粒空心砖 0.15×6.0=0.9kN/m2
双面内墙5D2 2×(20×0.005+20×0.008+20×0.003)=0.64kN/m2
∑=1.54kN/m2
女儿墙：240厚普通砖 0.24×18=4.32kN/m2
外墙19C 0.012×20+0.005×20=0.34kN/m2
内抹灰20厚 0.02×17=0.34kN/m2
∑=5.000kN/m2
剪力墙300厚C30混凝土 0.30×25=7.50kN/m2
双面内墙5D2 2×(20×0.005+20×0.008+20×0.003)=0.64kN/m2
∑=8.140kN/m2（2）单位长度梁、柱荷载。
框架梁：框架梁(横向和纵向)：400×600
自重 0.4×（0.6-0.10）×25=5kN/m
双侧内抹灰 2×0.02×（0.6-0.10）×17=0.34kN/m
∑=5.34kN/m
框架梁(横向和纵向)：300 ×450
自重 0.30×(0.45-0.10)×25=2.625kN/m
双侧内抹灰 2×0.02×(0.45-0.10)×17=0.238kN/m
∑=2.863kN/m
框架柱：
柱:700×700
柱自重 0.7×0.7×25=12.250kN/m
四面抹灰 4×0.02×0.7×17=0.952kN/m
∑=13.202kN/m
5.3重力荷载代表值
单位面积楼(屋)面、墙面荷载标准值乘以面积，单位长度梁、柱重量乘以长度就可得到相应的永久荷载标准值。
各楼层重力荷载标准值等于该层楼板标高处上、下各取半层层高范围内的永久荷载标准值和楼(屋)面可变荷载组合值之和。
考虑地震作用，屋面取雪荷载，计算重力荷载代表值时雪荷载取50%，楼面活荷载取50%。
各层重力荷载代表值计算结果见下表。
表5.3 各层重力荷载代表值计算

总建筑面积1388.48m2，建筑总重125610.72kN，建筑结构平均重量为9.05kN/m2。
5.4地震作用的计算
5.4.1结构基本自振周期
1) 假想顶点位移法。对于质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架—剪力墙结构。把集中在各层楼面处的重力荷载代表值Gi作为水平荷载，折算为沿高度均匀分布的荷载q，则
q=∑Gi/H=125610.72/38.4=3.271kN/m
假想结构顶点位移
=0.30847m
基本自振周期

2) 经验公式法。用经验公式估算基本自振周期T1，则

或

3) 结构基本自振周期取以上计算结果的平均值。
T1= (0.76+0.73+0.75)/3=0.75s
5.4.2 地震作用计算
底部剪力法的适用条件：高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构以及近似于单质点体系的结构。
本设计高度为38.4m＜40m，但结构变形为弯剪形。考虑到手算等多方面原因，仍采用底部剪力法，进行近似计算。建筑结构的地震影响系数应根据设防烈度、
场地类别、设计地震分组和结构自振周期以及结构阻尼比确定，αmax=0.08, Tg=0.35s,
η2=1。
1) 底部剪力法计算。
结构等效总重力荷载

地震影响系数

结构总水平地震作用标准值

2) 各层地震作用。因T1=0.75s ≥1.4Tg=0.49s, 所以应考虑顶部附加水平地震作用△Fn。
顶部附加地震作用系数

顶部附加地震作用标准值

则

3) 楼层剪力。各层地震作用与楼层剪力见下表