昆明理工大学土木工程毕业设计论文之某教学楼设计

昆明理工大学土木工程毕业设计论文之某教学楼设计

中文摘要
本次毕业设计是某希望小学教学楼楼设计，抗震设防烈度为8度。本设计主要分为建筑设计和结构设计两部分。结构设计部分包括手算和电算两部分。
建筑设计是在总体规划的前提下，根据设计任务书的要求，综合考虑基地环境、使用功能、综合选型、施工、材料、建筑设备、建筑艺术及经济等。从整体入手，力求创造一个新颖大方的建筑.
结构设计是在建筑物初步设计的基础上确定结构方案；选择合理的结构体系；进行结构布置，并初步估算，确定结构构件尺寸，进行结构计算。本设计采用钢筋混凝土现浇框架结构，基础采用柱下独立基础，承重体系为横向承重框架体系。另外还进行了基础及楼梯的设计.在截面设计中为了得到一个较优的截面尺寸，提高设计的经济性在初选截面尺寸时进行了比选构件截面尺寸。最后还借助于PKPM软件，对整个结构体系进行了电算。
关键词：教学楼；建筑设计;结构设计;PKPM电算

目  录
中文摘要 1
前 言 1
第一章 建筑设计 1
1.1 工程资料 1
1.2 建筑设计的内容 2
1.2.1总平面设计 2
1.2.2平面设计 2
1.2.3交通联系部分 3
1.2.4剖面设计 3
1.2.5立面设计 4
第二章 结构选型特点 4
2.1 结构型式 4
2.2 结构体系 5
2.3 选择结构 6
第三章 结构布置 7
3.1 结构布置 7
3.1.1结构平面布置的一般原则 7
3.1.2柱网布置 7
3.1.4框架梁布置和框架承重方案的确定 8
3.2 材料的选择 9
3.3 框架杆件与截面尺寸确定 9
3.3.1框架梁截面尺寸地选择 9
3.3.2柱截面设计 9
3.3.3板的截面尺寸 10
3.4 选取计算单元 10
3.5确定计算简图 10
第四章 荷载计算 12
4.1 竖向恒荷载计算 12
4.1.1屋面荷载标准值计算 12
4.1.2楼面荷载标准值计算 12
4.1.3屋面框架荷载计算 12
4.1.4楼面框架荷载计算 14
4.1.5竖向恒载的框架计算简图 16
4.2竖向活荷载计算 16
4.2.1活荷载标准值计算 16
4.2.2屋面框架荷载计算 16
4.2.3楼面框架荷载计算 17
4.3 水平风荷载计算 18
4.4 重力荷载代表值计算 20
第五章 框架内力计算 22
5.1竖向恒荷载作用下框架内力计算 22
5.1.1计算各梁和柱的分配系数 22
5.1.2恒荷载作用下框架内力计算 23
5.2 竖向活荷载作用下框架内力计算 29
5.3 水平风荷载作用下框架内力计算 34
5.4 框架在地震荷载作用下内力计算 38
第六章 内力组合 43
6.1 结构抗震等级 43
6.2框架梁的内力组合 43
6.3框架柱内力组合 47
第七章  框架截面设计 51
7.1梁的截面设计 51
7.2柱的截面设计 54
第八章 基础设计 62
8.1 地基承载力设计值和基础材料 62
8.2 柱下独立基础配筋计算 62
8.2.1确定基础底面尺寸 62
8.2.2地基承载力校核： 62
8.2.3冲切计算—确定基础高度h 62
8.2.4基础底面配筋计算 63
第九章 楼梯设计 64
结论 68
总结体会 69
致谢 70
参考文献 71

前 言
本设计题目为“某希望小学教学楼楼设计”。内容包括建筑设计、结构设计两部份。
教学楼是公共建筑，其规范要求比较严格，能体现处建筑和结构设计的很多重要的方面，选择教学楼建筑和结构设计，从而掌握办公楼设计的基本原理，妥善解决其功能关系，满足使用要求。
框架结构建筑平面布置灵活，使用空间大,延性较好。其具有良好的抗震能力。对办公楼有重要建筑结构非常适用。能满足其较大的使用面积要求。
框架结构的研究，对于建筑的荷载情况，分析其受力，采用不同的方法分别计算出各种荷载作用下的弯矩、剪力、轴力，然后进行内力组合，挑选出最不利的内力组合进行截面的承载力计算，保证结构有足够的强度和稳定性。在对竖向荷载的计算种采用了弯矩分配法，对水平荷载采用了D值法，对钢筋混凝土构件的受力性能，受弯构件的正截面和斜截面计算都有应用。
本结构计算选用一榀框架为计算单元，采用手算的简化计算方法，其中计算框架在竖向荷载下的内力时使用的弯距二次分配法，不但使计算结果较为合理，而且计算量较小，是一种不错的手算方法。本设计主要通过工程实例来强化大学期间所学的知识，建立一个完整的设计知识体系，了解设计总过程，通过查阅大量的相关设计资料，提高自己的动手能力。
这次设计是在结构教研室各位老师的悉心指导下完成的，在此向你们表示衷心的感谢！
鉴于水平有限，设计书中还存在不少缺点甚至错误，敬请老师批评和指正。
第一章 建筑设计
1.1 工程资料
1、该项目为某希望小学教学楼楼设计，总建筑面积为3180.11㎡，地点位于昆明市区，四层全框架结构，室内外高差0.45米。防火等级为二级，抗震设防裂度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g。除普通教室外，需设辅助用房应满足中小学校建筑设计相关规范要求。
2、主要建筑做法（供参考）
（1）屋面做法：建筑找坡2%、做防水层、保温层。
（2）楼面做法：水磨石地面或地砖、现浇混凝土结构层、吊顶或粉底。
（3）墙体：框架结构的墙体为填充墙，应采用空心砖。内外纵墙采用空心砌块、外墙贴面砖、内墙抹灰。
3、材料供应：
框架梁、柱、楼面板、屋面板均为现浇。梁、板、柱砼可采用C20、C25、C30。基础砼可采用C15、C20、C25。素砼垫层可采用C7.5、C10。钢筋可采用HPB235、HRB335、HRB400。填充墙体可采用粘土空心砖或多孔砖用M5.0砂浆砌筑，墙厚190mm、240mm，建议采用铝合金窗，钢板门或木门。建筑材料全部由建材公司提供，品种规格齐全，质量符合要求。
4、气象条件：
（1）冬季最冷月平均温度7℃，夏季最热月平均温度19.7℃，最高温度31.5℃，最低温度-7.8℃；
（2）冬季主导风向西南平均风速2.2 m/s，夏季主导风向西南平均风速2.2 m/s，最大风速10m/s；
（3）年平均降水量1000mm，月最大降水量204.5 mm；
（4）最大积雪厚度0.47m，基本雪压S0=0.3KN/m2,基本风压W0=0.3 KN/m2,土壤最大冻结深度0.09m；

5、地基条件:

表1-1 建筑地层一览表

拟建场地地形平坦，土质分布具体情况见表，II类场地土，地下稳定水位距地表-9m，表中给定土层深度由自然地坪算起。建筑地点冰冻深度-0.5m。

6、抗震设防烈度：8度设防，抗震设计分组为第三组，设计基本地震加速度值为0.20g.
1.2 建筑设计的内容
1.2.1 总平面设计
建筑物是近似矩形，长57.9米，宽15.0米。建筑总体布局应根据城市规划要求，对建筑布局、通路、竖向、绿化、工程管线和环境保护等进行综合设计。
1.2.2平面设计
建筑平面设计是建筑方案设计的主要内容，它对是否满足建筑物的使用功能起着决定性的作用。建筑平面是表示建筑在水平各方向各部分的组合关系，能够较为集中的反映建筑物功能方面的问题，因此一般从平面设计入手。但在平面设计过程中要结合建筑物的整体空间效果，密切联系建筑的立面和剖面，不断调整和修改平面。再结合结构布置的要求，尽量使房间合理布置又满足结构设计的要求。
一栋建筑除满足各房间的使用要求外，还需要交通联系部分把各房间联系起来。交通联系部分包括水平交通空间（走廊）、垂直交通空间（楼梯、电梯、台阶），交通枢纽空间（门厅、过厅）。合理组织好建筑内部交通和对外联系是平面设计的主要内容，它直接影响到建筑的使用和人员的安全。
本楼在平面设计过程中，始终从建筑整体空间组合的效果来考虑，紧密的联系建筑的剖面和立面，分析剖面和立面的合理性，不断的调整修改平面，反复深入，在普通的“一字形”布局上做了一些处理，如在顶层根据房间尺寸的要求做了悬挑，再在立面上做些处理，使得该建筑达到了适用和美观的效果。
该建筑的房间设计，严格按照《建筑设计资料集》、《民用建筑设计通则》和《现行建筑设计规范大全》。房间层高：均为3.9米，房间的平面布置有良好的朝向，通风，采光，日照，房间的长宽比不宜超过2:1。
每层均设有男女卫生间2间。设有男女厕所、盥洗、二种设施，此种既功能齐全又节省面积。
本工程属多层建筑，二级防火，每层为一个防火分区。按二级防火要求，房间到最近的疏散口最大距离应小于35m，袋形走道的长度应小于22m，本设计中的房间布置均能满足。
1.2.3 交通联系部分
交通联系部分是把各个房间以及室内交通合理协调起来，同时又要考虑到使用房间和辅助房间的用途，减少交通干扰。楼梯是垂直交通联系部分，是各个楼层疏散的必经之路，同时又要考虑到建筑防火要求，本商场采用板式双跑楼梯。
本设计中交通联系部分设计能满足下列要求：交通线路简捷明确，联系通行方便；人流通畅，紧急疏散时迅速安全；满足一定的通风采光要求；力求节省交通面积，同时考虑空间组合等设计问题。
在交通联系部分的设计中，按照如下要求：交通路线简洁明确，联系通行方便；人流通畅，紧急疏散时迅速安全；满足一定的采光通风要求；力求节省交通面积，同时考虑空间处理等造型问题。以下分述各种交通联系部分的平面设计。
过道的宽度应符合人流和建筑防火要求，通常单股人流的通行宽度约为550mm-600mm，并要满足防火要求最小宽度，本设计主要采用内廊式，过道宽度为2400mm，可5人并行通过，满足要求。
楼梯设计主要依据使用要求和人流通行情况确定梯段和休息平台的宽度，选择适当的楼梯形式，考虑整栋建筑的楼梯数量，以及楼梯间的平面布置和空间组合。设置了三个开间为4800mm的双跑楼梯。
门厅是建筑物主要出入口处的内外过渡人流集散枢纽。和所有交通联系部分的设计一样，疏散出入口安全也是门厅设计的一个重要内容。门厅对外出入口的总宽度不应小于通向该门厅的过道、楼梯宽度的总和，门厅内交通线路及服务分区过厅设在过道与过道之间，起到交通路线的转折和过渡作用。门厅内交通路线应明确，本设计满足要求。
1.2.4剖面设计
建筑剖面设计主要是根据功能和使用方面对立体空间的要求，结合建筑结构和构造特点，来确定房间各部分高度和空间比例；考虑垂直方向空间的组合和利用；选择适当的剖面形式；进行垂直交通和采光、通风等方面的设计，使建筑物立体空间关系符合功能、艺术和技术、经济的要求。建筑平面与剖面是从两个不同的方向来表示建筑各部分的组合关系，因此，设计中的一些问题往往需要将平面和立面结合在一起考虑，才能加以解决。它与平面一样和建筑使用、造价、节约用地等有密切的关系，应结合平面全面的进行考虑。
净高和层高  净高为房间地面到顶棚或其它构件底面的距离，与房间的使用性质、活动特点、采光通风、空间观感有关，层高已由任务书给出，它是该层地平或楼面到该上层楼面的距离，即净高加上楼板层的结构厚度。
室内外高差  为防止室外雨水流入室内并防止墙身受潮，将室内地面适当抬高，一般从建筑物使用方便的原则出发，室内外高差不宜过大，一般为0.45m-0.7m。
窗台高、窗高及门高  一般情况考虑层间窗台高与工作面的协调，取值班室面对大厅的窗台高0.9米。其它房间根据功能和空间观感协调窗台高度，宿舍及其余窗台高取1.2米；窗高主要影响房间的采光均匀度，框架结构建筑宜在框架梁或在联系梁下直接设窗，不宜另设过梁。
垂直交通包括两部楼梯。门的高度根据人体尺寸来确定，窗高要满足通风采光要求。
1.2.5立面设计
建筑立面表示建筑物四周的形象。立面设计是在紧密结合平面、剖面的内部空间组合、外部环境及在满足建筑使用要求和技术经济条件下运用建筑造型和立面构图的规律进行的。
根据初步确定的建筑内部空间组合的平剖关系，如建筑的大小，高低，门窗的位置，大小等，描述出建筑各立面的基本轮廓，作为进一步调整，统一进行立面设计的基础。首先推敲立面各部分总的比例关系，考虑作为一个整体的几个立面的统一，相邻的立面间的连接和协调，然后按建筑构图规律着重分析立面上墙面的划分和处理，门窗的安排和调整，最后对建筑入口、各部分装饰等做重点及细部加工。
第二章 结构选型特点
2.1 结构型式
建筑的结构型式主要是依据建筑结构受力骨架的材料来划分，建筑结构的型式繁多，通常有：砌体结构、钢筋混凝土结构、钢结构和钢—混凝土组合结构等:
1、砌体结构：
强度较低，建筑物中墙、柱的截面尺寸较大，材料用量较多，因而结构自重大，抗拉抗剪性能较差，难以抵抗水平作用产生的弯矩和剪力，抗震性能差。
2、钢筋混凝土结构：
强度较高、抗震性能较好，并且具有良好的可塑性。
3、钢结构：
强度较高、自重较轻，具有良好的延性和抗震性能，并能适应建筑上大跨度、大空间的要求。
4、钢—混凝土组合结构：
一般是钢框架与钢筋混凝土筒体的组合。
5、本项目结构型式的确定
由于本工程只有四层，建筑总高18.6m，属于典型的多层建筑，从受力方面来讲钢筋混凝土和钢结构以及钢-混凝土组合结构都比较合理，但由于钢结构随着高度的增加侧位移变形也随之增加，另外从国内建筑的发展状况和经济的角度考虑，选择钢结构和钢-混凝土结构也不大合理，所以通过各发面的比较，最后确定本工程的结构型式为钢筋混凝土结构型式。
2.2 结构体系
多层及高层建筑常用的受力结构体系有：混合结构、框架结构、剪力结构、筒体结构、框架——剪力墙结构、巨型结构。根据工程设计的原始资料和设计任务要求，综合各种技术、经济条件、建筑艺术要求，确定建筑结构体系，对其进行总体结构布置，尽量符合安全、适用、经的要求。各自的特点如下：
1、混合结构
混合结构的特点为：主要承重用砖或砌块砌筑；造价低廉，施工简单，保温隔热效果好；但砌体强度较低，利用砖墙承重时，房屋的层数受到限制，同时由于抗震性能较差，地震区应用也受到一定的限制。一般六层及六层以下的楼房，如住宅、办公室、医院等民用建筑及中小型工业建筑都适宜用混合结构。在墙体的布置上，纵横墙体的布置一般容易达到刚性方案的构造要求，刚度较大。墙体是承受荷载的主要构件，要使墙体有足够的刚度，就必须在结构布置上设计足够多的墙体，以提高结构的整体工作能力，导致建筑使用空间受到限制。
2、框架结构体系
框架是由梁、柱构件通过节点连接形成和骨架结构，由梁、柱承受竖向荷载 和水平荷载，墙仅起分隔维护作用。其优点：整体性和抗震性较混合结构要好，而且平面布置灵活，可提供较大的使用空间，也可构成丰富多变的立面造型；框架结构可分为板、梁、柱体系和板、柱体系两种形式。现浇板、梁、柱体系的结构整体刚度大，构件断面可以比较小；对空间净高的影响也小，因而可以形成较大的使用空间；而板柱体系因无梁高影响将能获得更大的使用空间，这种结构一般适用于楼面为均布荷载，且在经济范围内的建筑，如某些商场、轻型厂房、库房等。国外曾发展扁平框架，即由扁平的壁柱和壁梁构成墙壁化的薄壁刚架，把壁柱和壁梁集中在一起，可以扩大平面的自由度，刚架与墙壁的组合具有同一机能；同时，也可以减少全部的构件长度，形成较大的使用空间，可以承受如覆雪等较大的荷载。但此结构会导致增加一些钢筋量。缺点：框架结构水平刚度较小，抗震性能较差，此外，非结构性破坏如填充墙、建筑装修和设备管道等破坏较严重。使用于层数较少或非抗震设计的建筑。
3、剪力墙结构体系
剪力墙结构比框架结构刚度大，用钢量省，结构顶点水平位移和层间位移通常较小，能够满足抗震设计变形要求。适用于开间较小、墙体较多，房间面积不太大的建筑如住宅、旅馆等,而且室内没有梁柱棱角，整体美观。同时可以在底部一层或数层取消部分剪力墙而代之框架，形成框支剪力墙结构以满足布置会议室、商店和公用设施等大空间的要求。
4、框架——剪力墙结构
此类结构中，房屋的竖向荷载分别由框架和剪力墙共同承担，而水平作用主要由抗侧刚度较大的剪力墙承担。这种结构既具有框架结构布置灵活、使用方便的特点，又具有较大的刚度和较强的抗震能力，因而广泛应用于高层办公建筑和旅馆建筑中。
5、筒体结构
筒体结构是以剪力墙构成空间薄壁筒体，或者密柱、密梁形成空间框架筒，这种结构体系作为一个空间构件受力，具有更好的的抗侧移刚度和更好的抗震性能。常用的有筒中筒、成束筒等形式。
6、巨型结构
一般有巨型框架结构和巨型桁架结构。巨型框架的大截面柱和巨型梁之间的构件截面较小，增加了建筑布置的灵活性和有效使用面积。
2.3 选择结构
本工程建筑概况：本工程是民用建筑，楼层总数四层，建筑总高度18.6米，属于多层建筑；处于8度设防区；主梁的最大跨度为9.6m；本工程为满足功能要求，采用大空间形式，门窗洞口的尺寸较大。
框架结构可以满足本工程的开间和进深要求，平面布置也可以比较自由灵活，框架结构用于多层的建筑也是比较经济合理的。在抗震方面，昆明属于8度设防区，对抗震要求很高，框架结构可以满足要求。
因为本工程要求大空间形式，若采用剪力结构体系显然是不能满足要求的，因为剪力结构体系只能满足开间比较小的住宅楼和旅馆客房，所以本工程不采用剪力结构体系。
框架-剪力墙结构是在框架结构的基础之上增加剪力墙，用来增强抗震、抗风的，但昆明属于8度设防，抗震要求较高，风力也不是很大没必要增加剪力墙。框架-剪力墙结构虽然也可以满足本工程的高度、层数、布局、功能要求，抗震设防烈度等要求，但其造价成本比较高，不满足经济合理要求的。所以不采用框架-剪力墙结构。
筒体结构也可以满足本工程的需求，但因其建造成本非常高，用于本工程是很不经济的，他一般只用于超高层建筑或很特殊的建筑中。
通过上面的比较分析可以，本工程选用钢筋混凝土框架结构是最合理的，在经济和技术上也可以做到的。所以选用钢筋混凝土框架结构。

昆明理工大学土木工程毕业设计论文之某教学楼设计结构计算书以下内容省略。

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