中学教学楼建筑设计及结构设

3 结构设计说明

3.1 工程概况

某中学教学楼，设计要求建筑面积约2000--4000m2，3-4层。经多方论证，初步确定设为四层，结构为钢筋混凝土框架结构。

3.2 设计主要依据和资料

3.2.1 设计依据

a) 国家及江苏省现行的有关结构设计规范、规程及规定。

b) 本工程各项批文及甲方单位要求。

c) 本工程的活载取值严格按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）执行。

3.2.2 设计资料

1 房屋建筑学武汉工业大学出版社

2 混凝土结构（上、下）武汉理工大学出版社

3 基础工程同济大学出版社

4 建筑结构设计东南大学出版社

5 结构力学人民教育出版社

6 地基与基础武汉工业大学出版社

7 工程结构抗震中国建筑工业出版社

8 简明建筑结构设计手册中国建筑工业出版社

9 土木工程专业毕业设计指导科学出版社

10 实用钢筋混凝土构造手册中国建筑工业出版社

11 房屋建筑制图统一标准（BG50001-2001）中国建筑工业出版社

12 建筑结构制图标准（BG50105-2001）中国建筑工业出版社

13 建筑设计防火规范（GBJ16—87）中国建筑工业出版社

14 民用建筑设计规范（GBJI0I8-7）中国建筑工业出版社

15 综合医院建筑设计规范（JGJ49-88）中国建筑工业出版社

16 建筑楼梯模数协调标准（GBJI0I-87）中国建筑工业出版社

17 建筑结构荷载规范（GB5009-2001）中国建筑工业出版社

18 建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001）中国建筑工业出版社

19 混凝土结构设计规范（GB50010—2002）中国建筑工业出版社

20 地基与基础设计规范（GB5007-2002）中国建筑工业出版社

21 建筑抗震设计规范（GB50011—2001）中国建筑工业出版社

22 砌体结构中国建筑工业出版社

23 简明砌体结构设计施工资料集成中国电力出版社

24 土木工程专业毕业设计指南中国水利水电出版社

25 土建工程图与AutoCAD 科学出版社

26 简明砌体结构设计手册机械工业出版社

27 砌体结构设计手册中国建筑工业出版社

28 砌体结构设计规范（GB50010—2002）中国建筑工业出版社

本工程采用框架结构体系，抗震等级为四级。本工程耐火等级为二级，其建筑构件的耐火极限及燃烧性能均按民用建筑设计规范（GBJI0I8-7）执行.

全部图纸尺寸除标高以米为单位外均以毫米为单位。本工程结构图中所注标高均为结构标高。

3.3 结构设计方案及布置

钢筋混凝土框架结构是由梁，柱通过节点连接组成的承受竖向荷载和水平荷载的结构体系。墙体只给围护和隔断作用。框架结构具有建筑平面布置灵活，室内空间大等优点，广泛应用于电子、轻工、食品、化工等多层厂房和住宅、办公、商业、旅馆等民用建筑。因此这次设计的成集中学教学楼采用钢筋混凝土框架结构。

按结构布置不同，框架结构可以分为横向承重，纵向承重和纵横向承重三种布置方案。

本次设计的教学楼采用横向承重方案，竖向荷载主要由横向框架承担，楼板为预制板时应沿横向布置，楼板为现浇板时，一般需设置次梁将荷载传至横向框架。横向框架还要承受横向的水平风载和地震荷载。在房屋的纵向则设置连系梁与横向框架连接，这些联系梁与柱实际上形成了纵向框架，承受平行于房屋纵向的水平风荷载和地震荷载。

3.4变形缝的设置

在结构总体布置中，为了降低地基沉降、温度变化和体型复杂对结构的不利影响，可以设置沉降缝、伸缩缝和防震缝将结构分成若干独立的单元。

当房屋既需要设沉降缝，又需要设伸缩缝，沉降缝可以兼做伸缩缝，两缝合并设置。对有抗震设防要求的的房屋，其沉降缝和伸缩缝均应该符合防震缝的要求，并进可能做到三缝合一。

3.5 构件初估

3.5.1 柱截面尺寸的确定

柱截面高度可以取()1/151/20h H =-，H 为层高；柱截面宽度可以取为

()12/3b h =-。选定柱截面尺寸为500 mm ×500mm

3.5.2 梁尺寸确定

框架梁截面高度取梁跨度的l/8~l/12。该工程框架为纵横向承重，根据梁跨度可初步确定框架梁300mm ×600mm

3.5.3 楼板厚度

楼板为现浇双向板，根据经验板厚取130mm 。

3.6 基本假定与计算简图

3.6.1 基本假定

第一：平面结构假定：该工程平面为正交布置，可认为每一方向的水平力只由

该方向的抗侧力结构承担，垂直于该方向的抗侧力结构不受力。

第二：由于结构体型规整，布置对称均匀，结构在水平荷载作用下不计扭转影

响。

3.6.2 计算简图

在横向水平力作用下，连梁梁对墙产生约束弯矩，因此将结构简化为刚结计算

体系，计算简图如后面所述。

3.7荷载计算

作用在框架结构上的荷载通常为恒载和活载。恒载包括结构自重、结构表面的

粉灰重、土压力、预加应力等。活荷载包括楼面和屋面活荷载、风荷载、雪荷载、安装荷载等。

高层建筑水平力是起控制作用的荷载，包括地震作用和风力。地震作用计算方

法按《建筑结构抗震设计规范》进行，对高度不超过40m 以剪切为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，可采用底部剪力法。

竖向荷载主要是结构自重（恒载）和使用荷载（活载）。结构自重可由构件截面

尺寸直接计算，建筑材料单位体积重量按荷载规范取值。使用荷载（活荷载）按荷载规范取值，楼面活荷载折减系数按荷载规范取用。

3.8 侧移计算及控制

框架结构的侧移由梁柱杆件弯曲变形和柱的轴向变形产生的。在层数不多的框架中，柱轴向变形引起的侧移很小，可以忽略不计。在近似计算中，一般只需计算由杆件弯曲引起的变形。

当一般装修标准时，框架结构在地震作用下层间位移和层高之比、顶点位移与总高之比分别为1：650，1：700。

框架结构在正常使用条件下的变形验算要求各层的层间侧移值与该层的层高之比不宜超过1/550的限值。

3.9 内力计算及组合

3.9.1 竖向荷载下的内力计算

竖向荷载下内力计算首先根据楼盖的结构平面布置，将竖向荷载传递给每榀框架。框架结构在竖向荷载下的内力计算采用分层法计算各敞口单元的内力，然后在将各敞口单元的内力进行叠加；连梁考虑塑性内力重分布而进行调幅，按两端固定进行计算。

3.9.2 水平荷载下的计算

利用D值法计算出框架在水平荷载作用下的层间水平力，然后将作用在每一层上的水平力按照该榀框架各柱的刚度比进行分配，算出各柱的剪力，再求出柱端的弯矩，利用节点平衡求出梁端弯矩。

3.9.3 内力组合

第一：荷载组合。荷载组合简化如下：

（1）恒荷载+活荷载、（2）恒荷载+风荷载、（3）恒荷载+活荷载+风荷载、（4）恒荷载+地震荷载+活荷载。

第二：控制截面及不利内力。框架梁柱应进行组合的层一般为顶上二层，底层，混凝土强度、截面尺寸有改变层及体系反弯点所在层。

框架梁控制截面及不利内力为：支座截面，－M

max ，V

max

，跨中截面，M

max

。

框架柱控制截面为每层上、下截面，每截面组合：Mmax及相应的N、V，N

max

及相

应M、V，N

min

及相应M、V。

3.10 基础设计

在荷载作用下，建筑物的地基、基础和上部结构3部分彼此联系、相互制约。设计时应根据地质资料，综合考虑地基——基础——上部结构的相互作用与施工条件，通过经济条件比较，选取安全可靠、经济合理、技术先进和施工简便的地基基础方案。根据上部结构、工程地质、施工等因素，优先选用整体性较好的独立基础。

3.11 施工材料

第一：本工程中所采用的钢筋箍筋为Ⅰ级钢，fy=210N/m㎡,主筋为Ⅱ级钢，

fy=300N/m㎡。

第二：柱梁钢筋混凝土保护层为35mm,板为15mm。

第三：钢筋的锚固和搭接按国家现行规范执行。

第四：本工程所有混凝土强度等级均为C30。

第五：墙体外墙及疏散楼梯间采用240厚蒸压灰砂砖。

第六：当门窗洞宽≤1000mm时,应采用钢筋砖过梁,两端伸入支座370并弯直钩;门窗洞宽≥1000mm时,设置钢筋混凝土过梁。

3.12 施工要求及其他设计说明

第一：本工程上部楼板设计时未考虑较大施工堆载（均布），当外荷载达到3.0Kn/m时，应采取可靠措施予以保护。

第二：本工程女儿墙压顶圈梁为240mm×120mm，内配4φ8，φ6@250，构造柱为240mm×240mm，内配4φ10，φ6@250，间隔不大于2000mm

第三；施工缝接缝应认真处理，在混凝土浇筑前必须清除杂物，洗净湿润，在刷2度纯水泥浆后，用高一级的水泥沙浆接头，再浇筑混凝土。

第四：未详尽说明处，按相关规范执行。

4 设计计算书

4.1 设计原始资料

（1）.冬季主导风向东北平均风速2.6 m/s，夏季主导风向东南平均风速2.6 m/s，最大风速23.7 m/s。

(2).常年地下水位低于-1.3m，水质对混凝土没有侵蚀作用。

(3).最大积雪厚度0.32m，基本雪压S

O =0.4KN/M2,基本风压W

O

=0.4 KN/M2,土壤最

大冻结深度0.09m。

(4).抗震设防烈度6度，设计地震分组第三组.

(5).地质条件

4.2 结构布置及计算简图

根据该房屋的使用功能及建筑设计的需求，进行了建筑平面、立面、及剖面设计其各层建筑平面剖面示意图如建筑设计图，主体结构4层，层高均为3.9m。

填充墙面采用240 mm厚的灰砂砖砌筑，门为木门，窗为铝合金窗，门窗洞口尺寸见门窗表。

楼盖及屋盖均采用现浇钢筋混凝土结构，楼板厚度取130mm，梁载面高度按梁跨度的1/12~1/8估算，由此估算的梁载面尺寸见表1，表中还给出柱板的砱强度等级。

C30（f

c =14.3N/mm2，f

t

=1.43N/mm2）

柱载面尺寸可根据式N=βFg

E n Ac≥N/[U

N

]fc估算表2查得该框架结构在30m

以下，抚震得级为三级，其轴压比值[U

N

]=0.9

表2 抗震等级分类

表3 轴压比限值

b=（1-2/3）h ，并按下述方法进行初步估算。

a ） 框架柱承受竖向荷载为主时，可先按负荷面积估算出柱轴力，再按轴心受

压柱验算。考虑到弯矩影响，适当将柱轴力乘以1.2-1.4的放大系数。

b ） 对于有抗震设防要求的框架结构,为保证柱有足够的延性,需要限制柱的轴

压比,柱截面面积应满足下列要求。

/A N fc λ≥

c) 框架柱截面高度不宜小于400mm,宽度不宜小于350mm 。为避免发生剪切破坏，

柱净高与截面长边之比不宜大于4。

根据上述规定并综合考虑其他因素，设计柱截面尺寸取值统一取500?500mm 。

基础采用柱下条形基础，基础+距离室外地平0.5，室内外高差为0.45,框架结

构计算简图如图所示，取顶层柱的形心线作为框架柱的轴线，梁轴线取至板底，2-4层柱高度即为层高 3.9m ，底层柱高度从基础顶面取至一层板底，即h 1=3.9+0.45+0.5=4.85m 。框架计算简图见图1。

图1 框架计算简图

4.3 荷载计算

4.3.1 恒载标准值计算

屋面：刚性防水屋面(有保温层) ：苏J01-2005 12/7

40厚C20细石砼内配直径4间距150双向钢筋 0.8 kN/m2 20厚1:3水泥砂浆找平 0.02x20=0.4kN/m2 70厚水泥防水珍珠岩块或沥青珍珠岩保温层

0.07x10=0.7 kN/m2 20厚1:3水泥砂浆找平层 0.02x20=0.4 kN/m2 100 厚结构层 0.1x25=2.5 kN/m2

12厚板底抹灰 0.012x20=2.5 kN/m2

合计 4.82kN/m2

楼面：

水磨石地面(10mm面层,20mm水泥砂浆打底，素水泥打底)

0.65kN/m2

130厚钢筋砼板25×0.13=3.25 kN/m2

12厚水泥沙浆0.012×20=2.5 kN/m2

合计 4.14 kN/m2

梁自重：

边跨梁 bXh=300×600mm

梁自重 25×0.3×(0.6-0.13)=3.75kN/m

抹灰层：12厚水泥砂浆

＜0.012×(0.6-0.13)×2+0.012×0.3＞×20＝0.312kN/m 合计 4.062kN/m2

中间跨梁 bXh=250×500mm

梁自重 25×0.25×(0.5-0.13)=3.00kN/m 抹灰层：12厚水泥砂浆

＜0.012×(0.5-0.13)×2+0.012×0.25＞×20＝0.26kN/m 合计 3.26kN/m2

柱自重：bXh=500×500mm

柱自重 25×0.50×0.50=6.25kN/m

抹灰层：12厚水泥砂浆 0.012×0.50×4×20＝0.48kN/m

合计 6.73kN/m

外纵墙自重：

标准层：

纵墙（240灰砂砖） 18×(3.9-0.5-1.8)×0.24=6.48kN/m 铝合金门窗 0.35×1.8 =0.63kN/m 水泥粉刷外墙面 0.36×(3.60-1.80)=0.756kN/m 水泥粉刷内墙面 0.36×(3.60-1.80)=0.756kN/m 合计 8.622kN/m 2

底层：

纵墙（240灰砂砖）

18×(4.85-1.80-0.50-0.40)×0.24=9.288kN/m

铝合金门窗 0.35×1.8=0.63kN/m 釉面砖外墙面 0.5×(4.35-1.80-0.50)=1.025kN/m 水泥粉刷内墙面 0.756kN/m 合计 11.70kN/m 内纵墙自重：

标准层：

纵墙（240灰砂砖） 18×(3.90-0.50)×0.24=14.688kN/m 水泥粉刷墙面 0.36×(3.90-0.5)×2.00=2.448kN/m 合计 17.136kN/m 2

底层：

纵墙（240灰砂砖）

18×(4.85-0.50-0.40)×0.24=17.06kN/m

水泥粉刷墙面 0.36×3.90×2=2.808kN/m 合计 19.87kN/m

4.3.2 活荷载标准值计算

第一：面和楼屋面活荷载标准值

根据荷载规范查得：

上人屋面 2.02m kN

楼面：教室 2.02

kN

m 走道 2.52

m

kN 第二：雪荷载 0.42

kN

m 屋面活荷载与雪荷载不同时考虑，两者中取大值。

4.3.3 竖向荷载下框架受荷总图

本次设计的教学楼纵向柱距为4.50m,横梁跨度为6.90m，单区格板为4.50m×6.90m。L1/L2=1.5<2所以按双向板传递荷载，板上荷载分配如图２所示。

图2 板面荷载分配图

图3 计算单元的选取

第一：A-B轴间框架

屋面板荷载：

板传至梁上的三角形和梯形荷载等效为均布荷载

恒载

15

4.82 6.3218.98/

28

kN m ????=

活载

15

2.0 6.327.88/

28

kN m ????=

楼面板荷载：

恒载

15

4.14 6.3216.30/

28

kN m ????=

活载

15

2.0 6.327.88/

28

kN m ????=

梁自重 4.06/kN m

A-B 轴间框架梁均布荷载： 屋面梁 恒载=梁自重+板传荷载 4.0618.9823.04/kN m

=+= 活载=板传荷载

7.88/kN m = 楼面梁 恒载=梁自重+板传荷载

4.0616.3011.13631.496/kN m =++=

活载=板传荷载

7.88/kN m =

第二：B-C 轴间框架梁均布荷载：

屋面板传荷载：

恒载

14.82 2.1210.122/2kN m ???= 活载

12.0 2.12 4.2/2kN m ???= 楼面板荷载：

恒载

14.14 2.128.694/2kN m ???= 活载

12.5 2.12 5.25/2kN m ???= 梁自重

3.26/kN m

B-C 轴间框架梁均布荷载：

屋面梁 恒载=梁自重+板传荷载

3.2610.12213.38/kN m =+=

活载=板传荷载 4.2/kN m =

楼面梁 恒载=梁自重+板传荷载+墙自重

3.268.69411.136

23.09/kN m =++=

活载=板传荷载

5.25/kN m =

第三：C-D 轴间框架梁均布板荷载同A-B 轴

第四：A 柱纵向集中荷载计算

顶层柱：

女儿墙自重(做法:墙高 900mm,100mm 砼压顶)

30.240.918/250.10.24(1.220.24)0.55.808/KN m m m kN m

=??+??+?+?= 顶层柱恒载=梁自重+板传荷载+板传荷载 16.308.62(6.90.5) 3.26(6.90.5) 6.92

60.7320.8634.85

116.44kN =+-+?-+?=++=

152.0 6.3(6.90.50)25.2028

kN =????-=顶层柱活载 标准层柱：

标准层柱恒载=墙自重 +梁自重+板传荷载 18.62(6.90.50) 3.26(6.90.50)16.30 6.92

55.1620.8652.16128.19kN

=?-+?-+??=++=

=标准柱活载板传活载

()6.90.57.8825.22kN -=?=

基础顶面恒载=底层外纵墙自重+基础梁自重

(6.90.5) 2.5(6.90.5)

74.881890.88kN

?-+?-=+==11.70

第五：B 柱纵向集中荷载计算

顶层柱：

顶层柱恒载=梁自重+板传荷载 23153.26(6.90.50) 4.82 6.3(6.90.50)28

14.82 2.1120.150.152

112.63kN

=?-+????-+???-?+?=（）（6.9-0.50）=20.86+60.73+31.04

顶层柱活载=板传活载

15152.0 6.3(6.90.50) 2.0 2.40.502828

25.29.634.8kN =????-+????-=+=（6.9）

标准层柱：

标准层柱恒载=内纵墙自重+梁自重+板传荷载 1517.14(6.90.50) 3.62(6.90.50) 4.14 6.3(6.90.50)28

154.14 2.128

202.41kN

=?-+?-+????-+????=（6.9-0.50） 15152.0 6.3(6.90.50) 2.5 2.1 6.90.502828

25.210.535.7kN

=????-+????-=+=顶层柱活载（） 基础顶面恒载=底层内总墙+基础梁自重

19.87(6.90.50) 2.5(6.90.50)

127.1716143.17kN

=?-+?-=+=

结构在进行梁柱的布置时柱轴线与梁的轴线不重合，因此柱的竖向荷载对柱存在偏心。框架的竖向荷载及偏心距如图4所示。