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常州市某職業(yè)技術(shù)學(xué)院教學(xué)樓 建筑及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要：本課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容是常州市某職業(yè)技術(shù)學(xué)院教學(xué)樓，根據(jù)所提供的設(shè)計(jì)條件進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且結(jié)合所在地區(qū)的材料供應(yīng)情況和施工能力，確定合理的結(jié)構(gòu)布置方案，進(jìn)而確定框架梁、板、柱、樓面、屋面、樓梯、基礎(chǔ)等其他構(gòu)件的形式與尺寸。本設(shè)計(jì)主要進(jìn)行了建筑、結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)開始應(yīng)用PKPM結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選取5軸的框架為例，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括內(nèi)力荷載計(jì)算、內(nèi)力組合、框架梁柱的配筋、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、零星構(gòu)件（次梁、板、樓梯）設(shè)計(jì)等。本計(jì)算書所有內(nèi)容均以最新規(guī)范規(guī)定為依據(jù)。 關(guān)鍵詞：建筑設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 荷載 內(nèi)力 配筋 Abstract: This design content is a university student hostel in Taizhou, according to the conditions provided by the design of architectural design and structural design, which combines the material supply area and construction capabilities in order to determine a reasonable layout of the program structure and determine the forms and sizes of the beams, plates, columns, floors, roofs, stairs, foundations and other components. The design is mainly for the construction and structural construction design .Design begins to use PKPM structural calculation software design. I select the 5-axis frame, for example. The design load calculation includes internal force, internal force composition, the framework of reinforcement beams, foundation design, scattered component (sub beams, plates, stairs) design and so on. All contents of this calculation are based on the latest specification. Keywords: Architectural design Structural design Load Internal force Reinforcement 1 工程概況 本工程為常州市某職業(yè)技術(shù)學(xué)院教學(xué)樓，三類場地，7度的抗震設(shè)防，教學(xué)樓總體建筑面積約5200平方米，實(shí)地面積約為5153.4平方米，按功能及結(jié)構(gòu)分為四層。建筑采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，總體上為對稱結(jié)構(gòu)。底層由于考慮到門廳、室內(nèi)外高差以及基礎(chǔ)埋深的原因，底層采用4.9米的層高，其他層采用3.9米的層高。 整棟建筑設(shè)有主出入口一個(gè)，輔出入口2個(gè)，樓梯2部。內(nèi)部采用內(nèi)廊外廊相結(jié)合式設(shè)計(jì)，即內(nèi)部走廊的兩側(cè)都是教室，按照教室的使用功能合理安排教室的面積大小。外廊設(shè)置在兩邊，對應(yīng)的是實(shí)驗(yàn)室。每層都設(shè)置教室休息室，獨(dú)立衛(wèi)生間，開水房方便老師和學(xué)生使用。 2 建筑設(shè)計(jì) 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題為常州市某職業(yè)技術(shù)學(xué)院教學(xué)樓建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),結(jié)合以前教學(xué)樓的特點(diǎn)與形式 ,設(shè)計(jì)的一座具有現(xiàn)代化氣息的教學(xué)樓。建筑設(shè)計(jì)是一項(xiàng)以人為本的設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)中應(yīng)以實(shí)用為基礎(chǔ)，充分考慮功能上的實(shí)用要求，包括功能分區(qū)、人體尺度、家具尺度、空間設(shè)計(jì)、流線組織等，滿足人們居住、生活、工作、學(xué)習(xí)等不同需要，真正做到合理、舒適、可行。建筑物的設(shè)計(jì)和建造直接受到自然環(huán)境條件的影響和制約，這也是決定建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，關(guān)系到建筑物的平面布置、形體組合、立面造型等。 2.1平面設(shè)計(jì) 建筑平面設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮建筑物所處的環(huán)境及其功能要求，同時(shí)又要兼顧結(jié)構(gòu)平面布置的規(guī)則和合理；此外，考慮到抗震設(shè)計(jì)的一些要求，建筑物應(yīng)力求規(guī)則。因此，本次設(shè)計(jì)在平面上采用“凹”字形、內(nèi)廊,外廊相結(jié)合式的平面布置。對該平面設(shè)計(jì)作如下說明：本設(shè)計(jì)柱網(wǎng)上采用6.3m×8.1m和8.1m×8.4m【1】。走廊采用了內(nèi)廊外廊相結(jié)合式結(jié)構(gòu)布置。內(nèi)廊寬3.3m，外廊寬3.6m以滿足人流要求。同時(shí)設(shè)有兩部樓梯，兼做消防樓梯。 2.2立面設(shè)計(jì) 結(jié)合平面設(shè)計(jì)中框架柱的布置，立面上主要采用豎向劃分，外觀上顯得大方、挺拔、氣派；同時(shí)，考慮到框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，柱間全開窗不用墻，使窗與柱形成了有節(jié)奏的虛實(shí)對比，顯得明快、活潑，同時(shí)也得到了良好的采光效果。大門設(shè)于正中間，使整個(gè)建筑物顯得美觀大方。大門設(shè)有左右兩扇門，使整個(gè)大門顯得大氣；雨蓬的運(yùn)用，和大門的設(shè)置一同起到了突出主要入口功能，起到了吸引人流導(dǎo)向的作用。 2.3剖面設(shè)計(jì) 建筑剖面圖是表示建筑物在垂直方向上房屋內(nèi)部各部分的組合，剖面設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)了建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造關(guān)系，以及建筑高度、層高、建筑空間的組合與利用，它和房屋的使用、造價(jià)有著密切地聯(lián)系，同時(shí)也是反映了建筑標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要方面，具體的問題需要結(jié)合平面、剖面的情況，探討研究才能確定下來。本設(shè)計(jì)建筑物的質(zhì)量和剛度沿著高度的變化均勻，樓層沒有錯(cuò)層，滿足抗震相關(guān)要求。 2.4細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì) 建筑方案完成后主要進(jìn)行構(gòu)造方案設(shè)計(jì)，合理地確定屋面、樓地面、墻面、門窗等部位的構(gòu)造方案，以及樓梯設(shè)計(jì)、踏步和扶手的構(gòu)造選型，對特殊的部位（如女兒墻、散水、臺(tái)階等）進(jìn)行構(gòu)造處理。 3 PKPM設(shè)計(jì) PKPM軟件在我國市場中占有絕對優(yōu)勢，擁有用戶上過萬家，市場占有率達(dá)到90%以上，現(xiàn)在已經(jīng)成為國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的CAD系統(tǒng)。PMCAD是整個(gè)結(jié)構(gòu)CAD的核心，它建立的全樓結(jié)構(gòu)模型是PKPM二維、三維結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的前處理部分，也是梁、柱、剪力墻、樓板等施工圖設(shè)計(jì)軟件和基礎(chǔ)CAD的必備接口軟件。 3.1結(jié)構(gòu)布置及構(gòu)件尺寸的確定 多層框架結(jié)構(gòu)主要承受豎向荷載。柱網(wǎng)布置時(shí)既要滿足生產(chǎn)工藝和建筑平面的布置要求，又要考慮到結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下內(nèi)力分布均勻合理，使構(gòu)件材料強(qiáng)度均能充分利用，施工方便。所以根據(jù)建筑方案的設(shè)計(jì)要求，采用內(nèi)廊﹑外廊相結(jié)合的方式，對稱布置，確定結(jié)構(gòu)平面布置，如圖3.1所示。 圖3.1 結(jié)構(gòu)平面布置圖 接著初步確定梁柱的尺寸，可運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，公式如下【2】： 主梁：， 次梁：， 柱子： 3.2材料的選擇 板: 采用C30混凝土，鋼筋選用HPB235鋼筋； 梁: 采用C30混凝土，縱筋采用HRB335鋼筋，箍筋采用HPB235鋼筋； 柱: 采用C30混凝土，縱筋采用HRB335鋼筋，箍筋采用HPB235鋼筋； 基礎(chǔ)：采用C30混凝土，縱筋采用HPB335鋼筋。 3.3荷載的輸入及參數(shù)的設(shè)定 荷載輸入主要有恒荷載與活荷載兩個(gè)主要部分，恒荷載輸入有梁間荷載輸入和樓面、屋頂恒荷載輸入，活荷載輸入有樓面活荷載和屋頂活荷載。 進(jìn)行PKPM電算過程中需要確定一些參數(shù)，例如地震分組，抗震等級，基本風(fēng)壓與雪壓等等，選取正確的參數(shù)對電算的結(jié)果有很大的影響，因此我們要結(jié)合提供的一些設(shè)計(jì)信息，來確定參數(shù)的取值，讓結(jié)果更加的精確。 3.4 PKPM電算流程及成果 PMCAD軟件開始通過人機(jī)交互方式，一開始逐步的引導(dǎo)我們逐層進(jìn)行樓面布置，荷載輸入，再確定每層層高從而建立起一套描述建筑整體結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。用PKPM電算程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)歷三個(gè)步驟：建模、計(jì)算和繪制施工圖。 一開始建模的過程，在PMCAD先畫軸線，生成網(wǎng)格，接著進(jìn)行梁柱的布置，相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)也要修改，如場地類別，設(shè)計(jì)地震分組，基本風(fēng)壓，基本雪壓等等，接下來進(jìn)行梁間的荷載與樓屋面的恒載與活載輸入，之后進(jìn)行樓層定義，確定標(biāo)準(zhǔn)層與荷載層的層數(shù)及層高、樓層信息的歸屬，這樣建模就好了。其他的子菜單可進(jìn)行板厚與樓面恒載活載的局部修改，如樓梯的恒載，衛(wèi)生間的板厚等等，接著就是荷載傳導(dǎo)了，最后到生成PK文件了。 同時(shí)在TAT菜單中開始轉(zhuǎn)入結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，然后在PK菜單中進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與計(jì)算所選擇的一榀框架，經(jīng)過計(jì)算生成內(nèi)力圖，包括恒載內(nèi)力圖，活載內(nèi)力圖，風(fēng)載內(nèi)力圖，地震作用內(nèi)力圖等，形成框架，連續(xù)梁，板，柱等PK數(shù)據(jù)，最后就可以生成相關(guān)的施工圖了。 4 框架設(shè)計(jì) 框架結(jié)構(gòu)的受力為空間受力體系，本身屬于一種柔性結(jié)構(gòu)，因而在水平荷載作用下，側(cè)向的位移比較大，，為了進(jìn)行簡化，取KJ-5進(jìn)行計(jì)算，底層柱高=層高+室內(nèi)外高差+基礎(chǔ)頂面至室外地面高度，初步估計(jì)底層柱高為4.9【4】。 4.1豎向荷載作用下框架的內(nèi)力計(jì)算 在豎向荷載計(jì)算中,為了簡化計(jì)算,根據(jù)荷載傳遞路線最短的原則將橫向框架梁上的雙向板所承擔(dān)的荷載以三角形分布荷載或梯形分布荷載傳遞給框架梁上;計(jì)算單元范圍內(nèi)的其余樓面荷載則通過次梁和縱向框架梁以集中力的形式傳給橫向框架。 豎向荷載作用下框架的內(nèi)力計(jì)算，有三種方法：分層法、迭代法、彎矩二次分配法。分層法主要用于框架的結(jié)構(gòu)與荷載沿高度分布比較均勻時(shí)，不足之處是計(jì)算所得的框架節(jié)點(diǎn)處的彎矩之和常常不能平衡；迭代法一般用于計(jì)算有側(cè)移與不規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)，其計(jì)算過程比較復(fù)雜，容易出錯(cuò)；彎矩二次分配法可用于無側(cè)移、規(guī)則的框架，精確度要比分層法高?？紤]本次設(shè)計(jì)的框架的對稱性，采用彎矩二次分配法。 彎矩二次分配法的計(jì)算步驟如下： （1）求出各節(jié)點(diǎn)桿件的彎矩分配系數(shù) （2）求出梁在豎向荷載作用下的固端彎矩M （3）將節(jié)點(diǎn)不平衡彎矩分配傳遞 （4）再一次分配，求出各梁端彎矩 4.2風(fēng)荷載作用下框架的內(nèi)力計(jì)算 作用在屋面梁和樓面梁節(jié)點(diǎn)處的集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值： 其中為基本風(fēng)壓，根據(jù)所屬地區(qū)泰州查建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范可知； 風(fēng)壓高度變化系數(shù)，地面粗糙度為B類； 風(fēng)荷載體型系數(shù)，對于矩形平面，可取值為1.3； 為風(fēng)振系數(shù)，因房屋高度小于30m，所以風(fēng)振系數(shù)可取1.0； 4.2.1風(fēng)荷載作用下的位移計(jì)算 進(jìn)行風(fēng)荷載作用下的位移驗(yàn)算滿足式。 4.2.2風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算 框架在風(fēng)荷載下的內(nèi)力計(jì)算方法可采用反彎點(diǎn)法和D值法。反彎點(diǎn)法假定梁柱之間的線剛度之比為無窮大，并假定柱的反彎點(diǎn)高度為一定值，使計(jì)算結(jié)果帶來一定的誤差。在本次設(shè)計(jì)中，梁柱的線剛度較為接近，風(fēng)荷載下的內(nèi)力采用D值法【5】。 D值法計(jì)算步驟為： （1）求各柱反彎點(diǎn)處的剪力值； （2）求各柱反彎點(diǎn)的高度； （3）求各柱的桿端彎矩及梁端彎矩； （4）求各柱的軸力和剪力。 框架各柱的桿端彎矩、梁端彎矩按下式計(jì)算 框架柱 框架柱的反彎點(diǎn)位置取決于該柱上、下端轉(zhuǎn)角的比值，考慮梁柱線剛度比、結(jié)構(gòu)總層數(shù)及該柱所在的層次、柱上、下橫梁線剛度比、上層高度的變化、下層高度的變化等影響，求出柱底端至柱反彎點(diǎn)的距離【6】。 4.3地震作用下框架的內(nèi)力計(jì)算 常州地區(qū)屬于7度抗震地區(qū)，根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，可不考慮豎向地震作用。本設(shè)計(jì)中，由于建筑物的總高度，變形主要是剪切變形為主，質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻，可采用底部剪力法計(jì)算水平地震作用力【3】。取一個(gè)計(jì)算單元進(jìn)行計(jì)算。 4.3.1重力荷載代表值計(jì)算 計(jì)算地震作用時(shí)，建筑的重力荷載代表值應(yīng)取結(jié)構(gòu)和構(gòu)配件自重標(biāo)準(zhǔn)值和各可變荷載組合值之和。其中雪荷載組合值系數(shù)取0.5，樓面活荷載組合值系數(shù)取0.5。屋面梁上的線荷載設(shè)計(jì)值:恒載+0.5雪載, 樓面梁上的線荷載標(biāo)準(zhǔn)值:恒載+0.5活載, 計(jì)算結(jié)果見表4.1。 表4.1 重力荷載代表值 樓層 自重標(biāo)準(zhǔn)值 可變荷載組合值 重力荷載代表值 4 1228.15 43 1249.65 3 1236.92 256.1 1364.97 2 1247.98 256.1 1376.03 1 1152.16 256.1 1280.21 4.3.2自振周期的計(jì)算 此框架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻，所以可采用頂點(diǎn)位移法計(jì)算其基本自振周期(s)， 式中，—考慮填充墻對結(jié)構(gòu)剛度影響的自振周期的修正系數(shù)，可取0.6～0.8； —為計(jì)算結(jié)構(gòu)自振周期用的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)假想位移（m），即假想把集中在各層樓面處的重力荷載代表值視作水平荷載而算得的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移 4.3.3橫向地震作用 地震作用按7度Ⅲ類場地,地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃的特征周期分組按第一組考慮，則,,采用底部剪力法計(jì)算。由于,故不考慮頂部附加地震作用。 結(jié)構(gòu)底部剪力為： 4.3.4地震作用下的變形驗(yàn)算 進(jìn)行地震作用下的位移驗(yàn)算滿足式。 4.3.5地震作用下的內(nèi)力計(jì)算 地震作用力沿豎向呈倒三角形分布,內(nèi)力計(jì)算也采用D值法，與風(fēng)荷載相似。 求出主體結(jié)構(gòu)框架各層的層間總剪力后，按各柱的側(cè)移剛度（值）在該層側(cè)移剛度所占比例分配到各柱。 設(shè)為層柱分配到的剪力，則 （8） 根據(jù)求得的各柱層間剪力和修正后的反彎點(diǎn)位置，即可確定柱端彎矩；再由節(jié)點(diǎn)平衡條件，梁端彎矩之和等于柱端彎矩之和，節(jié)點(diǎn)左右梁端彎矩大小按其線剛度比例分配可求出各梁端彎矩；進(jìn)而由梁的平衡條件可求出梁端剪力；最后，由節(jié)點(diǎn)左右梁端剪力之和即為柱的層間軸力，可求出第層柱軸力即為其上各層節(jié)點(diǎn)左右兩端剪力代數(shù)和。 4.4內(nèi)力組合 上面已經(jīng)完成了對框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算，得到了恒活荷載、風(fēng)荷載、地震作用下的彎矩圖、剪力圖和軸力圖。接下來就根據(jù)最不利原則進(jìn)行內(nèi)力組合，使的結(jié)構(gòu)在各種可能荷載作用下能夠安全受力。 4.4.1控制截面 對于框架柱，彎矩、軸力和剪力沿柱高是線性變化的，因此取各層柱的上、下端截面作為控制截面。 對于框架梁，在水平荷載作用和豎向荷載作用下，剪力沿梁軸線呈線性變化，彎矩則呈拋物線形變化，因此，除取梁的兩端為控制截面以外，還應(yīng)在跨間取最大正彎矩的截面為控制截面。由于本框架規(guī)則對稱，荷載也是對稱分布，因此梁的最大彎矩的截面在跨中處的正截面。 在截面配筋計(jì)算時(shí)應(yīng)采用構(gòu)件端部截面上的內(nèi)力，由于內(nèi)力計(jì)算時(shí)梁端部的剪力與彎矩從柱子的中心計(jì)算，梁端柱邊緣的剪力和彎矩值應(yīng)進(jìn)行下式計(jì)算： 4.4.2梁端調(diào)幅 框架結(jié)構(gòu)的正常的破壞形式中，是可以在梁端出現(xiàn)塑性鉸的，施工中為了方便澆搗混凝土，也希望節(jié)點(diǎn)處梁的負(fù)鋼筋盡量少放，因此在進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要對梁端彎矩進(jìn)行調(diào)幅，人為減少梁端的負(fù)彎矩，減少節(jié)點(diǎn)附近梁頂面的配筋量。 調(diào)幅后梁端彎矩可?。? 在本次設(shè)計(jì)中，彎矩調(diào)幅系數(shù)。 4.4.3內(nèi)力組合 框架結(jié)構(gòu)截面在是最不利內(nèi)力的荷載效應(yīng)組合可采用簡化規(guī)則，按下列組合值中取最不利值確定： 當(dāng)永久荷載效應(yīng)起控制作用時(shí)： 當(dāng)可變荷載效應(yīng)起控制作用時(shí)： 因本次設(shè)計(jì)還考慮抗震設(shè)計(jì)，則還需下式設(shè)計(jì) 5 基礎(chǔ)設(shè)計(jì) 本工程考慮到地下水位的高度，冰凍線的深度，以及軟弱地下層的深度，初步確定1.35米深度作為基礎(chǔ)埋深，同時(shí)考慮到該工程為框架結(jié)構(gòu)，梁柱中心線不重合，將會(huì)產(chǎn)生叫大的豎向彎矩，為了提高抗側(cè)剛度，滿足縱橫向彎矩的平衡，提高抗剪切能力，該工程選用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，既能滿足以上條件，同時(shí)又能起到節(jié)省材料的作用【7】。 設(shè)計(jì)步驟： （1）初步確定截面尺寸及基礎(chǔ)類型； （2）求基底凈反力設(shè)計(jì)值； （3）求基礎(chǔ)高度及抗沖切驗(yàn)算； （4）基礎(chǔ)配筋計(jì)算。 6 零星構(gòu)件設(shè)計(jì) 考慮到整體的安全性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一些不可缺少的構(gòu)件也需要我們進(jìn)行計(jì)算，如板、次梁、樓梯。 6.1板的設(shè)計(jì) 對于單向板的計(jì)算，取1m寬的板帶作為計(jì)算單元，中間的板帶考慮“薄膜效應(yīng)”進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。對于雙向板的計(jì)算，按彈性理論查表計(jì)算。 6.2次梁的設(shè)計(jì) 根據(jù)本教學(xué)樓樓蓋的實(shí)際使用情況，樓蓋的次梁的活荷載不考慮梁從屬面積的荷載折減，按簡支梁計(jì)算設(shè)計(jì)。 6.3樓梯的設(shè)計(jì) 樓梯設(shè)計(jì)為雙跑樓梯，由于樓梯的跨度不大和考慮施工方便，故采用板式樓梯。 參考文獻(xiàn) [1] 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S](GB 50009—2001). 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002. 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