土木工程專業(yè)畢業(yè)設計：某教學樓框架結構優(yōu)化設計

1、同濟大學 土木工程專業(yè)畢業(yè)設計某教學樓框架結構優(yōu)化設計摘 要本篇畢業(yè)論文從土力學基本理論出發(fā)，結合相關設計規(guī)范及工程實際，對工程進行初步設計。在設計中采用計算邊坡推力的方法進行邊坡穩(wěn)定性分析，并以滑坡推力的計算結果和地質勘測資料作為肋梁錨桿支護計算、設計的依據(jù)。除了理論上的計算之外，本文還論述了邊坡治理的一些基本原則。根據(jù)這些基本原則和計算結果，給出了治理邊坡的方案。關鍵詞： 混凝土 結構優(yōu)化建筑設計說明部分一、工程概況：工程位置：天津市；工程總面積：10326.24，主樓8層，高28.2m，一、二層層高4.2m,標準層層高3.3m；裙樓共兩層，高8.4m，層高4.2m；結構形式：現(xiàn)澆整體框架

2、。三、設計資料 （一）、自然條件1、工程地質條件：詳見地質勘查報告。2、抗震設防： 7 度3、防火等級： 二級4、建筑物類型： 丙類5、基本風壓： W0= 0.40 KN/m2，主導風向：西北風6、基本雪壓： S0= 0.50 KN/m27、凍土深度： 0.7 m8、地下水位： 最低：1.7 m 最高：1.5 m9、氣象條件： 年平均溫度：12 oC 最高溫度：39 oC 最低溫度：21 oC 年總降雨量：541.5 mm 日最大降雨量：115.5 mm10、樓面活荷： 辦公室：2.0 KN/m2；走道：2.0 KN/m2；餐廳：2.5 KN/m2。（二）、工程做法1、屋面做法高聚物改性瀝青卷

3、材防水4厚高聚物改性瀝青卷材防水層（帶砂、小片石，作為保護層）20厚1：3水泥砂漿層找平層1：6水泥焦渣找2%坡，最薄處30厚50厚聚苯乙烯泡沫塑料板保溫層鋼筋混凝土基層（三）、門窗門選用標準圖集中的木門，窗選用塑鋼窗。門窗表見表1。 門窗表 表1編號洞口尺寸開啟方向材料樘數(shù)備注寬×高C12400×2650推拉窗塑鋼52單槽雙玻，開啟扇帶紗扇C21800×2650推拉窗塑鋼40單槽雙玻，開啟扇帶紗扇，衛(wèi)生間窗裝磨砂玻璃C31500×1750推拉窗塑鋼4單槽雙玻C41800×1750推拉窗塑鋼220單槽雙玻，開啟扇帶紗扇，衛(wèi)生間窗裝磨砂玻璃C51

4、200×1750推拉窗塑鋼4單槽雙玻，開啟扇帶紗扇C61500×1750推拉窗塑鋼12單槽雙玻，開啟扇帶紗扇M14200×3600彈簧門玻璃門2M23000×3600彈簧門玻璃門1M31800×3600平開門夾板門2M4900×2100平開門夾板門240M51500×2100平開門夾板門4M6750×2100平開門夾板門22結構設計計算書結構布置及結構計算簡圖的確定結構布置（B區(qū)）結構平面布置如圖1所示。38層500×500 300×65012層600×600250×5502

5、50×550250×400圖1 結構平面布置圖2、確定梁柱截面尺寸：主梁：h=(1/81/12)l=(1/81/12) ×6600=825mm550mm取h=650mm,b=300mm連系梁：邊跨（HG、FE）梁 h=550mm,b=250mm 中跨（GF）梁 h=400mm,b=250mm次梁： h=550mm,b=250mm柱截面： 12層600mm×600mm 38層500 mm×500mm現(xiàn)澆樓板厚100mm，滿足h/l01 1/503、計算簡圖的確定（見圖2）根據(jù)地質資料，確定基礎頂面離室外地面為700mm,由此求得底層層高為5.5m

6、。各梁柱構件的線剛度經計算后列于圖2，其中在求梁截面慣性矩時考慮到現(xiàn)澆樓板的作用，邊跨梁取I=1.5I0,中跨梁取I=2I0（I0為不考慮樓板翼緣作用的梁截面慣性矩）。HG跨梁：GF跨梁：FE跨梁：38層柱：2層柱： 首層柱： 注：圖中數(shù)字為線剛度，單位：×10-4Em3Ec=3.25×104N/mm2 Eb=3.00×104N/mm2圖2：結構計算簡圖荷載計算恒載計算屋面框架梁線荷載標準值：4厚高聚物改性瀝青卷材防水層（三氈四油上鋪小石子） 0.4 KN/ m220厚1：3水泥砂漿層找平層 0.02×20=0.4 KN/ m21：6水泥焦渣找2%坡，最

7、薄處30厚 KN/ m250厚聚苯乙烯泡沫塑料板保溫層 0.05×0.5=0.025 KN/ m2鋼筋混凝土基層 0.1×25=2.5 KN/ m2鋁合金條板吊頂 0.12 KN/ m2屋面恒載: 4.81 KN/m2邊跨(HG、FE跨)框架梁自重 0.25×0.55×25=3.44 KN/ m2中跨框架梁自重 0.25×0.4×25=2.5KN/ m2粉刷 2×（0.40.1）×0.02×17=0.2 KN/ m2因此，作用在頂層框架梁上的線荷載為：（圖3）g8HG1= g8FE1=3.44KN/ mg

8、8GF1= 2.5 KN/ mg8HG2= g8FE2=4.81×3.3=15.87 KN/ mg8FG2= 4.81×2.4=11.54KN/ m (2)樓面框架梁線荷載標準值30厚水磨石地面（10mm面層，20mm水泥砂漿打底） 0.65KN/m240厚C20細石混凝土墊層 0.04×25=1.0KN/ m2100厚鋼筋混凝土樓板 0.1×25=2.5 KN/ m2鋁合金條板吊頂 0.12 KN/ m2樓面恒載 4.27 KN/ m237層框架梁邊跨(HG、FE跨)框架梁自重 0.25×0.55×25=3.44 KN/ m邊跨填充

9、墻自重 0.19×（3.30.65）×6.0=3.02 KN/ m墻面粉刷 （3.30.65）×0.02×2×17=1.80 KN/ m中跨框架梁自重 0.25×0.4×25=2.5KN/ m梁側粉刷 2×(0.40.1)×0.02×17=0.2 KN/ m因此，作用在37層框架梁上的線荷載為（圖3）：gHG1= gFE1=3.44+3.02+1.80=8.26 KN/ mgGF1= 2.5 +0.2=2.7KN/ mgHG2= gFE2=4.27×3.3=14.09KN/ mgFG2

10、= 4.27×2.4=10.25KN/ m2層框架梁邊跨填充墻自重 0.19×（4.20.65）×6.0=4.05 KN/ m2墻面粉刷 （4.20.65）×0.02×2×17=2.41KN/ m2因此，作用在2層框架梁上的線荷載為（圖3）：gHG1= gFE1=3.44+4.05+2.41=9.90 KN/ mgGF1 =2.7 KN/ mgHG2= gFE2=14.09 KN/ mgGF1= 10.25 KN/ m（3）、屋面框架節(jié)點集中荷載標準值E軸框架梁自重 0.30×0.65×6.6×25=32

11、.18KN粉刷 0.02×(0.650.10)×2×6.6×17=2.47KN600高女兒墻自重 0.6×6.6×0.19×6.0=4.51KN粉刷 0.6×0.02×2×6.6×17=2.69KN框架梁傳來屋面自重 KN次梁自重 0.25×0.55×6.0×25=20.61KN作用在次梁上的屋面自重 KN框架梁傳來次梁自重 KN頂層E軸節(jié)點集中荷載 G8E=32.18+2.47+4.51+2.69+26.19+44.83=112.87KNF軸框架梁自重及

12、粉刷 32.18+2.47=34.65KN框架梁傳來屋面自重KN框架梁傳來次梁自重 44.83KN頂層F軸節(jié)點集中荷載 G8F=34.65+57.36+44.83=136.84KNG軸框架梁自重及粉刷 34.65KN框架梁傳來屋面自重 57.36KN次梁自重 0.25×0.55×4.5×25=15.47KN作用在次梁上的屋面自重 KN框架梁傳來次梁自重 KN頂層G軸節(jié)點集中荷載 G8G=34.65+57.36+30.36=122.37KNH軸框架梁自重及粉刷 34.65KN女兒墻自重及粉刷 7.20KN框架梁傳來屋面自重 26.19KN框架梁傳來次梁自重 30.3

13、6KN頂層H軸節(jié)點集中荷載 G8H=34.65+7.2+26.19+30.36=98.40KN（4）38層樓面框架節(jié)點集中荷載標準值E軸框架梁自重及粉刷 34.65KN塑鋼窗自重 2×1.8×1.75×0.45=2.84KN窗下墻自重 0.29×0.9×（6.60.5）×6=9.55KN內粉刷 0.02×0.9×（6.60.5）×17=1.87 KN外貼面磚 0.08×0.9×6.1×19.8=8.70 KN窗邊墻自重 0.29×（6.60.52×1.8）

14、×(3.31.55)×6=7.61KN內粉刷 0.02（6.60.52×1.8）×(3.31.55)×17=1.49 KN外貼面磚 0.08×(3.31.55)×2.5×19.8=6.93 KN框架梁傳來樓面自重 KN次梁自重 0.25×0.55×6.0×25=20.61KN作用在次梁上的墻自重 0.19×(3.30.55)×5.5×6=17.24 KN粉刷 2×0.02×(3.30.55)×5.5×17=10.29

15、 KN作用在次梁上的樓面自重 KN框架梁傳來次梁自重 KN框架柱自重 0.5×0.5×3.3×25=20.63 KN內粉刷 0.9×0.02×3.3×17=1.01 KN外貼面磚 0.08×0.5×3.3×19.8=2.61KN38層E軸節(jié)點集中荷載 GE=34.65+2.84+9.55+1.87+8.70+7.61+1.49+6.93+23.25+54.72+20.63+1.01+2.61=175.86KNF軸框架梁自重及粉刷 34.65KN內縱墻自重 6.1×（3.30.65）×0

16、.19×6.0=18.43 KN粉刷 6.1×（3.30.65）×2×0.02×17=10.99KN扣除門洞重 2.1×0.9×（0.19×6.0+2×0.02×17）×2=6.88 KN門重 2.1×0.9×0.2×2=0.76 KN框架梁傳來屋面自重KN次梁自重 20.61 KN作用在次梁上墻的自重及粉刷 17.24+10.29=27.53 KN作用在次梁上的樓面自重 61.30 KN框架梁傳來次梁自重 KN框架柱自重 20.63 KN粉刷 1.6&#

17、215;0.02×3.3×17=1.80 KN38層F軸節(jié)點集中荷載 GF=34.65+18.43+10.996.88+0.76+50.92+54.72+20.63+1.80=186.02 KNG軸框架梁自重及粉刷 34.65KN內縱墻自重 18.43 KN粉刷 10.99KN扣除門洞重 6.88 KN門重 0.76 KN框架梁傳來屋面自重 50.92KN次梁自重 15.47 KN作用在次梁上墻的自重及粉刷 0.19×(3.30.55)×4.0×6.0=12.54 KN 2×0.02×（3.30.55）×4.0&#

18、215;17=7.48 KN作用在次梁上的樓面自重 KN 框架梁傳來次梁自重 KN框架柱自重 20.63KN粉刷 1.80 KN38層G軸節(jié)點集中荷載 GG=34.65+18.43+10.996.88+0.76+50.92+37.83+20.63+1.80=169.13KNH軸框架梁自重及粉刷 34.65KN墻體自重 38.99 KN框架梁傳來樓面自重 23.25KN框架梁傳來次梁自重 37.83KN框架柱自重 20.63 KN粉刷加面磚 1.01+2.61=3.62KN38層H軸節(jié)點集中荷載 GH=34.65+38.99+23.25+37.83+20.63+3.62=158.97KN（5）2

19、層樓面框架節(jié)點集中荷載標準值E軸框架梁自重及粉刷 34.65KN塑鋼窗自重 2×1.8×2.65×0.45=4.29KN窗下墻自重 0.29×0.9×（6.60.6）×6=9.40KN內粉刷 0.02×0.9×（6.60.6）×17=1.84 KN外貼面磚 0.08×0.9×6.0×19.8=8.55 KN窗邊墻自重 0.29×（6.60.62×1.8）×(4.21.55) ×6=11.07KN內粉刷 0.02×（6.60.6

20、2×1.8）×(4.21.55) ×17=2.16 KN外貼面磚 0.08×(4.21.55)×2.3×19.8=9.65KN框架梁傳來樓面自重 KN次梁自重 0.25×0.55×6.0×25=20.61KN作用在次梁上的墻自重 0.19×(4.20.55)×5.5×6=22.89 KN粉刷 2×0.02×(4.20.55)×5.5×17=13.65 KN作用在次梁上的樓面自重 61.30 KN框架梁傳來次梁自重 KN框架柱自重 0.6

21、×0.6×4.2×25=37.80 KN內粉刷 1.2×0.02×4.2×17=1.71 KN外貼面磚 0.08×0.6×4.2×19.8=3.99KN2層E軸節(jié)點集中荷載 GE=34.65+4.29+9.40+1.84+8.55+11.07+2.16+9.65+23.25+59.23+37.80+1.71+3.99=207.59KNF軸框架梁自重及粉刷 34.65KN內縱墻自重 6.0×（4.20.65）×0.19×6.0=24.28 KN粉刷 6.0×（4.20

22、.65）×2×0.02×17=14.48KN扣除門洞重 6.88 KN門重 0.76KN框架梁傳來屋面自重 50.92KN框架梁傳來次梁自重 59.23KN框架柱自重 37.80KN粉刷 2×0.02×4.2×17=2.86 KN2層F軸節(jié)點集中荷載 GF=34.65+24.28+14.486.88+0.76+50.92+59.23+37.80+2.86=218.10 KNG軸框架梁自重及粉刷 34.65KN內縱墻自重 24.28KN粉刷 14.48KN扣除門洞重 6.88 KN門重 0.76 KN框架梁傳來屋面自重 50.92KN次

23、梁自重 15.47 KN作用在次梁上墻的自重及粉刷 0.19×(4.20.55)×3.8×6.0=15.81KN 2×0.02×（4.20.55）×3.8×17=9.43KN作用在次梁上的樓面自重 KN 框架梁傳來次梁自重 KN框架柱自重 37.80KN粉刷 2.86 KN2層G軸節(jié)點集中荷載 GG=34.65+24.28+14.486.88+0.76+50.92+40.44+37.80+2.86=199.31 KNH軸框架梁自重及粉刷 34.65KN墻體自重 46.96 KN框架梁傳來樓面自重 23.25KN框架梁傳來次梁

24、自重 40.44KN框架柱自重 37.80 KN粉刷及面磚 5.70 KN38層H軸節(jié)點集中荷載 G8H=34.65+46.96+23.25+40.44+37.80+5.70=188.80KN（6）恒載作用下結構計算簡圖（圖3）2、樓面活荷載計算樓面活荷載作用下結構計算簡圖如圖4所示。圖中各荷載計算如下：（1）、屋面框架梁線荷載標準值p8HG= p8FE=0.5×3.3=1.65KN/ mp8GF=0.5×2.4=1.2 KN/ m（2）、樓面框架梁線荷載標準值pHG= pFE=2.0×3.3=6.6KN/ mpGF=2.0×2.4=4.8 KN/ m圖

25、4：活荷載作用下結構計算簡圖圖3：恒載作用下結構計算簡圖（3）、屋面框架節(jié)點集中荷載標準值E軸：由框架梁傳來的屋面荷載 由框架梁傳來次梁荷載 P8E=2.72+3.59=6.31KNF軸：由框架梁傳來的屋面荷載 由框架梁傳來次梁荷載 3.59KNP8F=6.98+3.59=10.57KNG軸：由框架梁傳來的屋面荷載 6.98KN由框架梁傳來次梁荷載 P8G=6.98+2.35=9.33KNH軸：由框架梁傳來的屋面荷載 2.72KN由框架梁傳來次梁荷載 2.35KNP8H=2.72+2.35=5.07KN（4）、樓面框架節(jié)點集中荷載標準值E軸：由框架梁傳來的屋面荷載 由框架梁傳來次梁荷載 PE=

26、10.88+14.35=25.23KNF軸：由框架梁傳來的屋面荷載 由框架梁傳來次梁荷載 14.35KNPF=27.93+14.35=42.28KNG軸：由框架梁傳來的屋面荷載 27.93KN由框架梁傳來次梁荷載 PG=27.93+9.41=37.34KNH軸：由框架梁傳來的屋面荷載 10.88KN由框架梁傳來次梁荷載 9.41KN PH=10.88+9.41=20.29KN3、風荷載計算風壓標準值計算公式為 wk=zszw0因結構高度H=29.3m,B=12.9,H/B=2.3>1.5,z應按下式計算z=對于框架結構T=（0.080.1）n, T=0.640.8,取T=0.7則w0T2

27、=0.40×0.72=0.2， 所以=1.25地面粗糙程度為C類 =0.63各層標高處z見表2對于矩形平面s=1.3；z可查荷載規(guī)范，當查得的z<1.0時，取z=1.0。將風荷載換算成作用于框架每層節(jié)點上的集中荷載，計算過程如表2所示。表中A為一榀框架各層節(jié)點的受風面積，計算結果如圖5所示。 橫向風荷載計算 表2層次zsz(m)zw0(KN/ m2)A(m2)Pw(KN)81.791.328.81.00.4415.8416.22 71.701.325.51.00.4421.7821.1861.611.322.21.00.4421.7820.0651.521.318.91.00.

28、4421.7818.9441.431.315.61.00.4421.7817.8231.341.312.31.00.4421.7816.6921.251.39.01.00.4424.7517.7011.131.34.81.00.4429.7019.204、風載下的位移計算（1）、計算簡圖，見圖5。圖5：風荷載作用下結構計算簡圖（2）、柱Kc值 柱Kc值計算 表3層數(shù)截面（m2）混凝土強度等級慣性矩Ic（m4）（m3）(KNm)380.5×0.5C405.21×10-31.58×10-351.35×10320.6×0.6C4010.8×

29、10-32.57×10-383.57×10310.6×0.6C4010.8×10-31.96×10-363.82×103（3）、柱Kb值邊跨（HG、FE）梁Ib=1.5中跨（GF）梁 Ib=24.5m梁：2.4m梁：6.0m梁：（4）、及的值38層H軸柱： G軸柱： F 軸柱： E軸柱： 2層H軸柱： G軸柱： F 軸柱： E軸柱： 底層H軸柱： G軸柱： F 軸柱： E軸柱： （5）值（見表4，）框架柱D值計算 表4H軸G軸F軸E軸38層14.37×10322.58×10320.77×10311.49&

30、#215;10369.21×1032層9.66×10316.37×10314.89×1037.62×10348.54×103底層10.35×10312.94×10312.35×1039.57×10345.21×103(6)、側移由彎曲和剪切變形產生的位移8層：7層：6層：5層：4層：3層：2層：底層：由軸向變形產生的位移查表得故頂點位移 ，滿足要求。三、非抗震內力計算1、豎向恒載作用下的內力計算豎向恒載作用下的內力計算采用分層法。（1）、荷載簡化圖3中梁上分布荷載由矩形和梯形兩部分組成

31、，在求固端彎矩時，將梯形分布荷載及三角形荷載化作等效均布荷載。頂層：HG跨（=1.65/4.5=0.367）GF跨FE跨（=1.65/6=0.275）37層：HG跨（=1.65/4.5=0.367）GF跨FE跨（=1.65/6=0.275）2層：HG跨（=1.65/4.5=0.367）GF跨FE跨（=1.65/6=0.275）（2）柱的線剛度調整由于取出中間一層分析，柱（除底層）的線剛度取框架柱實際線剛度的0.9倍。38層 1.58×10-3×0.9=1.422×10-32層 2.57×10-3×0.9=2.313×10-31層 1.

32、96×10-3（3）、彎矩分配系數(shù)節(jié)點標號見圖6（中間層省略）節(jié)點1： 節(jié)點2：圖6：節(jié)點標號節(jié)點3： 節(jié)點4：節(jié)點5：節(jié)點6：節(jié)點7：節(jié)點8：節(jié)點9：節(jié)點10：節(jié)點11： 節(jié)點12： 節(jié)點13： 節(jié)點14： 節(jié)點15： 節(jié)點16： （4）、桿件固端彎矩(5)、分層法求內力具體過程見圖7，求得桿端內力后，通過靜力平衡條件，可求得相應的剪力和軸力，見圖8，9，10。2、豎向活荷載作用下的內力計算（1）荷載簡化 （2）桿件固端彎矩（3）分層法求內力 具體過程見圖11，同理，可求得相應的剪力和軸力，見圖12，13，14。3、雪荷載內力計算Sk=rS0屋面為平屋面，r=1.0S0=0.5KN

33、/m2 Sk=0.5KN/m2桿件固端彎矩： 4、風載下內力計算 風荷載作用下的結構計算如圖5所示。內力計算采用D值法，計算過程見圖15和圖16，其中可通過有關表格查得反彎點高度y0。風荷載下的彎矩圖見圖17。柱軸力和梁剪力圖見圖18圖7：恒載下分層法求桿端彎矩圖8：恒荷載作用下的彎矩圖（KNm）圖9：恒載下梁的剪力圖（KN）圖10：恒載下柱的軸力圖（KN）圖13：活荷載下梁的剪力圖（KN）圖14：活荷載下柱的軸力圖(KN)圖15：風荷載下剪力在各柱間分配（KN）圖16：風荷載下反彎點及柱端彎矩求解圖18：風荷載下柱的彎矩和梁的剪力圖四、地震作用下荷載計算 本設計僅考慮水平地震作用即可，并可采

34、用基底剪力法計算水平地震作用力。由于該結構的剛度比較均勻，可取一個計算單元進行計算。1、分層計算重力荷載代表值：8層：（1）女兒墻自重 7.20×2 =14.2KN（2）屋面自重: 屋面恒載: 4.81 KN/m2 屋面面積： 6.6×（12.9+0.6）=89.11 m2屋面自重: 4.81×89.11=428.62KN（3）梁重：主梁： 34.65×4=138.60 KN連梁： 3.44×（4.5+6.0）+2.7×2.4=42.60 KN次梁： 42.60 KN 梁重： 123.80 KN（4）墻重（扣門窗洞口加門窗自重） 外墻

35、： 內墻： 墻重： 109.84KN（5）柱重 （6）0.5倍雪荷 0.5×0.5×89.11=22.28KN8層重力荷載代表值： 742.81KN 37層：（1）樓面自重: 樓面恒載: 4.27 KN/m2 樓面面積： 6.6×12.9=85.14 m2樓面自重: 4.27×85.14=363.55KN（2）梁重：主梁： 138.60 KN連梁： 42.60 KN次梁： 42.60 KN 梁重： 223.80 KN（3）墻重（扣門窗洞口加門窗自重） 外墻： 內墻： 墻重： 219.68KN（4）柱重 （5）0.5倍樓面活荷載 0.5×2.0&

36、#215;85.14=85.14KN37層重力荷載代表值： 980.31KN2層：（1）樓面自重: 363.55KN（2）梁重： 223.80 KN（3）墻重（扣門窗洞口加門窗自重） 外墻： 內墻： 墻重： 246.24KN（4）柱重 21.64+22.43+39.51+40.66=124.24KN（5）0.5倍樓面活荷載 0.5×2.0×85.14=85.14KN2層重力荷載代表值： 1042.97KN首層：（1）樓面自重: 363.55KN（2）梁重： 223.80 KN（3）墻重（扣門窗洞口加門窗自重） 外墻： 2×48.69=97.38KN 內墻： 墻重：

37、 272.80KN（4）柱重 (39.51+40.66) ×2=160.34KN（5）0.5倍樓面活荷載 0.5×2.0×85.14=85.14KN首層重力荷載代表值： 1105.63KN各層重力荷載代表值為： G8=742.81KN G73=980.31KN G2=1042.97KN G1=1105.63KN2、自振周期計算 按頂點位移法計算，考慮輕質填充墻對剛度的影響，取基本周期調整系數(shù)0=0.8。計算公式為，式中為頂點位移（單位為m），按D值法計算，見表5。 橫向框架頂點位移計算 表5層次8742.81742.81692100.01030.5867 7980.31 1723.1269210 0.02490.57646980.31 2703.4369210 0.03910.55155980.31 3683.7469210 0.05320.51244980.31 4664.0569210 0.06740.45923980.31 5644.36692