包頭市第一實驗小學結構設計

摘要

本設計為擬建的包頭市第一實驗小學結構設計,其中包括了建筑設計和結構設計這

兩部分。建筑設計當中，參考了大量地質及氣象資料，根據包頭市當地特點進行了教學

樓的平面及立面設計并劃分了各主要房間的布局，同時也選擇了適合當地的建筑及裝修

材料。在結構設計中，選取混凝土框架結構作為基本框架體系并根據設計任務書要求取

其中的一根框架來分析并計算，然后計算該框架在不同荷載及內力組合下的受力狀況。

最后進行各結構的配筋并在CAD圖中作出建筑圖和結構圖。

關鍵詞：混凝土框架；建筑設計；結構設計；內力計算；配筋計算。

Abstract

ThisdesignfortheproposedthefirstexperimentalprimaryschoolofBaotoucity

structuredesign,includingthearchitecturaldesignandstructuredesign.Ihavefoundalot

ofgeologicalandmeteorologicaldata,accordingtothecharacteristicsoftheBaotoulocal

buildingplaneandelevationdesignanddividedthemainlayoutoftheroom,alsochose

thesuitableforlocalbuildinganddecorationmaterialsinthestructuredesign,concrete

framestructureasthebasicframeworksystemthatIcanselectaccordingtothedesign

specificationrequirementsandtookoneofthemosticoniconecommonframeworkto

analyzeandcalculate,thencalculatetheframeworkunderthedifferentloadandinternal

forcecombinationFinally,thereinforcementofeachstructureandmakethebuilding

drawingandstructuredrawinginCADdrawing.

Keywords：FrameBuilding；StructureDesign；CalculationofInternal

Force；CalculationofReinforcement；CADDrawing

目錄

1方案論述.........................................................................1

1.1建筑方案設計論述..........................................................1

1.2結構方案設計論述.........................................................1

2結構方案設計.....................................................................2

2.2柱網布置......................................................................2

2.3計算單元選擇............................................................3

3梁柱截面尺寸選定及荷載計算......................................................3

3.1截面尺寸選定.............................................................3

3.1.1結構柱：...........................................................3

3.1.2結構梁：...........................................................4

3.2荷載計算..................................................................4

3.2.1恒荷載標準值的計算.................................................4

3.2.1.1屋面............................................................4

3.2.1.2樓層面......................................................4

3.2.1.3衛(wèi)生間......................................................5

3.2.1.4梁自重......................................................5

3.2.1.5柱自重.......................................................5

3.2.1.5外墻自重（縱向）.............................................5

1.2.1.6內墻自重.....................................................6

3.2.2活荷載標準值的計算..................................................6

3.2.2.1屋面和樓面活荷載標準值......................................6

3.2.3豎向荷載作用下框架荷載計算.........................................6

3.2.4風荷載標準值計算...................................................10

3.2.5地震作用..........................................................11

3.2.5.1重力荷載代表值.............................................11

3.2.5.2地震作用的計算方法........................................12

325.3自振周期的計算...............................................12

3.2.5.4水平地震作用標準值的計算..................................14

3.2.5.5抗震變形驗算...............................................16

4內力計算........................................................................16

4.1恒荷載標準值作用下的內力計算............................................16

4.2活荷載標準值作用下的內力計算...........................................21

4.3風荷載作用下框架內力計算................................................24

4.3.1風荷載作用下框架內力分析.........................................25

4.3.2風荷載作用下梁端彎矩計算..........................................26

4.3.3風荷載作用下框架側移計算..........................................26

4.4地震作用下框架內力計算..................................................28

4.4.1水平地震作用下框架柱剪力和柱彎矩（D值法）..........................28

4.4.2水平地震作用下梁端彎矩計算........................................29

5內力組合........................................................................31

5.1框架梁內力組合...........................................................31

6框架梁柱的設計與配筋計算.......................................................37

6.1框架梁截面設計（以第三層為例）.............................................37

6.1.1正截面受彎承載力計算................................................37

6.1.1.1梁AB跨中正彎矩作用下的配筋計算.............................37

6.1.1.2A軸支座正彎矩作用下的配筋計算..............................37

6.1.1.3A軸支座負彎矩作用下的配筋計算...............................38

6.1.1.4梁BC跨中負彎矩作用下的配筋計算.............................38

6.1.1.5梁BC跨中正彎矩作用下的配筋計算.............................38

6.1.2斜截面受彎承載力計算..............................................39

6.2.2.1框架梁受剪截面的驗算.......................................40

6.2.2.2梁端箍筋加密區(qū)長度.........................................41

6.2.2.3箍筋最大間距................................................41

6.2.2.4非加密區(qū)箍筋的間距.........................................42

6.2.3框架梁縱筋的錨固長度................................................42

6.3框架柱截面設計...........................................................42

6.3.1軸壓比驗算..........................................................42

6.3.2柱端彎矩的調整.....................................................43

6.3.4框架柱斜截面承載力計算.............................................49

6.3.4.1框架柱最不利剪力計算.......................................49

6.3.4.2截面尺寸的驗算...............................................50

6.3.4.3斜截面承載力計算.............................................50

6.4構件裂縫寬度驗算.........................................................51

6.4.1框架梁（第三層）.....................................................51

6.4.2框架柱（第三層）....................................................53

7板的設計與計算..................................................................53

7.1荷載計算.................................................................54

7.2截面設計................................................................54

7.2.1彎矩計算..........................................................54

7.2.1.1邊區(qū)格板B1...............................................................................................54

7.2.1.2中間區(qū)格板B2...........................................................................................54

7.2.2板配筋計算........................................................55

8樓梯的設計與計算................................................................56

8.1設計資料.................................................................56

8.2樓段板設計..............................................................57

8.2.1荷載計算..........................................................57

8.2.2內力計算..........................................................57

8.2.3配筋計算..........................................................58

8.3平臺板計算（PTBD................................................................................................................58

8.3.1荷載計算...........................................................58

8.3.2內力計算...........................................................58

8.3.3配筋計算...........................................................59

8.4平臺梁（TL1）..........................................................................................................................59

8.4.1荷載計算..........................................................59

8.4.2內力計算..........................................................59

8.4.3配筋計算..........................................................59

9地基基礎的設計與計算...........................................................60

9.1基礎選型...................................................................60

9.1.1基礎設計...........................................................60

9.2地基承載力驗算...........................................................61

9.2.1軸心荷載作用下地基承載力算........................................61

9.2.2考慮偏心荷載作用下地基承載力驗算..................................62

9.3基礎抗沖切驗算...........................................................62

9.4基礎受壓驗算.............................................................63

9.5基礎受彎計算配筋.........................................................63

結論..............................................................................65

參考文獻..........................................................................65

致謝.............................................................錯誤!未定義書簽。

1方案論述

1.1建筑方案設計論述

(1)本設計為包頭市小學教學樓，根據用途劃分如下房間：辦公室、教室、衛(wèi)生間、報

告廳、音樂室、打印室等等，各房間的面積及工程做法均參考國家及當地規(guī)范。

房間的平面組成：

房間布置在過道的兩側,本教學樓設計設置兩部樓梯，位于大堂的右側及左上方,便于

各房間可以較近到達樓梯，既方便了交通也有利于災難疏散的高效；每個房間均設置了多

扇窗戶，有利于保證房間的采光和通風，營造良好的學習環(huán)境。

(2)房間的面積及建筑層高

該教學樓設置三種開間進深的房間，分別是6.6mX9.0m,3.0mX9.0m,4.5mX6.6m,

其中底層層高4.50m,其余各標準層為3.70m,室內外高差為4.50m。

(3)建筑出入口設置：

該教學樓共設置兩個出口，分別位于教學樓的南側及東側，并設置了雨棚，方便學生

及老師出入。

(4)立面裝飾材料作法及顏色的選用：

主立面開窗面積較大,有利于房間采光及空氣的流通。主立面采用米黃色涂料進行裝

飾,涂料價格經濟，而且不會像瓷磚一樣有跌落的風險，保證了安全性。同時米黃色美觀，

使人舒適。

(5)建筑構造說明：

屋面構造：因為包頭市的氣候地理原因，該教學樓屋面為上人平屋面，防水等級為二

級。防水層采用單面反應粘高分子防水卷材，保溫層則采用60mm厚的擠塑聚苯板。

樓面：先澆筑鋼筋混凝土板，再用水泥砂漿進行找平(有隔音需求的教室可采用隔音

砂漿)，最后鋪設地磚并用水泥填縫。

衛(wèi)生間：(設置沉箱，約低于樓面標高300nlm)首先澆筑混凝土底板，其次水泥砂漿

找平找坡，接著防水涂料或卷材做防水層，然后再一次找平，最后鋪設防滑面磚并用水泥

填縫。

(6)本建筑設計的主要特點

首先從建筑功能方面考慮。本教學樓設計均在包頭市的環(huán)境特性下，選擇最為合適的

建筑材料。為此我專門查閱了包頭市的地質氣象資料，務求找到適合該地環(huán)境的材料用于

保溫、隔熱、抗震等等。

從經濟條件方面考慮。通過查閱國家建筑規(guī)范及地方規(guī)范，就材料及用工問題均要選

擇合理得當，既要杜絕偷工減料也要避免原材料過剩造成資源浪費。在保證安全的前提下

謀求最大的經濟利益。

從審美的角度考慮。建筑不單單僅僅是一幢建筑物也是一件藝術品，一幢好的建筑物

不僅滿足人的實際需求之外還能給人帶來美的享受，也更因它的美輪美奐得以流芳百世。

1.2結構方案設計論述

1

該教學樓結構設計的內容包括：一根框架、截面尺寸的選擇，框架結構在不同荷載下

的受力計算、結構內力組合、配筋計算還有基礎選型等。

在我國，多層建筑中常見結構有：砌體結構、鋼筋混凝土結構還有鋼結構。下面分別

對這幾種結構進行簡單的分析，以此推斷出適合本教學樓的結構體系。砌體結構是由磚配

合鋼筋混凝土混合砌筑的結構,這種結構的主要部分是磚墻,主要由墻體來承受荷載。在三

種結構中成本最低，更適合用于一些低層或受力較為簡單的建筑。常用于一些相對落后的

地區(qū)。

但是，本設計考慮的對象為小學教學樓，受力相對復雜，故不適合采用砌體結構。

混凝土可以說是最炙手可熱的建筑材料,它具有非常多的優(yōu)點。例如可模性高,整體性

好，剛性性能良好，施工簡便?；炷僚浜箱摻钍褂脛t彌補了混凝土抗彎抗剪較弱的缺點，

同時還能保證其優(yōu)質的抗壓性能。為此，可以毫不夸張的說，只要有建筑的地方就能看到

混凝土，因此選用混凝土框架結構非常適合本教學樓的設計。

鋼結構具有材料強度高、韌性及塑性好、密封性能好的特點。許多建筑材料的構件，

如鋼管、止水鋼板等等都是鋼結構的衍生物。但相對于另外兩種結構，鋼結構造價相對更

高，更適合用于一些大跨度或超高層建筑。

從結構形式的角度說,框架結構使用于多層建筑,一般小學教學樓都在15到20米左右

的高度,故框架結構適合。另外從施工角度說,鋼筋混凝土框架結構有現澆式和裝配式兩

種。裝配式框架結構在近期國家也在大力推廣，有著大規(guī)模工業(yè)化的生產，生產快,建筑周

期短,不過隨著施工工藝的發(fā)展，現澆式施工也變得越來越完善，無論是造價還是施工周

期都在逐漸降低。綜合分析和考慮了以上諸多因素后,本次結構設計選擇現澆鋼筋混凝土

框架結構。

在預先設計好的柱網基礎上，本教學樓框架梁采用縱橫框架混合承重方案，橫向框架

的梁截面尺寸是A-B軸600mmX250mm、B-C軸300mm義150mm、C-D軸600mmX250mm,縱向

的框架梁是450mmX200mm,樓板的尺寸選擇：標準的是6.6mX9.0m,走廊樓板：3.0mX9.0m,

地板厚度均為lOOmmo

除此之外，本設計采用了柱下獨立基礎。柱下獨立基礎是一種較為常見的基礎，適用

于荷載不太大的建筑，施工較為簡便。

2結構方案設計

2.1設計規(guī)模及工程做法

2.2柱網布置

由于任務書并無規(guī)定相關柱網，故為方便計算，框架柱的布置如下圖2.1

2

①②④④@@⑦

R山nn

/qnnn/Qnnn/qnnn，onnn/cjnnn/onnn

?--------------------------------JtJt.JtJ-----------------------------------------1

II[jc?[j|

?f?

J?1LJHJIt

i----------------------------------------1---------------------------------------c3----------------------------------------ij----------------------------------------1-----------------------------------------1

，onna，Qnnn/Qnnn，onnnQnnn/onnn

/----------------------------------------7

Sdlnn

(D?Q><4)?<i>G)

圖2.1柱網

2.3計算單元選擇

為方便計算，工程上通常取一根框架（三跨左右）來進行分析計算，針對上述柱網，選

取了3、4、5軸所在框架作為一根框架,如下圖2.2。

③④?

③④⑤

圖2.2一根框架

3梁柱截面尺寸選定及荷載計算

3.1截面尺寸選定

3.1.1結構柱:

3

軸壓比公式

N/￡協<0.75

注：對于二級框架軸壓比需小于0.75,此處假設框架柱每平方米承受荷載15kN/m

中柱：7V=1.1V=1.1X15X9X(3+6.6)X-X4=2851.2^

2

4>Nci/(〃力)=2851.2x1O'/(o75x14.3)=265846加〃/

故b-h-\/At.|=J265846=516mm

邊柱：M2=L2M=1.2X15X9X6.6X；X4=2138KN

4,2NN,2/(〃/)=2138x103/(o.75x14.3)=199347mm2

故b=h=JA<.2=Jl99347=446mm

取力xh=550mmx550mm

3.1.2結構梁：

h=(l/18~l/10)L；

b=(l/4-l/2)h

選定橫向框架梁截面尺寸為：

A-B跨:bXh=250X600mm

B-C跨:bXh=150X300mm

C-D跨:bXh=250X600mm

次梁：bXh=200X450mm

縱向梁：bXh=250X600mm

3.2荷載計算

3.2.1恒荷載標準值的計算

3.2.1.1屋面

保護層：30mm細石碎25kN/m3X0.03m=0.75kN/m2

防水層:1.5mm厚單面反應粘高分子防水卷材

0.5kN/m3

1.5mm厚聚合物水泥防水涂料

保溫層：60mm擠塑聚苯板：0.35kN/m3X0.06m=0.028kN/m2

墊層:20mm厚細石碎保護層：25kN/m3X0.02m=0.5kN/m2

找平層：2()mm厚1：25水泥砂漿找平：20kN/m3X0.02m=0.4kN/m2

100mm厚現澆鋼筋混凝土屋面板：25kN/mX0.Im=2.5kN/m2

15mm厚板下抹灰：17kN/mX0.015m=0.255kN/m2

共：4.926kN/m2

3.2.1.2樓層面

4

地磚樓面：10mm的地磚鋪實拍平,水泥砂漿擦縫

20mm厚1:25水泥砂漿找平

自重1.24kN/m3

100mm厚現澆鋼筋混凝土樓面板25kN/m3X0.10m=2.5kN/m2

共：3.74kN/m2

3.2.1.3衛(wèi)生間

防滑地病0.99kN/m2

防水層0.40kN/m2

100mm厚現澆鋼筋混凝土樓面板25kN/m3X0.10m=2.5kN/m2

共：3.89kN/m2

3.2.1.4梁自重

梁截面bXh=250mmX600mm

梁自重25kN/m3XO.25mX(0.6m-0.Im)=3.125kN/m

20厚水泥砂漿抹灰層0.02mX20kN/m3X[0.25m+(0.6m-0.lm)X2]=0.50kN/m

共：3.625kN/m

梁尺寸bXh=l50mmX300mm

梁自重25kN/m3XO.15mX(0.3m-0.lm)=0.75kN/m

20厚水泥砂漿抹灰層0.02mX20kN/m3X[0.15m+(0.3m-0.Im)X2]=0.22kN/m

共：0.97kN/m

梁尺寸bXh=200mmX450mm

梁自重25kN/m3XO.20mX(0.45m-0.lm)=l.75kN/m

20厚水泥砂漿抹灰層0.02mX20kN/m3X[0.20m+(0.45m-0.Im)X2]=0.36kN/m

共：2.11kN/m

3.2.1.5柱自重

柱尺寸bXh=550mmX550mm

柱自重25kN/m3X0.55mX0.55m=7.5625kN/m

20厚水泥砂漿抹灰層0.02mX20kN/m3X(0.5mX4)=0.8kN/m

共：8.3625kN/m

3.2.1.5外墻自重（縱向）

標準層

縱墻

lmXO.20mX(9.0m-0.55m)X7.0kN/m3+(9.0m-0.55m-4.8m)X0.20m

X(3.7m-0.6m-Im)X7.0kN/m3=22.561kN

鋁合金鋼窗0.40kN/m2X4.8mX2.lm=4.032kN

5

面磚外墻面(17.8kN/m3X0.008m+20kN/m3X0.02m)X[1.OmX(9.Om-5.5m)

+(9.0m-0.55m-4.8m)X2.Im]=8.74kN

水泥砂漿內墻面20kN/m3XO.02mX[ImX(9.Om-O.55m)+(9.0m-0.55m-4.8m)X

2.Im]=6.446kN

保溫層140kg/m3X9.8X10-3kN/kgX0.05X[ImX

(9.0m-0.55m)+(9.0m-0.55m-4.8m)X2.lm]=l.105kN

共：42.884kN

1.2.1.6內墻自重

標準層

內墻3.ImXO.2mX7.OkN/m3=4.34kN/m

水泥砂漿抹面2X3.ImXO.02mX20kN/m3=2.48kN/m

共：6.82kN/m

3.2.2活荷載標準值的計算

3.2.2.1屋面和樓面活荷載標準值

參考結構總說明

3.2.3豎向荷載作用下框架荷載計算

(l)A-B軸間框架梁

荷載的傳遞如圖3.1所示

圖3.1板上荷載的分布

6

屋面荷板傳荷載：

恒荷載：4.926kN/m2X(1-2X0.342+0.343)X4.5m/2X2=17.913kN/m

活荷載：2.OkN/m2X(1-2X0.342+0.343)X4.5m/2X2=7.272kN/m

樓面板傳荷載：

恒荷載:3.49kN/m2X(1-2X0.342+0.343)X4.5m/2X2=12.690kN/m

活荷載:2.5kN/m2X(1-2X0.342+0.343)X4.5m/2X2=9.09kN/m

梁自重：3.625kN/m2

A-B軸間框架梁均布荷載為：

屋面梁：

恒荷載=3.625kN/m+17.913kN/m=21.538kN/m

活荷載=7.272kN/m

樓面梁：

恒荷載=3.625kN/m+17.913kN/m=21.538kN/m

活荷載=9.09kN/m

(2)B-C軸間框架梁

屋面荷板傳荷載：

恒荷載：4.926kN/mx5/8xl/2x(4.5m-0.275m)x2=13.000kN/m

活荷載：2.5kN/mx5/8xl/2x(4.5m-0.275m)x2=5.281kN/m

樓面板傳荷載：

恒荷載：3.49kN/mx5/8xl/2x(4.5m-0.275m)x2=9.216kN/m

活荷載：2.5kN/mx5/8xl/2x(4.5m-0.275m)x2=6.601kN/m

梁的自重：0.97kN/m?

B-C軸間框架梁均布荷載為：

屋面梁：

恒荷載=0.97kN/m+13.000kN/m=l3.97kN/m

活荷載=5.281kN/m

樓面梁：

恒荷載=0.97kN/m+9.216kN/m=10.186kN/m

活荷載=6.60kN/m

(3)C-D軸間框架梁

參考A-B軸間框架梁。

屋面梁：

恒荷載=3.625kN/m+17.913kN/m=21.538kN/m

活荷載=7.272kN/m

樓面梁：

恒荷載=3.625kN/m+12.96kN/m+6.82kN/m=23.135kN/m

活荷載=9.09kN/m

(4)A軸柱縱向集中荷載的計算

女兒墻做法為：1000mm混凝土砌塊,100mm的混凝土壓頂。

女兒墻自重=7.0kN/mx1.0mx0.2m+25kN/mxO.lmx0.2m+(l.lmx2+0.20m)x

0.02mx20kN/m=2.860kN/m

頂層柱：

恒荷載=2.860kN/mX9.Om+3.625kN/mX(9.Om-O.55m)+2.HkN/mX6.6mX1/4X2

+4.926kN/mX5/8X2.25mX4.5mX2+4.926kN/mX(1-2X0.342+0.343)X2.25mX

(6.6m+0.275m)X1/2X2=187.246kN

活荷載=2.0kN/m2X5/8X2.25mX4.5mX2+2.OkN/m2X(1-2X0.2342+0.2343)X

2.25mX(6.6m+0.275m)X1/2X2=49.995kN

標準層柱：

恒荷載=6.82kN/mX6.6mx1/4+42.884kN+3.625kN/mX(9.0m-0.55m)+2.HkN/mX6.6m

X1/4X2+3.49kN/mX5/8X2.25mX4.5mX2+3.49kN/mX(1-2X0.342+0.2343)X

2.25mX(6.6m+0.275m)X1/2X2=179.556kN

活荷載=2.5kN/m2X5/8X2.25mX4.5mX2+2.5kN/m2X(1-2X0.2342+0.2343)X2.25m

X(6.6m+0.275m)X1/2X2=62.887kN

(5)B軸柱縱向集中荷載的計算

頂層柱：

恒荷載=3.202kN/mX(6.0m-0.5m)+2.052kN/mX6.OmX1/4X2+5.368kN/mX5/8X1.5m

X3.0mX2+5.368kN/mX(1-2X0.234+0.234)X1.5mX(6.0m+0.25m)X1/2X

2+5.368kN/mX(1-2X0.229+0.229X(3.0m-0.25m)/2X6.Om=139.594kN

活荷載=2.OkN/m2X5/8X2.25mX4.5mX2+2.OkN/m2X(1-2X0.2342+0.2343)X2.25

X(6.6m+0.275m)X1/2X2+2.OkN/m2X(1-2X0.1672+0.1673)X(3.0m-0.275m)/2X

9.Om=73.682kN

標準層柱：

恒荷載=6.82kN/mX6.6mx1/4+6.82kN/mX(9.0m-0.55m)+3.625kN/mX(9.0m-0.55m)

8

+2.HkN/mX6.6mX1/4X2+3.49kN/mX5/8X2.25mX4.5mX2+3.49kN/mX(1-2X

0.2342+0.2343)*2.25mX(6.6m+0.275m)X1/2X2+3.49kN/mX(1-2X0.1672+0.1673)

X(3.0m-0.275m)/2X9m=234.879kN

活荷載=2.5kN/mX5/8X2.25mX4.5mx2+2.5kN/m2X(1-2X0.342+0.2343)X2.25mX

(6.6m+0.275m)X1/2X2+2.5kN/m2X(1-2X0.1672+0.1673)X(3.0m-0.275m)/2X

9m=91.949kN

(6)C軸柱縱向集中荷載的計算

頂層柱：

恒荷載=219.288kN

活荷載=73.682kN

標準層柱：

恒荷載=6.82kN/mX(9.0m-0.55m)+3.625kN/mX(9.0m-0.55m)+2.HkN/mX6.6mX1/4

X2+3.49kN/mX5/8X2.25mX4.5mX2+3.49kN/mX(1-2X0.342+0.343)X2.25mX

+0.275m)X1/2X2+3.49kN/mX(1-2X0.1672+0.1673)X(3.0m-0.275m)/2X9.0m

=223.583kN

活荷載=91.949kN

(7)D軸柱縱向集中荷載的計算

頂層柱：

恒荷載=2.860kN/mX9.Om+3.625kN/mX(9.0m-0.55m+2.HkN/mX6.6mX1/4X2

+4.926kN/mX5/8X2.25mX4.5mX2+4.926kN/mX(1-2X0.342+0.343)X2.25mX

(6.6m+0.275m)X1/2X2=187.248kN

活荷載=2.OkN/mX5/8X2.25mX4.5mx2+2.OkN/mX(1-2X0.342+0.343)X2.25mX

(6.6m+0.275m)X1/2X2=49.995kN

標準層柱：

恒荷載=42.884kN+3.625kN/mX(9.0m-0.55m)+2.llkN/mX6.6mX1/4X2+3.49kN/mX

5/8X2.25mX4.5mx2+3.49kN/mX(1-2X0.342+0.343)X2.25mX(6.6m+0.275m)X

1/2X2=168.268kN

活荷載=2.5kN/mX5/8Xl.5mx3.0mX2+2.5kN/m2X(1-2X0.234+0.234)X1.5mX

(6.0m+0.25m)X1/2X2=62.887kN

在豎向作用力下框架受力如圖3.