框架教学楼毕业设计
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. . 引 言 作为四年大学里最后一个学习环节,毕业设计是至关重要的,起到了承前启后的作用，毕业设计是把在课堂学到的专业知识运用到工程实践上去,为即将踏上工作岗位以及进一步深造作好强实的基础。和其他学习环节不同，毕业设计是在我们指导老师的指导下，独立系统地完成一项工程设计，解决与之相关的所有问题，熟悉相关设计规范、手册、标准图以及工程实践中常用的方法，具有实践性、综合性强的显著特点。因而对培养我们的综合素质、增强工程意识和创新能力具有其他教学环节无法代替的重要作用。 本论文的内容是中国矿业大学南湖校区框架结构教学楼设计，侧重于结构计算，考虑结构的抗震设计，以此介绍框架结构体系的基本设计计算方法。 框架结构体系一般在教学楼和办公楼中被广泛应用，其特点是由梁、柱承受竖向和水平荷载，墙仅起维护作用，其整体性和抗震性均好于混合结构，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。需要时，可用隔断分隔成小房间，或拆除隔断改成大房间。如果采用轻质隔墙和外墙，就可大大降低房屋自重，节省材料。框架结构构件类型少，易于标准化、定型化；可以采用预制构件，也易于采用定型模板而做成现浇结构，有时还可以采用现浇柱及预制梁扳得半现浇半预制结构。现浇结构的整体性好，抗震性能好，在地震区应优先采用。 在设计中，一方面要把所学的知识运用到设计、施工中去，熟悉国家有关规范、条例和规程并知道如何去查找规范里的相关条文；另一方面，由于现代化建筑一般都具有密度大，高度高，功能多，设备复杂，装修豪华，防火要求和管理自动化水平高，需要各工种交叉配合。因此，通过这次毕业设计，扩大非本专业知识面也是十分重要的。 由于毕业设计是一种初步的尝试，涉及专业比较多，加上条件和水平所限，不可避免地存在疏漏与错误，敬请老师批评指正。
1. 文献综述 现代高层建筑是随着社会生产的发展和人们生活的需要而发展起来，是商业化、工业化和城市化的结果。而科学技术的进步、轻质高强材料的出现以及机械化、电气化、计算机在建筑中的广泛应用等，又为高层建筑的发展提供了物质和技术条件。20世纪90年代以后，随着我国钢材产量的不断提高，钢一混凝土组合结构在建筑行业得到了迅速发展，随着建筑造型和建筑功能要求日趋多样化，无论是工业建筑还是民用建筑都有很广泛的应用。 多层及高层建筑的结构体系大致有混合结构体系、框架结构体系、剪力墙结构体系、筒体结构体系、巨型结构体系。混合结构的承重墙体往往随建筑高度的增加而加厚，不仅耗费大量材料，也减少了使用面积，因此多层与小高层常采用框架结构体系。 框架结构特别适合于在办公楼、教学楼、公共性与商业性建筑、图书馆、轻工业厂房、公寓以及住宅类建筑中采用，是多层、高层建筑的一种主要结构形式。 . . 框架结构是一种古老的结构形式，它的历史可以追溯到原始社会。当原始人由穴居而转人地面居住时，就逐渐学会了用树干、树枝、兽皮等材料搭成类似于后来北美印第安人式的帐篷，这实际上就是一种原始的框架结构。 框架结构的最大特点就是把承重的骨架和用来围护分隔空间的帘幕式墙面明确地分开，这可能是因为人们在长期的实践中逐渐地认识到有的材料虽然具有良好的力学性能，但却不适宜用来防风避雨，而另一些材料正好具有这方面的特长，因而分别选用前一种材料当作承重骨架，然后再用后一种材料覆盖在骨架上，从而形成一个可供人们栖息的空间。 典型的印第安人式帐篷的骨架是由许多根树干和树枝做成的，树干的下端插入地下，上端集中在一起，四周覆以兽皮或人工纺织的席子，这样就形成了一个圆锥形的空间。这种原始的帐篷结构极其简单，内部空间狭小局促，人在其中生活会受到很多的限制。 我国古代建筑所运用的木构架也是一种框架结构，它具有悠久的历史，据估计这种梁系统的结构早在公元二世纪的汉代就己经趋于成熟。由于梁架承担着屋顶的全部荷载，而墙仅起维护空间的作用，因而可以做到“墙倒屋不塌”。 除木材外，用砖石也可能砌筑成为框架结构的形式。13-15世纪在欧洲风行一时的高直式建筑所采用的正是一种砖石框架结构。高直式教堂所采用的尖拱拱肋结构，无论从形式或受力状态上看都不同于罗马时代的筒形拱或弯窿。它的最大特点是把拱面上的荷载分别集中在若干根拱肋上，再通过这些交又的拱肋把重力汇集于拱的矩形平面的四角，这样就可以通过极细的柱墩把重力传递给地面。高直式教堂就是以重复运用这种形式的基本空间单元而形成宏大的室内空间的。 近代框架结构的应用，不仅改变了传统的设计方法，甚至还改变了人们传统的审美观念。采用砖石结构的古典建筑，愈是底层，荷载愈大，墙也愈实愈厚，由此形成了一条关于稳实的观念—上轻下重、上小下大、上虚下实，而违反了这些原则就会使人产生不愉快的感觉。采用框架结构的近现代建筑，由于荷载全部集中在立柱上，底层无须设置厚实的墙壁，而仅仅依靠立柱就可以支托建筑物的全部荷载，因而它可以根本无视这些原则，甚至还可以把这样原则颠倒过来—采用底层透空的处理手法，使建筑物的外形呈上大下小或上实下虚的形式。 采用框架结构的近代建筑，由于荷载的传递完全集中在立柱上，这就为内部空间的自由灵活分隔创造了十分有利的条件，现代西方建筑正是利用这一有利条件，打破了传统六面体空间观念的束缚，以各种方法对空问进行灵活的分隔，不仅适应了复杂多变的近代功能要求，同时还极大地丰富了空间的变化，所谓“流动空间”正是对传统空间观念的一种突破。 由于钢筋混凝土框架结构的快速发展，我国建国解放以来建造了许多钢混结构的建筑物，例如北京的长城饭店，长城饭店是中国国际旅行社北京分社与美国伊沈建设发展有限公司合资建设和经营的高级旅游饭店。该饭店是美国贝克特国际公司设计，由北京市六建公司、机械施工公司、设备安装公司、市政三公司、房修二公司、园林局修建公司和花木公司联合建设施工的。工程占地1.5万平方米，建筑总面积82459万平方米。全组建筑呈“Y”字型，中心塔楼22层，高82.85米，周围分三翼，为18层。全部为柔性框架抗震结构。外墙饰面采用反射片式冷光玻璃，晶莹光亮，犹如水晶宫一般，有“玻璃大厦”之 . . 称。 在当前的发展趋势中，更为合理的是同时采用钢和钢筋混凝土材料的混合结构。这种结构可以使两种材料互相取长补短，取得经济合理、技术性能优良的效果。目前有这两种组合方式： （1）用钢材加强钢筋混凝土构件。钢材放在构件内部，外部有钢筋混凝土做成，成为钢骨（或型钢）混凝土构件。也可以在钢管内部填充混凝土，做成外包钢构件，成为钢管混凝土。前者可充分利用外包混凝土的刚度和耐火性能，又可利用钢骨减小构件断面和改善抗震性能，现在应用比较普遍。 （2）部分抗侧力结构用钢结构，另一部分采用钢筋混凝土结构（或部分采用钢骨混凝土结构）。这种结构可成为混合结构，多数情况下使用钢筋混凝土做筒（剪力墙），用钢材做框架梁、柱。例如：上海静安希尔顿饭店就是这种混合结构。香港中国银行则是另一种混合方式，它采用钢骨混凝土角柱，而横梁及斜撑都采用钢结构。被称为中华第一楼的上海金茂大厦，就是采用钢筋混凝土做核心筒，外框用钢骨混凝土柱和钢柱的混合结构。深圳地王大厦也是用钢筋混凝土做核心筒，外框为钢结构的混合结构 。 除钢筋混凝土外，钢材也是一种比较理想的框架结构材料。与钢筋混凝土相比，钢材强度高、韧性大、易于加工;高层钢结构具有决构断面小、自重轻、抗震性能好等优点；钢结构构件可在工厂加工，能缩短现场施工工期，施工方便。但钢材的防火性能差，用钢材做框架还必须用不易燃的材料把它包裹起来，这也会给设计带来许多麻烦。钢筋混凝土主要缺点是构件断面大，占据面积达、自重大。但是钢筋混凝土结构造价较低，且材料来源丰富，并可以浇筑成各种复杂断面形状，还可以组成多种结构体系；可节省钢材，承载能力不低，经过合理设计，可获得较好的抗震性能。因为两者各有所长，目前世界各国的情况不同，有的主张用钢框架，有的则主张用钢筋混凝上框架。就我国的情况来讲，由于钢的产量不足，成本较高一般均采用钢筋混凝土框架。 框架结构是由梁、柱、节点及基础组成的结构形式，横梁和柱，通过节点连为一体，形成承重结构，将荷载传至基础，整个房屋全部采用这种结构形式的称为框架结构或纯（全）框架结构，框架可以是等跨或不等跨的，也可以是层高相同或不完全相同的，有时因工艺和使用要求，也可能在某层抽柱或某跨抽梁，形成缺梁、缺柱的框架。 框架结构体系是由竖向构件的柱子与水平构件的梁通过节点连接而成的，既承担竖向荷载，又承担水平荷载的结构。横梁和立柱通过节点连成一体，形成承重结构，将荷载传至基础。其特点是承重系统与非承重系统有明确的分工，支承建筑空间的骨架与梁，柱是承重系统，而分割室内外空间的围护结构和轻质隔墙是不承重的，这种结构形式强度高，整体性好刚度大，抗震性好，开窗自由。 这种结构体系的优点是建筑平面布置灵活，能获得较大的使用空间，建筑立面容易处理，可以适应不同的房屋造型。同时，在结构性能方面，框架结构属于柔性结构，自振周期较长，地震反应较小，经过合理的结构设计可以具有较好的延性性能，成为“延性框架”。 框架结构侧向刚度较小，当层数过多时，会发生过大的侧移，易引起非结构构件破坏而不能满足使用要求。框架结构是柔性结构，有水平位移，房屋的总水平位移越大，人的感觉越不舒服，而层间位移会影响建筑物的装修和隔墙开裂，由于框架结构层间变形较大， . . 在地震区，高层框架结构带来的另一严重问题是，容易引起非结构构件的破坏，因而对这两种水平位移进行限，这样在设计中要增大房屋的抗侧刚度。框架抗侧刚度主要取决于梁、柱的截面尺寸。通常梁柱截面惯性矩小，侧向变形较大，这是框架结构的主要缺点，也因此而限制了框架结构的使用高度。 同时由于框架构件截面较小，抗侧刚度较小，在强震作用下结构整体位移和层间位移都较大，容易产生震害。在框架结构的抗震设计中，柱顶、柱底、梁端易出现裂缝。但是框架梁的裂缝宽度验算往往被工程设计人员忽视，对此应引起注意。影响裂缝宽度的主要因素有两方面。一是混凝土强度等级，二是钢筋的级别和直径。对于普通的混凝土构件，混凝土强度等级的提高对梁的裂缝宽度影响不大，一般情况宜采用增大梁的配筋率或增大梁的截面尺寸的方法来减小梁的裂缝宽度。另外，要注意的是在用计算机辅助软件进行计算时，一定要将恒、活荷载分开来输入，以便正确进行内力组合和裂缝宽度计算。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。因而其主要适用于非抗震区和层数较少的建筑，抗震设计的框架结构除需加强梁、柱和节点的抗震措施外，还需注意填充墙的材料以及填充墙与框架的连接方式等，以避免框架变形过大时填充墙的破坏。 但是随着结构高度增加，水平作用使得框架底部梁柱构件的弯矩和剪力显著增加，从而导致梁柱截面尺寸和配筋量增加，到一定程度，将给建筑平面布置和空间处理带来困难，影响建筑空间的正常使用，在材料用量和造价方面也趋于不合理。当有变形性能良好的轻质隔断及外墙材料时，钢筋混凝土框架可建造到30层左右，但在我国目前的情况下，框架结构建造高度不宜太高，以15-20层以下为宜。 当柱为正方形或接近正方形，或楼面荷载较大的情况下，可采用纵横向承重方案，这时楼面常为现浇双向板楼盖或井字梁楼盖，两个方向的框架同时承受竖向荷载和水平荷载。 在框架结构的设计方面， 木工程中出现以来，随着生产实践的经验积累和科学研究的不断进步，钢筋混凝土框架结构的设计方法在不断的发展和完善，先后经历了容许应力设计方法、破损阶段设计方法和极限状态设计方法。 容许应力法以线弹性设计方法为基础，要求在使用荷载作用下构件截面的应力不大于容许应力，截面应力按线弹性设计方法求出，容许应力是用材料的强度除以安全系数求得。容许应力法仅考虑材料的弹性性质，容许应力取值也无科学依据，框架结构设计是否安全可靠无法用实验来验证。 破损阶段法以塑性设计方法为基础，要求在使用荷载作用下构件截面的内力不大于破坏时内力除以某一安全系数，破损阶段法使构件有了总的安全度的概念，可以说它开创了一个新局面。但它仍存在一些重大的缺点:只保证了构件的强度，但却无法了解构件正常使用是否满足要求;安全系数取值仍须经验，并无严格科学依据;单一安全系数不能对不同荷载、材料、构件区别对待，从而正确地度量框架结构的安全度。 极限状态法是破损阶段的发展，它规定了框架结构的极限状态，并把单一安全系数改为三个分项系数，即荷载系数、材料系数和工作系数，从而把不同荷载、材料、构件区别对待，使构件具有比较一致的安全度。 从本质上讲，破损阶段设计法和极限状态设计法中的承载力极限状态设计所依据的都
