苏州金鸡湖小学教学楼结构设计文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

1、框架结构

框架结构是目前工程中最为常用的结构体系，除了单独应用于单层和多层房屋外，还经常与墙结构、筒结构等其它竖向结构体系组成复合框架结构。框架结构体系平面布置灵活、内部空间大、自重轻，但其侧向刚度较小，不适合用于建造高层建筑。

框架结构按其结构材料可分为钢框架、混凝土框架和钢-混凝土组合框架。钢框架结构所使用的钢梁、钢柱在工厂预制，运送到施工现场后再组拼成整体框架。钢框架具有自重轻、抗震性能好、施工速度快、机械化程度高等优点，但耐腐和耐火性较差，造价也比混凝土框架高。混凝土框架结构的可模性好，可以适应不同平面形状的要求，且造价相对较低，耐久性能好。但混凝土框架结构的现场施工量大、模板消耗量大、工期较长，同时也给环境带来了较大的压力。混凝土框架按其施工方法可分为现浇框架、装配式框架及装配整体式框架。现浇框架的整体性及抗震性能较好；装配式框架可实现构件的标准化，且工厂批量生产使得成本降低，但其抗震性能弱、整体性差，不宜在抗震设防区使用；装配整体式框架的部分梁、柱为预制构件，在吊装就位后焊接或绑扎节点区钢筋并浇捣混凝土，使得梁、柱形成整体结构，其兼具现浇框架和预制框架的优点但施工过程相对复杂。钢-混凝土组合框架结构的梁、柱由钢和混凝土组合而成，其中组合梁可分为内置型钢的混凝土构件和混凝土翼板与钢梁组合而成的构件，组合柱也可分为型钢混凝土柱和钢管混凝土柱。

1. 抗震设计方法

目前我国《建筑抗震设计规范》中提出的建筑物基本的抗震设防目标，即“三个水准”如下：

1）当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，建筑物—般不受损坏或不需修理仍可继续使用；

2）当遭受本地区抗震设防烈度的地震影响时，建筑物可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用；

3）当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。即建筑物抗震设防的目标就是要做到“小震不坏，中震可修，大震不倒”。

为达到上述三点抗震设防目标，可以用多遇烈度、基本烈度和罕遇烈度这三个地震烈度水准来考虑。

为实现上述三个地震烈度水准的抗震设防要求，《抗震规范》提出了两阶段抗震设计方法。第一阶段设计是在方案布置符合抗震设计原则的前提下，按与基本烈度相对应的众值烈度的地震动参数，用弹性反应谱法求得结构在弹性状态下的地震作用效应并与其它荷载效应组合，对结构构件进行承载力验算和变形验算。这样可以保证第一水准下必要的承载力可靠度，同时满足第二水准损坏可修的设防要求，然后再通过概念设计和构造措施来满足第三水准的设防要求。对大多数结构，一般可只进行第一阶段的设计。对于《抗震规范》所规定的部分结构，如有特殊要求的建筑和地震时易倒塌的结构，还要进行第二阶段的设计，即在罕遇地震烈度作用下，验算结构薄弱层的弹塑性层间变形，以保证其满足第三水准大震不倒的设防要求。

1. 方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：

1、结构选型

综合考虑本工程建筑高度、结构体形及使用功能等多方面的要求，本工程主体结构采用现浇钢筋混凝土框架结构体系。主要理由如下：

1. 本工程建筑最高五层不超过18m，若采用抗震墙结构则结构性能远超出功能需求。
2. 本工程平面结构较复杂，各层之间平面布置有所差异，故砌体结构不能很好地满足本结构的功能需求。而框架结构平面布置灵活，可满足功能要求；
3. 框架结构自重轻，地震作用相对较小，可满足本工程所在地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g的要求。因本工程建筑使用用途为小学教学楼，抗震设防类别为乙类，故建筑抗震设防烈度提高一度进行设计。

本工程工程地质条件良好，同时为减小对周围土体环境的影响，采用钻孔灌注桩基础形式。

2、结构布置

2.1 抗震缝的设置

本工程结构南侧部分为五层教学办公楼，高度17.9m；北侧为四层教学楼，高13.9m（均从底层地面算起）。结构有两个转角，故原计划设置两道抗震缝，但为施工方便，提高结构整体性，同时增强自身对结构扭转问题的理解，在导师的建议下改为仅设一道缝，用以隔离结构高度不同的两部分。现将南侧五层部分称为1号楼，北侧四层部分称为2号楼。

根据《建筑抗震设计规范》，框架结构房屋的抗震缝宽度，当高度不超过15m时不应小于100mm；高度超过15m时，6度、7度、8度和9度分别每增加高度5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm。本工程抗震缝两侧互相影响部分高度为13.9m，故抗震缝宽度不小于100mm即满足要求。现取抗震缝两侧轴线距离600mm，净宽度125mm。

2.2 结构平面布置

本工程建设场地抗震设防烈度较高，采用纵横向框架结构形式。1号楼横向3跨，纵向最高7跨；2号楼侧楼横向2跨，纵向最高7跨，主楼横向3跨，纵向最高6跨。同时根据各层使用功能优化结构传力路径，在各功能分区隔墙处设置次梁。

1号楼框架主梁的跨度可分为8000mm、6800mm、4400mm、4300mm、4200mm、2575mm与2400mm，次梁跨度可分为8000mm、6800mm、4425mm与2400mm。

2号楼侧楼框架主梁的跨度可分为8300mm、7500mm、5400mm、4500mm、3000mm与2800mm，次梁跨度可分为5400mm与3000mm；

2号楼主楼框架主梁的跨度可分为9000mm、7100mm、6700mm、5300mm与3500mm，次梁跨度均为7100mm。

1号楼顶楼报告厅平面尺寸16m*16m，采用井字楼盖结构，边梁跨度可分为8000mm、6800mm与2400mm。

3、主要构件截面尺寸估算

3.1 板厚估算

《混凝土结构设计规范》对现浇混凝土板的跨厚比及最小厚度规定如下：对于板的跨厚比，钢筋混凝土单向板不大于30，双向板不大于40；对于板的最小厚度，单向板作屋面板时最小厚度为60mm，单向板作民用建筑楼板时最小厚度为60mm，双向板的最小厚度为80mm。

根据各楼面板、屋面板的划分可知，本设计中大部分均为双向板。楼面双向板的最大跨度为4400mm，hge;4400/40mm=110mm。为方便施工，将各楼面厚度均取为120mm，屋面板厚度取为140mm。

3.2 梁截面尺寸估算

3.2.1 主梁

一般情况下，框架主梁高度可按高跨比来初步确定，即主梁的截面高度可取跨度的1/12至1/8。本工程中所涉及的纵向主梁主要跨度有9000mm、8300mm、8000mm、7500mm等，横向主梁主要跨度有7100mm、7000mm、6800mm等，则主梁高度取：

9000*（1/12~1/8）=750~1125mm

7500*（1/12~1/8）=625~937.5mm

7100*（1/12~1/8）=592~887.5mm

6800*（1/12`1/8）=567~850mm

考虑施工的便捷性等因素，对于纵向主梁均取截面高度为H=800mm，对于横向主梁均取截面高度为Hrsquo;=750mm。而梁的截面宽度可近似取截面高度的1/3至1/2，且不宜小于200mm，则主梁截面宽度取：

B=(1/3~1/2)*800=267~400mm

Brsquo;=(1/3~1/2)*750=250~375mm

故取主梁截面宽度为B=300mm，Brsquo;=250mm。即纵向主梁截面尺寸取300mm*800mm，横向主梁截面尺寸取250mm*750mm。

3.2.2 次梁

次梁的截面尺寸可近似取跨度的1/18至1/12.本工程中次梁跨度主要有8000mm、7100mm、5400mm等，则次梁截面高度可取：

8000*（1/18~1/12）=444~667mm

5400*（1/18~1/12）=300~450mm

考虑施工方便，次梁截面高度均取500mm，则次梁截面宽度为：

500*(1/3~1/2)=167~250mm

故取次梁截面宽度为200mm，即次梁截面尺寸为200mm*500mm。

3.2.3 井字梁

井字梁的截面高度可近似取跨度的1/15~1/20，其跨度为16000mm，故截面高度初步取16000/20=800mm。截面宽度可近似取高度的1/4~1/3，为800*（1/4`1/3）=200~267mm。现取其截面尺寸为250mm*800mm。

井字梁格间距宜在1.2~3m之间，现取其间距为2m。

3.2.4 框架柱截面尺寸估算

对于抗震设防地区，柱的截面面积一般由轴压比限值控制。本工程抗震设防烈度为8度，且建筑高度为17.9m，小于24m，因此根据《建筑抗震设计规范》，本框架结构抗震等级为二级，轴压比要求满足N/f_cA≦0.75。 此外，柱的截面宽度和高度均不宜小于300mm，截面高度与宽度的比值不宜大于3；圆柱的直径不宜小于350mm。

估算框架柱的截面尺寸时可先按负荷面积估算柱在竖向荷载下的轴力N_c（一般可近似取荷载基本组合值N_c=12kN/m2~18kN/m2）；然后取N=(1.2~1.4)N_c；最后根据轴压比的要求估算出截面积。对于本工程中的框架柱设计，取Nc=15kN/m²，抗震等级为二级，轴压比限值mu;_N为0.75，取N=1.3N_c，混凝土采用C30等级，f_c=14.3N/mm2。考虑该工程建设场地抗震设防烈度较高，估算柱截面尺寸时可适当放大。

1）1号楼一层角柱

其平面内最大负荷面积为（6.8/2）*（7/2）=11.9m²，故其截面尺寸限值为：

N=1.3*N_c=1.3*15*11.9*5=1160.25kN

Age;N/（f_c*mu;_N）=1160.25*10³/（14.3*0.75）=108182mm²

2）1号楼一层边柱

其中第三榀框架柱由于顶层为报告厅，抽掉了中间两柱，故对此进行计算。其最大负荷面积为8*（6.8/2）*4 8*（6.8 2.4/2）=172.8m2，截面尺寸限值：

N=1.3*N_c=1.3*15*172.8=3369.6kN

Age;N/（f_c*mu;_N）=3369.6*10³/（14.3*0.75）=314182mm²

对此边柱初步取截面尺寸为600mm*600mm。

其他边柱最大平面负荷面积为（4.3/2 8/2）*（6.8/2）=20.91mm2，其截面尺寸限值：

N=1.3*N_c=1.3*15*20.91*5=2038.725kN

Age;N/（f_c*mu;_N）=2038.725*10³/（14.3*0.75）=190091mm²

对边柱及角柱初步取截面尺寸为500mm*500mm。

3）1号楼一层中柱

对于顶层抽柱的框架柱，其最大负荷面积为8*（6.8/2 2.4/2）*4=147.2m2；对于其他中柱，其最大负荷面积为[（8/2 4.3/2）*（6.8/2 2.4/2）]*5=141.45m2，按前者计算其截面尺寸限值：

N=1.3*N_c=1.3*15*147.2=2870.4kN

Age;N/（f_c*mu;_N）=2870.4*10³/（14.3*0.75）=267636mm²

对中柱初步取截面尺寸为550mm*550mm。

4）2号楼一层角柱

其平面内最大负荷面积为（6.7/2）*（7.1/2）=11.9m2，故其截面尺寸限值为：

N=1.3*N_c=1.3*15*11.9*4=928.2kN

Age;N/（f_c*mu;_N）=928.2*10³/（14.3*0.75）=86545mm²

5）2号楼一层边柱

其平面内最大负荷面积为9*（7.1/2）=31.95m2，故其截面尺寸限值为：

N=1.3*N_c=1.3*15*31.95*4=2492.1kN

Age;N/（f_c*mu;_N）=2492.1*10³/（14.3*0.75）=232364mm²

对边柱及角柱初步取截面尺寸为500mm*500mm。

6）2号楼一层中柱

其平面内最大负荷面积为9*（7.1/2 3.5/2）=47.7m2，故其截面尺寸限值为：

N=1.3*N_c=1.3*15*47.7*4=3720.6kN

Age;N/（f_c*mu;_N）=3720.6*10³/（14.3*0.75）=346909mm²

对中柱初步取截面尺寸为600mm*600mm。

1. 结构优化及调整

根据电算及手算结果，对结构进行相应优化及调整。

1. 由于层间位移角超过框架结构限值1/550，对于1号楼一、二层，西侧三榀框架柱截面尺寸调整为500mm*550mm，其主梁尺寸均取为300mm*800mm。此二层其他框架柱均取为500mm*500mm，调整后Y向层间位移角为1/660左右，满足要求；
2. 根据电算结果，二层以上楼层框架柱实际轴压比很小，远远低于0.75，为节省成本对柱截面尺寸进行减小处理。西侧两榀框架柱尺寸取为450mm*500mm，第三榀柱取为500mm*550mm，其余均取450mm*450mm；
3. 对于井字楼盖，边梁容易发生剪扭超限的问题，其截面尺寸应适当增大，将其调整为350mm*850mm；且井字梁与边柱的距离不宜过近，为避开边柱，将井字梁的X向间距调整为2285.7mm（即将跨度七等分）；
4. 顶层悬挑部分屋面板厚度过大时，将会向井字楼盖边梁内传递过大剪力并使之产生剪扭超限的问题，故将此部分屋面板厚度调整为100mm；
5. 由于2号楼平面结构极其不规则，其在水平力作用下存在结构扭转的问题。现将其侧楼部分柱截面尺寸调整为450mm*500mm，主楼部分边柱截面尺寸调整为500mm*550mm，而内柱轴压比远低于0.75，故将截面尺寸减小为500mm*550mm。