框架结构毕业设计
毕业设计
题 目 莱钢大学办公楼设计
学 院 土木建筑学院
专 业
班 级 土木 1107
学 生
学 号 [1**********]
指导教师 林 明 强
二〇一 五 年 六 月 一 日
摘 要 本次设计为多层办公楼设计,设计结合现代的生活观念,建立“整合设计”的感念,突出“以人为核心”的设计理论,本结构采用框架结构,平面灵活,使用性强,从结构上做到为人们创造方便舒适的办公空间。
本次设计包括建筑设计和结构设计。该设计主要采用的是框架结构,结构型式采用现浇钢筋混凝土框架结构,楼面采用现浇钢筋混凝土板。基础根据场地情况选择浅基础。
结构设计方面,首先是根据建筑技术、使用条件、场地条件和抗震设计等要求,合理进行结构选型、结构布置和基础形式等,绘制结构布置图;然后进行结构计算,采用框架结构近似计算法,求竖向荷载作用下的内力用弯矩叠代法;求水平荷载作用下的内力时,有D值法等。求水平地震作用的时候采用底部剪力法。然后进行结合所学过的知识、通过查阅参考资料初步设计,再交指导老师审查,审查通过后,利用AutoCAD 或天正完成绘图,利用Excel、word等完成设计说明书及其他内容的编写。
关键词:框架结构;办公楼;荷载计算
ABSTRACT
The design for the multilayer office building design, combined with modern concept of life, to establish a "integrated design" concept, highlight the design theory of "human -centered", this structure adopts frame structure, planar flexible, strong usability, from the structure to create convenient and comfortable office space for people. The design includesarchitectural design and structural design.
This design mainly adopts frame structure, structural type using cast-in-place reinforced concrete frame structure, floor using cast-in-place reinforced concrete slab. According to site condition choose shallow foundation.
Structure design, first of all is according to the construction technology, using conditions and site conditions and seismic design requirements, such as reasonable structure type selection, structure arrangement and foundation forms, etc., draw the structure arrangement; Then structure calculation, using the approximate calculation method of frame structure, internal force under the vertical load with bending moment iterative method; Find the internal force of horizontal loads, D value method, etc. O the bottom shear method is used to horizontal seismic action. Then combined with the learned knowledge, through the check resources for preliminary design, to guide teacher review again, after review by the use of AutoCAD or was complete drawing, use of Excel, word, etc to complete the design specification and other content to write.
Key words: frame structure; Office building; The load calculation
目 录
摘要.....................………….………….……………………..….……...…..….………...I ABSTRACT........………….……..……………………..….……...…..….…….II
1 前言.....................………….………….……………………..….……...…..….………....1 2设计资料......................……..….………………………….…..….………….2 3结构布置及计算简图........……..….………………………….…..….………….5
3.1结构布置…………………………….………………...………………..5
3.2结构选型…………………………….………………...………………..5
4荷载计算..........………….………….……………………..….……...…..….………....7
4.1恒荷载计算…………………….………………………...………………..7
4.2活荷载计算…………………….………………………...………………..9
4.3风荷载计算…………………….………………………...………………..10
4.4重力荷载代表值计算………….………………………...………………..11
5内力分析..........………….………….……………………..….……...…..….………....15
5.1水平地震作用下内力计算.…...……….………………...………………..15
5.2恒荷载作用下内力计算…….…………………………...………………..23
5.3活荷载作用下内力计算…….…………………………...………………..30
5.4风荷载作用下内力计算…….…………………………...………………..36
6内力组合…………………….……………………..….……...…..….………....39
6.1梁柱内力组合.........………………….………………...………………..39
6.2梁柱内力调整.........………………….………………...………………..40
7框架梁柱截面设计………….……………………..….……...…..….………....45
7.1框架梁截面设计…………………….……………………...………………..45
7.2框架柱截面设计…………………….……………………...………………..54
8板的结构设计….………....……………………..….……...…..….………....66
8.1计算简图.........……………………….……………………...………………..66
8.2楼面板设计…...……….…………….……………………...………………..66
8.3屋面板设计…...……….…………….……………………...………………..68
9楼梯设计…………………….……………………..….……...…..….………....71
9.1平面布置图…...……….…………….……………………...………………..71
9.2梯段板设计…...……….…………….……………………...………………..71
9.3平台板设计…...……….…………….……………………...………………..72
9.4平台梁设计…...……….…………….……………………...………………..73
结论......................………….………….……………………..….……...…..….………...75 参考文献......................…………….…………………..….…..…………….………….76 致谢......................………………….……………………..…….…………...………….77
1 前言
框架结构体系的优点是:建筑平面布置灵活,能获得较大的空间;建筑立面容易处理,结构自重较轻;计算理论比较成熟;在一定高度范围内造价较低,目前在多高层房屋建筑中应用十分广泛。其缺点是:侧移刚度较小,在地震作用下非结构构件(如非填充墙、建筑装饰等)破坏较严重。因此,采用框架结构时应控制建筑物的层数和高度。设计中需要考虑到建筑抗震要求、结构构件的变形以及施工的方便性等问题。
为了使设计能够满足钢筋混凝土框架结构设计规范的要求,我们需要熟悉钢筋混凝土结构设计的全过程,需要充分理解钢筋混凝土结构基本理论、基本方法。本次毕业设计系统、全面地帮助我们对四年来所学专业知识进行了一次复习与巩固,使我们对结构设计的宏观理解上了一个层次,对专业知识的应用更加熟练,独立钻研与动手能力得到强化。本设计共包含九个部分,分别为:设计资料、结构布置及计算简图、荷载计算、内力计算、内力组合、梁柱截面设计、板结构设计、楼梯结构设计。
由于个人水平能力有限,设计中难免有错误与不妥之处,希望得到各位老师与同学的批评指正。
2 设计资料
本设计为五层的钢筋混凝土框架结构,主要设计资料如下:
2.1标高设计
标高±0.000,室内外高差450 mm。
2.2 气象资料
一月份全年最冷月平均气温:-8℃,七月最热月平均气温:32℃。
历年平均降水量:613 mm ,夏季平均降水量:424.8 mm ,年最大降水量:1142.6 mm 。 基本风压:0.4 kN/㎡;主导风向:冬季:西北,夏季:东南。
基本雪压:0.35 kN/㎡;最大冻深:300mm。
2.3 工程地质与水文地质资料
地基允许承载力 R=150 kN/㎡,土类型为一般粘土,Ⅱ类场地,最高地下水位:自然地面以下12m 。
2.4 抗震烈度
抗震设防烈度为7 度,地震分组为第二组,三级抗震要求。
2.5 墙身做法
外墙采用彩色聚氨酯外保温墙面(加气混凝土墙):厚370
①刷混凝土界而处理剂一道;
②6厚1:3 水泥砂浆打底扫毛;
③7厚1: 2.5 水泥砂浆找平扫毛;
④1.5厚聚氨酯胶粘贴30厚发泡聚氨酯块500 ×300(胶的配比:A 料:B料=1:4); ⑤7厚聚合物砂浆保护层,配比: 胶料:粉料=1: 4(重量比);
⑥刷外墙涂料
备注:(1) 碎拼大理石颜色设计人定。,选定块材边长不大于300,厚度应 一致;(2)镶贴厚度不大于20;(3)设计有图案时,应先贴图案部分。
内墙采用水泥砂浆抹面(加气混凝土墙):厚240
①刷混凝土界面处理剂一道;
②5厚1 : 3 水泥砂浆打底扫毛;
③ 9厚1 : 1 : 6 水泥石灰膏砂浆扫毛;
④ 6厚1 : 2 . 5 水泥砂浆压实抹光;
⑤喷内墙涂料或刷油漆。
备注:涂料或油漆品种、颜色由设计人定。
2.6 楼面做法
彩色釉面地瓷砖楼面:
①120厚现浇钢筋混凝土楼板;
②20厚素水泥浆一道;
③20厚1:2水泥砂浆找平层;
④3厚T910地板胶粘剂粘贴彩色釉面地瓷砖,稀水泥浆填缝。
备注:⑴彩色釉面砖规格、颜色由设计人定;⑵胶粘剂也可采用其它合格产品。
2.7 屋面做法
平瓦保温屋面(混凝土板基层):
①120厚现浇钢筋混凝土屋面板;
②100-160厚(2%找坡)水泥膨胀珍珠岩;
③20厚1:3水泥砂浆;
④三层油毡防水层;
⑤100厚憎水膨胀珍珠岩块;
备注:⑴适用于防水等级为Ⅱ、Ⅲ级的屋面;⑵防水材料也可采用LM防水涂料。
2.8 门窗做法
(1)门采用的材料:首层大厅门及走道最东侧和最西侧采用玻璃门,其余的均为实木门
(2)窗采用的材料:均采用铝合金窗
2.9 活荷载
1、办公室
根据建筑结构荷载规范,办公楼办公室的可变荷载标准值取2.0KN/m2。
2、洗手间
根据建筑结构荷载规范,办公楼洗手间的可变荷载标准值取2.5KN/m2。
3、走道
根据建筑结构荷载规范,办公楼走道的可变荷载标准值取2.5KN/m2。
4、楼梯间
根据建筑结构荷载规范,办公楼楼梯间的可变荷载标准值取3.5KN/m2。
5、屋面
根据建筑结构荷载规范,办公楼的不上人屋面可变荷载标准值取0.5KN/m2。
6、会议室
根据建筑结构荷载规范,办公楼会议室的活荷载标准值取2.5KN/m2。
2.10 所用材料
1、板:混凝土:采用C30级,fc = 14.3 N/mm2 ,ft = 1.43 N/mm2;钢筋:采用
HPB300,fy = f'y =270 N/mm2 ;HRB400,fy = f'y =360 N/mm2 。
2、梁:混凝土:采用C30级,fc = 14.3 N/mm2 ,ft = 1.43 N/mm2;纵向受力钢
筋:采用HRB400,fy = f'y =360 N/mm2;箍筋:采用HPB300级,fy = f'y =270 N/mm2 。
3、柱:混凝土:采用C30级,fc = 14.3 N/mm2 ,ft = 1.43 N/mm2;纵向受力钢
筋:采用HRB400,fy = f'y =360 N/mm2;箍筋:采用HPB300级,fy = f'y =270 N/mm2 。
3 结构布置及计算简图
3.1 结构布置
根据任务书及场地条件的要求,莱钢大学办公楼设计选用横向框架承重结构体系。柱间距离分别如下:纵向:4800mm;横向:6600mm(边跨),2400mm(中跨),平面布置如图2-1。各构件混凝土强度等级均为C30;钢筋型号见具体各构件计算书。
图3.1 柱网尺寸图(单位:mm)
3.2 结构选型
3.2.1 梁板柱截面初选
3.2.1.1 梁截面初选
(1)边跨横梁(AB跨和CD跨):
梁高为h=(1/12~1/8)L=(1/12~1/8)×6600 =(550~825)mm,初选取值h =600mm 梁宽为b=(1/3~1/2)h=(1/3~1/2)×600 =(200~300)mm,初选取值b=300 mm
(2)中跨横梁(BC跨):
梁高为h=(1/12~1/8)L=(1/12~1/8)×2400=(200~300)mm,初选取值h=500mm 梁宽为b=(1/3~1/2)h=(1/3~1/2)×500 =(167~250)mm,按构造要求初选取值b=250mm
(3)纵向连系梁:
梁高为h =(1/18~1/12)L =(1/18~1/12)×4800 =(267~400)mm,初选取值h =500 mm
梁宽为b =(1/3~1/2)h (1/3~1/2)×500=(167~250)mm,初选取值h =250 mm
3.2.1.2 柱截面初选
对于较低设防烈度地区的多层民用框架结构,一般可通过满足轴压比限值进行截面设计。本设计中房屋高度H
边柱:Nv=1.3×4.8×3.3×12×10³×5=1235520 N /㎡ Ac≥1235520/(0.9×14.3)=96000mm²
中柱:Nv=1.25×4.8×4.5×12×10³×5=1620000 N /㎡ Ac≥1620000/(0.9×14.3)=125874mm² 选柱截面为b×h=400×400mm² 3.2.1.3 板截面初选
板厚为h=(1/40~1/50)l01=(1/40~1/50)×4800=120~96mm,所以板厚取值为120mm,满足工程要求。 3.2.2 结构计算简图
根据地质资料确定基础顶面离室外地面为550 mm ,由此求得底层高为4.60 m ,取⑤号轴线横向框架计算简图如图3.2 所
图3.2 结构计算简图(单位:mm)
4 荷载计算
4.1 恒荷载计算
(1)屋面框架梁线荷载标准值
120厚的钢筋混凝土现浇屋面板 0.12×25=3.0KN/m2 100-160厚(2%找坡)水泥膨胀珍珠岩 (0.1+0.16)/2×7=0.91KN/m2 20厚1:3水泥砂浆 0.02×20=0.40KN/m2 三层油毡防水层 0.35KN/m2 100厚憎水膨胀珍珠岩块 0.5×0.1=0.05KN/m2
屋面恒荷载 4.71KN/m2
框架梁自重:边跨梁 0.30×(0.6-0.12)×25=3.60kN/m 中跨梁 0.25×(0.5-0.12)×25=2.38kN/m 框架梁粉刷:边跨梁 0.02(0.6-0.12)217=0.33kN/m
中垮梁 0.02[(0.5-0.12)2+0.25]17=0.34kN/m
因此,作用于顶层框架梁的线荷载为:
边跨梁自重产生的荷载: g5AB1=g5CD1=3.60+0.33=3.93KN/m 中垮梁自重产生的荷载: g5BC1=2.38+0.34= 2.72 KN/m 屋面板传给框架梁的均布线荷载: g5AB2=g5CD2=4.71×4.8=22.61KN/m g5BC2=4.71×2.4=11.30KN/m (2)楼面框架梁线荷载标准值
120厚现浇钢筋混凝土楼板 0.1225=3.0kN/㎡ 20厚素水泥浆一道 0.02×20=0.40kN/㎡ 20厚1:2水泥砂浆找平层 0.02×20=0.4KN/m2 3厚地板胶粘剂粘贴彩色釉面地瓷砖,稀水泥浆填缝 0.003×0.55=0.0016kN/㎡ 楼面恒荷载 3.80KN/㎡ 边跨框架梁及梁侧粉刷 3.93KN/m 边跨填充墙自重 0.24×(3.6-0.6)×7.0=5.04KN/m
墙面粉刷 (3.6-0.6)×0.02×2×17=2.04KN/m 合计 7.08KN/m 中跨框架梁及梁侧粉刷 2.72KN/m 因此,作用在中间层框架梁上的线荷载为:
边跨梁、墙体自重产生的线荷载: gAB1=gCD1=3.93+7.08=11.01KN/m 中跨梁的线荷载: gBC1=2.72KN/m 楼面板传给框架梁的均布线荷载: gAB2=gCD2=3.80×4.8=18.24 KN/m
gBC2=3.80×2.4=9.12 KN/m (3)屋面框架节点集中荷载标准值
边柱纵向连系梁自重 0.25×0.5×4.8×25 =15KN 粉刷 0.02×(0.5-0.12)×2×4.8×17=1.24KN 1.2m高女儿墙自重 0.24×1.2×4.8×7.5= 10.37KN 粉刷 0.02×1.2×2×4.8×17 =3.92KN 连系梁传来屋面自重 1/2×4.8×1/2×4.8×4.71=27.13KN 顶层边节点集中荷载 G5A = G5D =57.66 KN 中柱纵向连系梁自重 0.25×0.5×4.8×25 =15KN 粉刷 0.02×(0.5-0.12)×2×4.8×17=1.24KN 连梁传来屋面自重 1/2×(4.8+4.8-2.4)×1.2×4.71=20.35KN 1/2×4.8×2.4×4.71=27.13KN 顶层中节点集中荷载 G5B= G5C = 63.72KN (4)楼面框架节点集中荷载标准值
边柱纵向连系梁自重 15KN 粉刷 0.02×(0.5-0.12)×2×4.8×17=1.24KN 铝合金窗自重 2.1×1.5×0.45 = 1.42KN 窗下墙体自重 0.37×0.9×4.8×7.5 = 11.99 KN 粉刷 2×0.02×0.9×4.8×17=2.94KN 窗边墙体自重 0.37×2.3×(3.6-1.4)×7.5=14.04KN 粉刷 2.3×(3.6-1.4)×2×0.02×17 =3.44KN 窗上墙体自重 0.66×(4.8-0.4)×0.37×7.5=8.06KN 粉刷 0.66×(4.8-0.4)×2×0.02×17=1.97KN 过梁自重 0.18×0.37×2.58×24=4.12KN 粉刷 0.18×2.58×0.02×2×17=0.32KN 框架柱自重 0.4×0.4×3.6×25 = 14.4 KN 粉刷 0.02×3.6×0.48×17 = 0.59KN 连系梁传来楼面自重 1 /2×4.8×1/2×4.8×3.80=21.89KN 中间层边节点集中荷载 GA = GD=101.42KN 中柱连系梁自重 15KN 粉刷 1.24KN 内纵墙体自重 0.24×4.4×(3.6-0.5)×7.5=24.55KN 粉刷 4.4×(3.6-0.5)×2×0.02×17=9.28KN 扣除门洞重加上门重 —2.1×0.9×(7.5-0.2)=—13.80KN 过梁自重 0.12×0.24×(1.98+1.38)×24=2.32KN 粉刷 0.12×(1.98+1.38)×0.02×17=0.14KN
框架柱自重 14.4 KN 粉刷 0.59KN 连系梁传来楼面自重 1/2×(4.8+4.8-2.4)×1.2×3.8=16.42KN 1/2×4.8×2.4×3.8=21.89KN 中间层中节点集中荷载 GB=GC=92.03KN (5)恒荷载作用下的结构计算简图如下
图4.1 恒荷载作用下结构计算简图
4.2 活荷载计算
莱钢大学办公楼屋面设计为上人屋面,根据建筑结构荷载规(GB50009—2012),不上人屋面可变荷载标准值是0.5KN/m2。又查荷载规范得当地基本雪压是0.4KN/m2,当屋面可变荷载与雪荷载不同时考虑时,应取其中的较大值,因此,取0.5 KN/m2。
(1)顶层线荷载标准值
边跨梁:线荷载标准值 P5AB=P5CD=0.5×4.8= 2.4KN/m 集中荷载标准值 P5A =P5D=1/2×4.8×4.8×1/2×0.5 =2.88KN 中跨梁:线荷载标准值 P5BC=0.5×2.4=1.2KN/m
集中荷载标准值
P5B=P5C=1/2×(4.8+4.8-2.4)×1.2×0.5+1/4×4.8×4.8×
0.5=5.04KN
(2)中间层线荷载标准值
边跨梁:线荷载标准值 PAB =PCD=2.0×4.8= 9.6 KN/m
集中荷载标准值 PA=PD= 1/4×4.8×6.6×2.0=15.84KN
中垮梁:线荷载标准值 PBC = 2.5×4.8=12 KN/m
集中荷载标准值 PB=PC=15.84+1/4×4.8×2.4×2.5=23.04KN
活荷载作用下结构计算简图如下:
图4.2 活荷载作用下结构计算简图
4.3 风荷载计算
风荷载标准值计算公式为:
ωk =β
ωk ———— 风压标准值,kN/㎡; ωβ
0————
z
µs µz ω0
由建筑结构荷载规范,查得当地基本风压为:ω0 = 0.4kN/㎡ ;
z————
高度为z处的风振系数,由于房屋的高度未超过30m,取 ßz = 1.0;
µs————风压体型系数,查《荷载规范》得:当建筑的体形为矩形时,迎风面:µs=0.8; 背风面µs= -0.5,因此,µs=0.8-(-0.5)=1.3;
µz————风压高度变化系数,其值与当地地面的粗糙程度有关,本设计的地面粗糙 节点风荷载计算公式为:
程度定为C类,查风压高度变化系数表,可得相应高度处的风压高度变化系数。
Pwi = ωk A
计算过程如表4.1所示,计算结果见图4.3
表4.1 风荷载计算
层次 Z(m) 5 4 3 2 1
18.45 14.85 11.25 7.65 4.05
ßz 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
µs 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3
µz 0.809 0.740 0.740 0.740 0.740
ω㎡)
0.4 0.4 0.4 0.4 0.4
(kN/ω
k
(kN/
㎡) 0.421 0.385 0.385 0.385 0.385
A(㎡) Pwi(kN) 13.68 20.52 20.52 20.52 21.80
5.759 7.900 7.900 7.900 8.393
图4.3 风荷载作用下的计算简图( kN )
4.4 重力荷载代表值计算
由设计资料可知,该工程所在地地震设防烈度为7 度,框架抗震等级为三级、Ⅱ类场地,因此,本框架结构抗震模型可表示为5 个集中质量的多自由度体系,各
层楼盖、屋盖处的集中荷载代表值计算如下: (1)顶层重力荷载代表值
G5=屋面恒载 + 50%的屋面雪载 + 纵横梁自重 + 半层柱自重 + 半层墙体自重 + 部分门窗自重
顶层雪荷载: 53.28×16.08×0.35 = 299.86 KN 顶层屋面恒载: 53.28×16.08×4.71 = 4035.26 KN 女儿墙自重 (53.28 +16.08)×2×1.2×0.24 ×7.5 =299.63KN 粉刷 0.02×1.2×(53.28+16.08)×2×2×17 = 113.20KN 横梁自重
[0.3×(0.6-0.12)×6.6×2 + 0.25×(0.5-0.12)×2.4] ×25×12=638.64KN 粉刷 [0.02×(0.6-0.12)×2×6.6×2 + 0.02×(0.5-0.12)×2×2.4] ×17×12 =59.14KN
连系梁自重 0.25×(0.5-0.12)×53.28×25×4 =506.16KN 粉刷 0.02×(0.5-0.12)×2×53.28×17×4 =55.07KN 半层框架柱自重 0.4×0.4×3.6×25×12×4×1/2= 345.6KN 粉刷 0.02×[0.4 +(0.4-0.24)×3] ×1.8×17×12×4= 25.85KN 半层墙体总重(不考虑门窗) [(6.6-0.4)×(1.8-0.6)×4+(2.4-0.4)×(1.8-0.5)×2+(4.8-0.4)×1.3×22]×0.37×7.5+[6.2×1.2×19+(4.8-0.4)×1.3×19+1.72×1.3]×0.24×7.5=446.22+454.1=900.32KN
粉刷 413.08×2×0.02×17 =280.89 KN
半层铝合金窗自重 (0.6×1.5×17+0.6×2.1×18+0.6×0.9×4+0.6×1.5×2)×0.45=41.94×0.45=18.87KN
半层木门自重 0.3×0.9×21×0.2=1.13KN 门窗过梁自重 [0.12×0.24×(1.98+1.38)×17+0.24×0.12×2.76×2+1.98×0.37×0.12×2+0.37×0.18×2.58×18+0.37×0.12×1.38×4]×24=29.84KN 粉刷 [0.12×(1.98+1.38)×17+0.12×2.76×2+1.98×0.12×2+0.18×2.58×18+0.12×1.38×4]×0.02×17=5.78KN
扣除门窗过梁洞口重 -(41.94+5.65+1.24)×7.5=-366.23KN G5合计 7099.08KN
(2)中间层重力荷载代表值
中间层重力荷载代表值 = 楼面恒荷载 + 50%楼面活荷载 + 纵横梁自重(包括门窗过梁) + 楼面上下各半层柱自重 + 楼面上下各半层纵横墙自重
楼面恒荷载: 53.28×16.08×3.8=3255.62KN 楼面活荷载: (4.8×6.6×15+6.6×6.6)×2+(9.6×6.6+4.8×6.6×2+53.28×2.4)×2.5+6.6×(3+4.8)×3.5=1854.18KN 框架横梁自重 638.64KN
粉刷 59.14KN
连系梁自重 506.16KN 粉刷 55.07KN 框架柱自重 691.2KN 粉刷 51.70 KN 门窗过梁自重 29.84KN 粉刷 5.78KN 墙体实重 [53.28×(3.6-0.5)×2+6.6×3×4+2.4×3.1×2]×0.37×7.5+[4.8×3.1×19+1.8×3.1+6.6×3×21]×0.24×7.5-[2.1×1.5×18+1.5×1.5×2+1.5×0.6×17+0.9×0.6×4+1.2×1.2+1.8×1.2+0.9×2.1×21+1.24]×7.5=424.42×0.37×7.5+704×0.24×7.5-123.19×7.5=1521.04KN
粉刷 (424.42+704-34.03-121.95)×2×0.02×17=661.26KN G4 = G3 = G2 8447.50KN
(3)底层重力荷载代表值
中间层重力荷载代表值 = 楼面恒荷载 + 50%楼面活荷载 + 纵横梁自重(包括门窗过梁) + 楼面上下各半层柱自重 + 楼面上下各半层纵横墙自重
楼面恒荷载 3255.62KN 楼面活荷载 1854.18KN 框架横梁自重 638.64KN 粉刷 59.14KN 连系梁自重 506.16KN 粉刷 55.07KN 框架柱自重 0.4×0.4×4.05×25×12×4=777.6KN
粉刷 0.02×[(0.8+0.03×2+0.8+0.16×2)×4.05×12×2] ×17 =65.44KN
墙体实重 [53.28×(4.05-0.5)×2+6.6×3.45×4+2.4×3.55×2]×0.37×7.5+[4.8×3.55×19+1.8×3.55+6.6×3.45×21]×0.24×7.5-[2.1×1.5×17+1.92×2.4×2+1.5×0.6×17+0.9×0.6×4+0.9×2.1×21+1.92×2.4×2+4.32×2.4+1.24]×7.5=486.41×0.37×7.5+808.32×0.24×7.5-140.74×7.5=1749.21KN 粉刷 (486.41+808.32-34.03-139.5)×2×0.02×17=762.42KN 门窗自重 (2.1×1.5×17+0.6×1.5×17+0.9×0.6×4)×0.45+0.9×2.1×21×0.2+(1.92×2.4×2+4.32×2.4)×1.5=69.27KN G1合计 8865.66KN
门窗自重 82.26×0.45+39.69×0.2=44.96KN
本框架在地震作用下的计算简图如图
4.4
图4.4 地震作用计算简图
5 内力分析
5.1 水平地震作用下内力计算
5.1.1 框架刚度计算
因为在计算结构地震作用时,需要确定结构假想位移,所以先计算框架刚度。考虑到现浇楼板作用,在计算梁的惯性矩时,边框架梁取值I=1.5I0;中框架梁取值I=2I0;I0为按矩形截面计算时框架梁柱截面惯性矩。梁柱线刚度如下:
表5.1 梁、柱线刚度值
表5.2 框架柱横向侧移刚度D值
首层: D=4×(5281.50+6368.87)+20×(5669.84+6601.87)=292035.68KN/m 二至五层:(8263.89+9398.15)+20×(12476.85+11504.63)=550277.76KN/m D=4×
5.1.2 结构基本自振周期计算
本工程主体结构的总高度为19.4 m
T1 = 0.22 + 0.035×H/ B1/3,
H = 4.05 + 3.6×4 = 18.45m,B = 6.6×2 + 2.4 = 15.6 m, T1 = 0.22 + 0.035×18.45./ 15.61/3 = 0.4768s 5.1.3 多遇水平地震作用标准值计算
该工程所在地为山东省莱芜市,抗震设防烈度为7度,设计地震分组为第二组,场地类别为Ⅱ类,由《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)查得:水平地震影响系数最大值:αmax=0.08,特征周期Tg=0.4s,对应γ=0.9+(0.05-δ)÷(0.3+6δ)=0.9,经计算可得出ε2=1+(0.05-δ)÷(0.08+1.6δ)=1
α1=(0.4/0.4768)0.9×0.08= 0.08
结构的总重力荷载代表值为: GE= 7099.08+8447.5×3+8865.66=41307.24KN
则结构的底部剪力为: FEK =α1×GEq =α1×0.85×GE = 0.08×0.85×41307.24=2808.89KN (多质点时GEq取重力荷载代表值的85%)
因为T1 = 0.4768s
各层水平地震作用按下式计算
Fi =
GiHi
5
× FEK
i
GH
ii1
所以楼层的地震作用标准值Fi和地震剪力标准值Vi计算结果如表5.3所示
5.1.4 横向框架弹性变形验算
多遇地震作用下,横向框架层间的弹性验算结果表5.4所示,其中楼层间的地震剪力应取标准值。
故水平地震作用下,横向框架的变形满足要求。 5.1.5 水平地震作用下横向框架内力分析
将楼层的地震剪力标准值按各柱的D值比例分配求得的各柱的地震剪力标准值
(见表5.5)。近似按各楼层的水平地震作用为倒三角形分布情形,确定各柱的反弯点,计算柱端弯矩标准值,根据节点平衡条件,将节点处柱端弯矩之和按节点处两侧梁的线刚度比例分配,可求得梁端弯矩,再计算梁端地震剪力,并由节点两侧的梁端剪力标准值之差求得柱的地震轴向力。
表5.5 柱端地震剪力计算表
楼层的水平地震作用为倒三角形分布,可算得各柱的反弯点,如表5.6所示:
表5.6 柱反弯点计算表
根据节点平衡条件,将节点处柱端弯矩之和按节点处两侧梁的线刚度比例分配,可求得梁端弯矩,梁柱端弯矩如表5.7所示:
由计算结果可知地震作用下梁柱弯矩图如下所示:
图5.1 地震荷载作用下梁柱弯矩图(单位:KN·M)
地震荷载作用下梁柱剪力的计算,根据梁柱端弯矩,可求出梁柱的剪力: 顶层
边柱的剪力: V = (28.33+23.18)/3.6 = 14.31KN 中柱的剪力:V =(31.03+25.39)/3.6 = 15.67KN 边跨梁剪力:V = -(28.33+13.34)/6.6 =-6.31KN 中跨梁剪力:V = -(17.69×2)/2.4 = -14.74KN 第四层:
边柱的剪力: V = (50.6+50.6)/3.6 = 28.11KN 中柱的剪力:V =(55.42×2)/3.6 = 30.79KN
边跨梁剪力:V = -(73.78+34.75)/6.6 = -16.44KN 中跨梁剪力:V = -(46.06×2)/2.4 = -38.38KN 第三层:
边柱的剪力: V = (69.64×2)/3.6 = 38.69KN 中柱的剪力:V =(76.27×2)/3.6 = 42.37KN
边跨梁剪力:V = -(120.24+56.63)/6.6 = -26.80KN 中跨梁剪力:V = -(75.06×2)/2.4 = -62.55KN 第二层:
边柱的剪力: V = (82.87×2)/3.6 = 46.04KN
中柱的剪力:V =(90.76×2)/3.6 = 50.42 KN
边跨梁剪力:V = -(152.51+71.82)/6.6 = -33.99 KN
中跨梁剪力:V = -(95.21×2)/2.4= -79.34KN 第一层:
边柱的剪力: V = (115.29+94.33)/4.6 =45.57KN 中柱的剪力:V =(139.55+114.18)/4.6 = 55.16KN 边跨梁剪力:V = -(177.2+88.12)/6.6 = -40.2KN 中跨梁剪力:V = -(116.82×2)/2.4 = -
97.35 KN
图5.2 地震荷载作用下梁柱剪力图(单位:KN)
地震作用下梁柱轴力的计算 顶层:
边柱:
中柱: 第四层: 边柱: 4边 = V1 +N5边= 16.44+6.31= 22.75KN(受拉)
5边
= V1 = 6.31KN(受拉)
5中 = V1-V2= 14.74-6.31=8.43KN(受拉)
中柱:
4中
= V1
-V
2
+N
5中= 38.38-16.44+8.43=30.37KN(受拉)
第三层: 边柱: 中柱: 3中 = V1-V2 +N4中= 62.55-26.8+30.37=66.12KN(受拉) 3边 = V1 +N4边= 26.8+22.75= 49.55KN (受拉)
第二层: 边柱: 中柱: 2中 = V1-V2 +N3中=79.34-33.99+66.12=111.47 KN(受拉) 2边 = V1 +N3边= 46.04+49.55=95.59KN(受拉)
第一层: 边柱: 1边 = V1 +N2边=40.2+95.59=135.79KN(受拉)
中柱: 1中 = V1-V2 +N2中= 97.35-40.2+111.47= 168.62KN(受拉)
由于框架梁轴力比柱的轴力小很多,所以可以忽略不计,因此,地震荷载作用下梁柱轴力图如下图所示
图5.3 地震荷载作用下柱轴的力图(单位:KN)
5.2 恒荷载作用下内力计算
恒载由矩形均布荷载和梯形或三角形荷载两部分组成,先将梯形和三角形荷载等效成矩形均布荷载。由固端弯矩相等原则可知:
梯形: q=(1-2α2+α3)p
三角形: q=5/8p
其中,q为矩形均布荷载峰值 ;p为荷载峰值;α= lo1/(2×lo2) (如图5.4) α= lo1/(2×lo2) = 4.8/(2×6.6) =0.36 屋面均布荷载可等效为:
q5边=3.93+(1-2×0.362+0.363)×22.61=21.73KN/m q5中=2.72+5×11.3/8=9.78KN/m 楼面均布荷载可等效为:
q边=11.01+(1-2×0.362+0.363)×18.24=25.37KN/m q中=2.72+5×9.12/8=8.42KN/m
图5.4 梯形和三角形等效荷载分布
通过对称性可得:
图5.5 恒载结构计算简图( kN/m)
梁柱端弯矩采用分层法计算,由于在计算简图中假定上下柱的远端为固定端所带来的误差,对二层以上各柱线刚度乘以0.9 的系数后再计算分配系数,且计算过程中底层柱的传递系数取1/2,其他各层柱传递系数均取1/3。梁柱的转动刚度见表5.8
表5.8梁柱转动刚度计算表
梁固端弯矩计算:
顶层: MAB=MBA=21.73×6.62/12=78.88KN·m
MBC=9.87×2.42/12=4.74KN·m 其它层: MAB=MBA=25.37×6.62/12=92.09KN·m
MBC=8.42×2.42/12=4.04KN·m (1) 顶层内力计算过程见图
5.6
图5.6 顶层弯矩分配图(kNm)
(2) 标准层内力计算过程见图5.7
图5.7 标准层弯矩分配图(kNm)
(3) 底层内力计算过程见图5.8
图5.8 底层弯矩分配图(kNm)
梁跨中截面弯矩需要根据求得的支座弯矩和各跨的实际荷载分布按平衡条件计算,而不能按等效分布荷载计算。跨中弯矩如图5.9、5.10所示。
顶层跨中弯矩分别为:
图5.9 顶层边跨、中跨跨中弯矩图
其它层跨中弯矩分别为:
图5.10 其它层边跨、中跨跨中弯矩图
图5.11 恒荷载作用下框架弯矩图(kNm)
图5.12 框架梁在恒荷载作用下调幅后的弯矩(kNm)
考虑梁端弯矩调幅,采用调幅系数0.85。
图5.13 恒荷载作用下框架梁剪力图(kN)
图5.14 恒荷载作用下框架柱轴力图(kN)
5.3 活载作用下内力计算
活载由梯形或三角形荷载两部分组成,所以需将梯形或三角形荷载等效成矩形均布荷载,方法与恒载相同:
梯形: q=(1-2α2+α3)p
三角形: q=5/8p
其中,q为矩形均布荷载峰值 ;p为荷载峰值;α= lo1/(2×lo2) α= lo1/(2×lo2) = 4.8/(2×6.6) =0.36 屋面均布荷载可等效为:
q5边=(1-2×0.362+0.363)×2.4=1.89KN/m q5中=5×1.2/8=0.75KN/m 楼面均布荷载可等效为:
q边=(1-2×0.362+0.363)×9.6=7.56KN/m q中=5×12/8=7.5KN/m 通过对称性可得:
图5.15 活载结构计算简图
梁固端弯矩计算:
顶层: MAB=MBA=1.89×6.62/12=6.86KN·m
MBC=0.75×2.42/12=0.36KN·m
其它层: MAB=MBA=7.56×6.62/12=27.44KN·m
MBC=7.5×2.42/12=3.6KN·m (1)顶层内力计算过程见图
5.16
图5.16 活荷载顶层弯矩分配图
(2)标准层内力计算过程见图
5.17
图5.17 活荷载标准层弯矩分配图
(3)底层内力计算过程见图
5.18
图5.18 活荷载底层弯矩分配图
表5.11 节点处不平衡弯矩分配计算表(kNm)
活荷载作用下跨中弯矩如下图所示:
顶层跨中弯矩分别为:
图5.19 顶层边跨、中跨跨中弯矩图
其它层跨中弯矩分别为:
图5.20 其他层边跨、中跨跨中弯矩图
图5.21 活荷载作用下框架弯矩图(kNm)
考虑梁端弯矩调幅,采用调幅系数
0.85
图5.22 框架梁在活荷载作用下经调幅后的弯矩(kNm)
图5.23 活荷载作用下框架梁剪力图(kN)
表5.12 活荷载作用下柱轴力计算表
图5.24 活荷载作用下框架轴力图
5.4 风荷载作用下内力计算
(1) 风荷载下框架柱剪力计算
由图4.3 风荷载作用下的计算简图和表5.2 框架柱横向侧移刚度D值可以得到下表5.13
(2) 框架柱反弯点高度计算
框架柱反弯点高度计算公式为:
y·h =(y0+y1+y2+y3)·h 二层及以上每层框架柱的上下横梁线刚度比均为定值,且各层层高都相同,所以上式中的修正值y1=y2=y3= 0
,y0通过查表求得
表5.14 柱反弯点计算表
(3) 计算框架梁柱端弯矩
由以上计算结果可以得到风荷载作用下框架梁柱弯矩图如下:
图5.25 风荷载作用下框架梁柱弯矩图(KN·m)
表5.15 风荷载作用下梁端剪力与柱轴向力计算表
图5.26 风荷载作用下框架梁柱剪力轴力图(KN)
6 内力组合
6.1 梁柱内力组合
根据以上内力计算结果,即可进行框架梁柱各控制截面上的内力组合,其中梁的控制截面为梁端柱边及跨中。由于对称性,每层有五个控制截面。柱则分为边柱和中柱,每个柱每层有两个控制截面,即各层柱的上下端截面。
框架结构的控制截面如下图所示:
图6.1 框架结构梁柱控制截面位置图
在可变荷载作用下由于柱相邻上、下层的可变荷载的影响,因此,柱的控制截面内力需要叠加。内力组合过程如下列表所示。
以下为内力组合的符号规定:
弯矩:梁:上侧受拉取负值,下侧受拉取正值。
柱:以柱左侧受拉为正,以柱右侧受拉为负。 剪力:以绕杆件顺时针转动为正;逆时针转动为负。 轴力:受拉为负;受压为正。
各层梁的内力组合见附表1,边柱的内力组合见附表2,中柱的内力组合见附表3。
6.2 梁柱的内力调整
框架结构的内力调整原则为:强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件的原则,对以上得到的内力组合的各表的计算的设计值进行适当的调整。
1. 强柱弱梁的要求
本框架为三级框架,梁柱节点处柱端弯矩设计值应符合下式要求: ∑Mc = ηc ·∑Mb 公式注释:
(1)∑Mc:为节点上下柱端截面逆时针或者顺时针方向组合时的弯矩设计值之和;
(2)∑Mb:为节点左右梁端截面逆时针或者顺时针方向组合时的弯矩设计值之和,节点左右梁端的弯矩均为负值时,绝对值较小的弯矩应取零;
(3)ηc的取值方法:抗震等级为三级的框架结构的ηc取值是1.3。 梁柱节点处柱端弯矩调整值计算表如下表所示:
表6.1 梁柱节点处柱端弯矩调整计算(弯矩单位:KN·m)
Mc上 = Mc上/∑Mc ×ηc ·∑Mb Mtc下 = Mc下/∑Mc ×ηc ·∑Mb
G是重力荷载作用下,E是地震荷载作用下。
底层柱下端截面的弯矩设计值如下:
三级框架底层柱柱底截面弯矩设计值应乘以1.3的增大系数。 A柱:在G+E组合下,MC = 1.3×144.45 = 187.79KN·m;
在G-E组合下,MC = 1.3×(-165.71)= -215.42KN·m。 B柱:在G+E组合下,MC = 1.3×170.92=222.20KN·m;
在G-E组合下,MC = 1.3×(-191.91)= -249.48KN·m。 2.强剪弱弯的要求
(一) 框架梁剪力设计值的调整
一、二、三级的框架梁和抗震墙的连梁,其梁端剪力设计值调整如下:
V =εvb ×(Mbl+Mbr)/Ln +VGb
公式注释:
(1)VGb——梁在重力荷载代表值的作用下,按简支梁分析的梁端截面剪力设
计值,VGb = 1.2×(恒荷载 +0.5活荷载)×Ln ×
1
[其中,Ln为净宽](7.5) 2
(2)Mbl、Mbr——分别是梁左右端逆时针或者顺时针方向组合的弯矩的设计值(KN· m)
(3)εvb——梁端剪力增大系数,三级框架取1.1。 梁端剪力设计值的调整如下表6.2所示:
6.2 梁端剪力的设计值调整计算表
(二) 框架柱剪力设计值的调整
三级的框架柱端部组合的剪力设计值应按下式调整:
VηVC(MctMcb)/Hn
公式注释:
(1)Hn ——柱的净高;
(2)Mct、Mcb——分别是柱的上下端逆时针或者顺时针方向截面组合的弯矩的设计值(KN· m);
(3)εvc——柱剪力增大系数;对于三级框架取1.2。
柱端剪力设计值的调整如下表6.3所示:
6.3 柱端剪力的设计值调整计算表
7 框架梁、柱截面设计
7.1 框架梁的截面设计
7.1.1 正截面受弯承载力计算
本设计为现浇混凝土框架结构,楼板与梁浇注在一起形成T形截面梁。当承受负弯矩时,翼缘(板)受拉,由于混凝土在极限承载力状态下时带裂缝工作,其抗拉承载力极小,尽管翼缘面积较大,但仍按梁宽为b的矩形截面计算;当承受正弯矩时,翼缘受压,须按T形截面计算,根据《混凝土结构设计规范》规定,本设计中翼缘宽
1
min{l0,bsn,b12h度b,受弯构件正截面承载力抗震调整系数γRE为0.75。 ff}
3
梁的混凝土强度等级选用C30,fc = 14.3 N/mm2 ,ft = 1.43 N/mm2 ,α1 =1.0;
钢筋选型:纵向受力钢筋选用HRB400级,fy = f'y =360 N/mm2 ; 箍筋一律采用HPB300级,fy = f'y =270 N/mm2 。 框架梁跨中截面:截面承受正弯矩下侧受拉,按T形截面配筋; 支座截面:边缘截面承受负弯矩上部受拉,按矩形截面配筋。
f
梁最小配筋率的取值:支座:ρminmax{0.25%,0.55t;
fyf
跨中:ρminmax{0.2%,0.45t。
fy(一)单筋矩形截面受弯承载力的计算过程 计算截面抵抗矩系数αs:αs
REM
α1fcbh
20
;
计算相对受压区高度:1--2αs;
如大于相对受压区高度b,则不能按单筋截面设计,应设计成双筋截面梁; 单筋矩形截面配筋计算:As
α1fcbh0
。 fy
hf
),则为第一种类型,2
(二)T形截面受弯承载力的计算过程
(首先要确定截面的类型,若弯矩设计值Mu1fcbfhfh0-
中和轴在翼缘内,此类T形截面可看作是梁宽为bf的矩形截面梁进行设计,设计过程同单筋矩形截面,但配筋率ρ仍按肋部宽度b来计算;