一榀框架结构计算毕业论文设计.doc

第一章 结构选型及布置本次设计采用全现浇钢筋混凝土框架结构，结构平面布置简图见附图。本次毕业设计结构计算要求手算一榀框架。针对本教学楼的建筑施工图纸，选择hm轴交轴横向框架为手算对象。本计算书除特别说明外，所有计算、选型、材料、图纸均为hm轴交轴横向框架数据。梁、柱、板的选择如下：1.1梁的有关尺寸（1）长跨横向框架梁：, 取h=600mm, b=250mm，短跨横向框架梁（楼道）：，取h=400mm，b=250mm 。（2）纵向框架梁：，由于纵向布置窗，所以纵向框架梁兼过梁，取h=500mm，b=250mm。1.2柱的选择根据梁的截面选择及有关屋面、楼面的做法，可初略确定柱的尺寸为方柱。经验算可满足有关轴压比的要求。1.3板的选择采用全现浇板，可根据荷载以及梁的尺寸确定板的厚度为 。第二章 号轴线框架计算2.1 计算任务 计算作用于hm轴交轴线的恒载、活载、风荷载以及由这些荷载引起的各层梁、柱的内力。恒载、活载作用下梁端弯矩计算采用弯矩两次分配法；风载作用下的内力计算采用d值法；地震作用采用底部剪力法。2.2 计算简图的几何尺寸的确定 该房屋主体结构共5层，一到五层层高4.2m。该框架结构的计算简图如图3.1所示。屋盖和楼盖均采用现浇钢筋混凝土结构，板厚度取120mm。梁截面高度按跨度的估算，而且梁的截面尺寸应满足承载力、刚度以及延性的要求。梁截面宽度可取梁高，同时不宜小于柱宽，且不应小于250mm。框架柱的截面尺寸一般根据柱的轴压比限值按下列公式计算： 式中：n为柱组合的轴压力设计值；f为按简支状态计算的柱的负载面积；为折算在单位建筑面积上的重力荷载代表值，近似取18kn/；为考虑地震作用组合后柱的轴压力增大系数，边柱取1.3，不等跨内柱取1.25；n为验算截面以上的楼层层数。由于该框架结构抗震等级为二级，其轴压比限值0.8。图2.1 框架结构几何尺寸简图1、梁的截面计算（1）横向框架梁：长边跨：，取h=600mm, b=250mm ；短边跨（楼道）：，取h=400mm，b=250mm 。（2）纵向框架梁：，则取 h=500mm，b=250mm。2、柱截面计算边柱：，取；，取；中柱：，取2.3荷载计算2.3.1自重计算1、屋面及楼面永久荷载标准值（1）屋面（不上人）：40厚细石混凝土保护层 150厚水泥蛭石保温层（兼做找坡） 1.5厚合成高分子防水涂料 20厚水泥砂浆找平层 120厚钢筋混凝土板 15厚天棚抹灰 小计： （2）2-5层楼面：12厚1：2水泥砂浆石子磨光（包括水泥砂浆结合层） 18厚1：3水泥砂浆找平层（包括素水泥砂浆结合层） 共重：120厚钢筋混凝土 15厚天棚抹灰 小计： 2、梁、柱、墙、门、窗重力荷载计算梁、柱可根据截面尺寸、材料容重及粉刷等计算出单位长度上的重力荷载，其计算过程详见表2.1。表2.1 梁、柱重力荷载标准值构件长跨横梁0.250.48251.053.1505.970594.03264.34短跨横梁0.250.28251.051.8382.250520.67纵梁0.250.38251.052.4944.00015149.641层柱0.500.50251.106.8755.200135.75248.0525层柱0.500.50251.106.8754.2004115.51层柱0.400.40251.10445.200122.8825层柱0.400.40251.104.44.200473.92表中为考虑梁、柱的粉刷层重力荷载而对其重力荷载的增大系数；n表示构件数量；g表示单位长度构件的重力荷载；梁的长度取净长；柱长度取层高。 仅对第hm轴交轴线的横向框架进行计算，计算单元宽度为4.5m。因板的自重已计入楼面（屋面）的恒荷载之中，故计算梁的自重时梁的截面高度应取梁的原高度减去板厚。 外墙体为240mm厚粉煤灰砖（），外墙面两侧均粉石灰砂浆（，厚）。则外墙单位墙面的重力荷载为： 内墙体为240mm厚粉煤灰砖（），内墙面两侧均粉石灰砂浆（，厚）。，则内墙单位墙面的重力荷载为： 木门单位面积重力荷载为 铝合金窗单位面积荷载为2.3.2 恒载计算取hm轴交轴线横向框架进行计算，计算单元宽度为4.5m，如图2.2所示。图2.2 横向框架计算单元图2.3 双向板导荷示意图 直接传给该框架的楼面荷载如图中水平阴影线所示，计算单元范围内的其余楼面荷载则通过纵向框架梁以集中力的形式传给横向框架，作用于各节点上。由于该层纵向框架梁的中心线与柱的中心线不重合，因此在该层框架节点上还有集中力矩的作用。 各梁上作用的恒载如图2.4所示。图2.4 各梁上作用的恒载计算图该图中：、分别代表横梁自重，为均布荷载形式, 、分别代表各板传给横梁的梯形荷载和三角形荷载；、为等效均布荷载。 由图2.2中的几何关系可得：1、对于屋面梁： 集中力矩： 2、对于第1-4层框架梁： 、分别为由边纵梁、中纵梁直接传给柱的恒载：包括梁自重、楼板重、外墙等地重力荷载。 集中力矩： 表2.2 横向框架恒载汇总表层次53.151.83819.889.1167.8972.2360.568.499.031-421.151.83814.406.6119.22138.6538.0914.917.33恒载图如下所示：图2.5 恒载图（p：kn，q：kn/m）2.3.3 活载计算1、屋面及楼面可变荷载标准值如下：常德市屋面雪载标准值 不上人屋面均布活荷载标准值 楼面均布活荷载标准值 走廊、门厅、楼梯均布活荷载 厕所、盥洗室 2、活载计算、分别代表各板传给横梁的梯形活荷载和三角形活荷载，、为等效均布荷载。如图2.6所示。活荷载作用下各层框架梁上的荷载分布如下：图2.6 各梁上作用的活载计算图由图2.2中的几何关系可得：（1）对于屋面梁： 集中力矩： 同理在屋面雪荷载的作用下： 集中力矩： （2）对于第1-4层框架梁： 集中力矩： 将以上计算结果汇总，得到表2.3。表2.3 横向框架活载汇总表层次 51.84（1.84）0.84（0.84）3.16（3.16）8.81（8.81）2.49（2.49）0.395（0.395）1.10（1.10）1-49.24.2215.8228.2412.421.983.53活载图如下所示：图2.7 活载图（p：kn，q：kn/m）2.3.4 风荷载计算垂直于建筑物表面上的风荷载应按下式计算： 基本风压 由于该教学楼位于城市中心，地面粗糙度为c类地区。迎风面，背风面。忽略梁的轴力，合并得。由于建筑物总高度h不超过30m，所以。查荷载规范得值：一至三层，四至五层。一至三层：四至五层：风荷载的线荷载标准值: 一至三层：四至五层： 框架结构分析时，为简化计算，按静力等效原理将均布风荷载转化为节点集中荷载，如图所示。其计算过程如下：图2.8 等效节点集中风荷载（单位：kn）2.3.5 地震荷载1、基本资料 该教学楼位于7度设防区，基本地震加速度为；类场地第一组，设计特征周期；多遇地震时，水平地震影响系数的最大值；结构的基本周期。 2、底部剪力法的计算 根据本工程的特点，对于高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可以采用底部剪力法。结构总水平地震作用：相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数值；，因此。 结构等效总重力荷载，式 中为集中于质点的重力荷载代表值。计算地震作用时，建筑物的重力荷载代表值应取结构和构配件的自重荷载标准值和各可变荷载组合值之和，各可变荷载的组合值系数如下：雪荷载： 0.5屋面活荷载：不计入由表2.4各层柱重，可以算得各层自重标准值：对于屋面：对于第2-4层：对于第1层：由表2.5可算得各层活荷载标准值，屋面只算雪荷载：对于屋面： 对于第2-4层：对于第1层：由于各榀框架的线刚度相同，所以将以上计算结果汇总，得到各层重力荷载代表值，详见表2.4。表2.4 计算框架重力荷载代表值层次恒载活载5421.628.87436.042-4632.1128.59696.41641.5128.59705.8图2.9 结构水平地震作用计算简图上面已经给出的计算式： 下面计算各个质点的地震作用：采用底部剪力法时，各个楼层可以仅取一个自由度，结构的水平地震作用标准值应按照下列公式确定：（表2.5所示） 式中为顶部作用附加系数，多层钢筋混凝土房屋，因此。 列表求解如下: 表2.5 底部剪力法计算地震荷载下的剪力层次一榀中522436.049592.880.2301849.30949.31417.8696.412395.920.2974363.715113.02313.6696.49471.040.2272548.681161.7129.4696.46546.160.1570733.648195.3515.2705.83670.160.0880618.864214.22框架水平地震作用以及层间剪力如图2.10所示。图2.10 用底部剪力法计算的一榀框架水平地震作用和剪力图2.4 内力计算2.4.1 框架计算简图框架在竖向荷载作用下，可忽略节点侧移，按刚性方案设计。在水平荷载作用下，不能忽略节点侧移，按弹性方案设计。相对线刚度计算如下：柱线惯性矩： 底层柱线刚度： 其它层柱线刚度： 长跨梁的惯性矩：短跨梁的惯性矩：长跨梁的线刚度：短跨梁的线刚度：设，则， ， 得计算简图如图2.11所示：图2.11 框架计算简图2.4.2 恒载内力1、梁弯矩计算：利用力矩二次分配法计算恒载作用下框架的弯矩。（1） 计算杆固端弯矩：顶层长跨框架梁：顶层短跨框架梁：底层及标准层长跨框架梁：底层及标准层长跨框架梁：（2） 节点分配系数计算 顶层分配系数计算如下： 节点m：，节点l：， 节点h：， 表2.6节点分配系数计算表 节点h各杆端分配系数节点l各杆端分配系数节点m各杆端分配系数顶层0.660.380.520.340.270.480.35标准层0.500.280.360.250.200.320.250.260.320.26底层0.510.300.380.220.210.280.270.220.340.27 (3)恒载作用下内力分析恒荷载作用下内力计算采用力矩二次分配法，计算过程见图2.12，内力图如图2.13所示 图2.12恒荷载作用下内力计算分析图2.13恒荷载作用下弯矩图2、梁剪力和柱轴力计算 以各杆件为隔离体，利用杆端弯矩，建立力矩平衡方程，可求出各杆杆端剪力。根据各杆杆端剪力作剪力图，如图2.14所示图2.14框架左震弯矩图取节点为隔离体，利用各杆对节点的剪力，建立投影平衡方程，可求出各杆对节点的轴力，从而求得各杆的轴力。根据各杆杆端轴力作轴力图，如图2.15所示 图2.15恒荷载作用下轴力图2.4.3 活载内力1、梁弯矩计算：利用力矩二次分配法计算活载作用下框架的弯矩。(1)计算杆固端弯矩：顶层长跨框架梁：顶层短跨框架梁：底层及标准层长跨框架梁：底层及标准层长跨框架梁：(2)节点分配系数同表2.6。 (3)活载作用下内力分析活荷载作用下内力计算采用力矩二次分配法，计算过程见图2.16，内力图如图2.17所示 图2.16活荷载作用下内力计算分析图2.17活荷载作用下弯矩图2、梁剪力和柱轴力计算 以各杆件为隔离体，利用杆端弯矩，建立力矩平衡方程，可求出各杆杆端剪力。根据各杆杆端剪力作剪力图，如图2.18所示图2.18活荷载作用下剪力图取节点为隔离体，利用各杆对节点的剪力，建立投影平衡方程，可求出各杆对节点的轴力，从而求得各杆的轴力。根据各杆杆端轴力作轴力图，如图2.19所示 图2.19活荷载作用下轴力图2.4.4 风载内力1、计算原则：利用d值法计算水平荷载作用下框架的弯矩。其中：反映了梁柱线刚度比值对抗侧刚度的影响可按下表计算：表2.7 d值法楼层简图k一般层底层根据各柱d值，将该层剪力分配至各个柱的反弯点处，其中反弯点处无弯矩，仅有剪力，由此便可利用求得的剪力与反弯点高度求出柱端弯矩；然后利用节点平衡，按梁抗弯刚度求出各个梁端弯矩；最后，利用求得的弯矩，可解出剪、轴力。以下以底层梁柱为例，计算其弯矩：2、各住的d值及剪力分配系数计算：风荷载作用下各柱的d值及家里分配系数见表2.8。表2.8 各柱的d值及剪力分配系数表层位及层高柱号五层（4.2m）h1.920.490.120.640.188l1.880.480.300.469m1.10.350.220.344二至四层（4.2m）h1.920.490.120.640.188l1.880.480.300.469m1.10.350.220.344一层（5.2m）h2.370.660.090.480.188l2.340.650.210.438m1.370.550.180.3753、各柱的反弯点位置、剪力、柱端弯矩计算。表2.9 各柱的反弯点位置、剪力、柱端弯矩层号柱号 五h0.1880.645.421.020.39600.3961.702.590.85 18.85l0.4692.540.39400.3944.206.46m0.3441.860.35500.3552.775.04四h0.1880.6414.162.660.44600.4464.986.192.21l0.4696.640.44400.44412.3815.51m0.3444.870.40500.4058.2812.17三h0.1880.6422.164.170.49600.4968.698.833.46l0.46910.390.49400.49421.5622.08m0.3447.620.45500.45514.5617.44二h0.1880.6429.435.530.50000.50011.6111.614.60l0.46913.800.50000.50028.9828.98m0.34410.120.50000.50021.2521.25一h0.1880.4837.096.970.55000.55019.9316.317.73l0.43816.250.55000.55046.4838.03m0.37513.910.61300.61344.3427.99 （4）、梁端弯矩的计算 梁端弯矩的计算根据节点平衡理论，按各节点上梁的线刚度大小进行分配。第五层：h节点：已知，则； l节点：已知，则， ； m节点：,则;第四层：h节点：已知， 则； l节点：已知， 则， ； m节点：已知， 则；第三层：h节点：已知， 则； l节点：已知， 则， ； m节点：已知， 则；第二层：h节点：已知， 则； l节点：已知， 则， ； m节点：已知， 则；第一层：h节点：已知， 则； l节点：已知， 则， ； m节点：已知， 则；（5）剪力计算利用杆件平衡求解杆端剪力。列力矩平衡方程：，即 同理： 由此，可将梁柱在风载作用下的杆端剪力计算出来. （6）轴力计算柱轴力上柱传来集中力该层梁端剪力 具体计算方法同恒载与活载作用下柱轴力的计算。三项一起直接列表计算如下：表3.0 左风载作用下梁端弯距和剪力及柱轴力计算层次短边梁长边梁柱轴力h轴柱l轴柱m轴柱52.592.682.71.953.785.046.61.34-1.95-3.29-1.3447.898.182.75.9511.5314.946.64.01-7.9-13.25-5.35313.8114.312.710.4120.1525.726.66.95-18.31-30.43-12.3220.320.982.715.2929.5635.816.69.9-33.6-55.8-22.2127.9227.822.720.6439.1949.246.613.40-54.24-89.84-35.6表中剪力为梁两端剪力的绝对值,柱轴力以拉力为正 （6）、风荷载作用下内力图 根据上述计算可得风荷载作用下的内力图，见图2.2。图2.2风荷载作用下弯矩图2.4.5 水平地震作用内力（1）、水平地震作用的计算方法同风荷载完全相同,直接列表求解如下:表3.1 左地震荷载作用下各柱的反弯点位置、剪力、柱端弯距计算层号柱号 五h0.1880.6449.319.270.39600.39615.4223.527.70 125.78l0.46923.130.39400.39438.2858.87m0.34416.960.35500.35525.2945.94四h0.1880.64113.0221.250.44600.44639.8149.4417.66l0.46953.000.44400.44498.83123.77m0.34438.880.40500.40566.1397.16三h0.1880.64161.7130.400.49600.49663.3364.3525.27l0.46975.840.49400.494157.35160.54m0.34455.630.45500.455106.31127.34二h0.1880.64195.3536.730.50000.50077.1377.1330.52l0.46991.620.50000.500192.40192.40m0.34467.200.50000.500141.12141.12一h0.1880.48214.2240.270.55000.55093.0276.1144.63l0.43893.830.55000.550216.74177.34m0.37580.330.61300.613185.56151.82 （2）、梁端弯矩的计算 梁端弯矩的计算根据节点平衡理论，按各节点上梁的线刚度大小进行分配。第五层：h节点：已知，则； l节点：已知，则， ； m节点：,则;第四层：h节点：已知， 则； l节点：已知， 则， ； m节点：已知， 则；第三层：h节点：已知， 则； l节点：已知， 则， ； m节点：已知， 则；第二层：h节点：已知， 则； l节点：已知， 则， ； m节点：已知， 则；第一层：h节点：已知， 则； l节点：已知， 则， ； m节点：已知， 则；表3.2 左地震荷载作用下梁端弯距和剪力及柱轴力计算层次短边梁长边梁柱轴力h轴柱l轴柱m轴柱523.5224.442.717.7634.4345.946.612.18-17.76-29.94-12.18464.8656.932.745.1180.18122.456.630.7-62.87-32.17-42.883104.16107.692.778.46151.68193.476.652.3-141.33-58.33-95.182143.46145.222.7106.92204.53247.436.668.48-248.25-96.77-163.661171.36171.052.7126.82240.91302.786.682.38-375.07-141.21-172.04表中剪力为梁两端剪力的绝对值,柱轴力以拉力为正 （3）、地震作用下内力图 根据上述计算可得地震作用下的内力图，见图2.21。图2.21框架左震弯矩图第三章 内力组合第四章 截面设计4.1内力调整为了体现延性框架的设计原则，保证框架梁塑性铰区的“强剪弱弯”，考虑地震作用组合的框架梁端剪力设计值应根据抗震等级进行相应的调整，对于二级抗震框架应按下式进行计算：1、 五层hl跨: 五层lm跨： 2、三层hl跨: 三层lm跨： 3、一层hl跨: 一层lm跨： 4.2 截面设计4.2.1 梁截面设计梁砼：c30（）纵筋：hrb400（）；箍筋：hpb300（）；纵筋保护层厚：;1、一层梁截面设计（1）、长跨跨中正截面抗震设计组合时，受弯构件正截面承载力计算的抗震承载力调整系数为：则，而非抗震设计组合时，；计算截面有效高度：。框架梁跨中截面为t形，其翼缘宽度取二着中较小值：，故取。判别跨中截面属于哪一类截面，所以该截面属于第一类t形截面。计算钢筋面积：，相对受压区高度为，则，满足要求，选用320，实际。 腰筋：，选用 214，实际。（2）、长跨支座截面： a、正截面受弯承载力计算梁端截面为矩形，截面宽度b=250mm，截面高度h=600，如图所示：从内力组合表取最不利设计弯矩，受弯构件正截面承载力计算的抗震承载力调整系数为：，计算钢筋面积：，相对受压区高度为，则，满足要求，选用320，实际。b、斜截面受剪承载力计算考虑“强剪弱弯”，取最不利设计剪力为，斜截面承载力计算的抗震调整系数为，截面验算，于是有，所以截面满足要求。，则沿梁全长箍筋的最小配筋率为，于是有，所以按构造配置箍筋，梁端加密区长度取，箍筋加密区的箍筋最大间距为，所以选配8100/200，双肢箍。4.2.2 柱截面设计柱砼：c30（）纵筋：hrb400（）；箍筋：hpb300（）；纵筋保护层厚：;1、 取第一层中柱截面：（1）、正截面受压承载力计算从内力组合表中取最不利内力如下：（1）、 （2）、按第一组内力进行截面配筋；偏心受压构件正截面承载力计算的抗震承载力调整系数为，该框架属于二级抗震，则弯矩设计调整为，则，则，故属于小偏心受压。计算钢筋面积：重新计算：，所以按构造要求配筋，选用318,实际面积为，按第二组内力进行截面配筋；偏心受压构件正截面承载力计算的抗震承载力调整系数为，该框架属于二级抗震，则弯矩设计调整为，则，则，故属于小偏心受压。计算钢筋面积：重新计算：，选用525,实际面积为，（2）、斜截面受剪承载力计算 考虑地震作用组合的框架柱，框支柱的剪力设计值应按下式计算：，考虑地震作用组合的框架结构底层柱下端截面的弯矩设计值，应由“强柱弱梁”原则确定，则，按上下柱的线刚度分配，底层柱上端所分得的弯矩为：，截面验算：；，所以截面满足要求。，由于，取，应按构造配置箍筋：，选配4肢箍10100/200，由于上述计算过程较复杂，在框架梁柱截面设计时，一般可近似将框架梁截面视为矩形，查结构计算手册直接得到面积，然后查钢筋计算截面面积表选出钢筋，见表4.1,、表4.2表4.1框架梁截面危险内力选取及截面配筋表梁截面尺寸截面位置钢筋面积/选筋钢筋面积/选筋h5l5250400支座72.48 25021857.12构造8100/200跨中-8.23220构造8100/200l5