高层建筑结构设计课程设计.doc

建 筑 工 程 学 院 高 层 课 程 设 计 土木工程专业高层建筑结构设计课程设计目 录一、课程设计性质及目的多层框架结构课程设计是土木工程专业重要的实践性教学环节，学生运用所学的框架结构设计的专业知识进行课程设计实践，巩固和进一步掌握多层框架结构设计的知识，并为今后毕业设计做必要准备。通过课程设计使学生掌握结构设计从收集资料、方案比较、设计理论、设计计算、绘图的全过程，培养学生的工程结构设计能力。2.建筑设计说明2.1设计简介 建筑设计是在总体规划的前提下，根据任务书的要求综合考虑基地环境，使用功能，结构施工，材料设备，建筑经济及建筑艺术等问题。着重解决建筑物内部各种使用功能和使用空间的合理安排，建筑与周围环境，与各种外部条件的协调配合，内部和外表的艺术效果。各个细部的构造方式等。创造出既符合科学性又具有艺术的生产和生活环境。 建筑设计在整个工程设计中起着主导和先行的作用，除考虑上述各种要求以外，还应考虑建筑与结构，建筑与各种设备等相关技术的综合协调，以及如何以更少的材料，劳动力，投资和时间来实现各种要求，使建筑物做到适用，经济，坚固，美观，这要求建筑师认真学习和贯彻建筑方针政策，正确学习掌握建筑标准，同时要具有广泛的科学技术知识。2.2建筑设计方案2.2.1建筑平面设计图2.2.2建筑设计做法上人屋面做法：考虑屋顶上人的需要，采用女儿墙边天沟内排水沟，双坡排水；屋面做法由下至上依次为钢筋混凝土屋面板（100mm），聚苯乙烯泡沫塑料保温板（50mm），1:8水泥陶粒找坡层（平均厚80mm），1:3水泥砂浆找平层（20mm），sbs改性沥青防水卷材，细石混凝土（30mm）。女儿墙构造柱：女儿墙应设置构造柱，构造柱间距不宜大于4m，构造柱应伸至女儿墙顶并与现浇钢筋混凝土压顶整浇在一起。墙体做法：外墙体均采用蒸压粉煤灰加气混凝土砌块，外墙厚240mm，白色乳胶粉刷外墙面，水泥粉刷内墙面；内墙为蒸压粉煤灰加气混凝土砌块，厚240mm，双面水泥粉刷。楼面做法：25mm硬木地板，地板格栅，20mm厚水泥砂浆找平层，100mm厚现浇钢筋混凝土板，10mm厚水泥石膏砂浆打底。楼梯做法：楼梯采用混凝土板式楼梯。散水做法：散水的坡度为4%，40厚c20细石混凝土，撒1：2水泥黄砂压实抹光，120厚碎石或碎砖灌m2.5混合砂浆，每隔10m设伸缩缝一道，墙身与散水设10宽，沥青砂浆嵌缝，散水面宽600。2.2.3材料选用混凝土：主体框架结构采用c30混凝土钢筋：纵向受力钢筋采用热轧钢筋hrb400，其余采用热轧钢筋hpb300；墙体：内外墙采用普通砖，其尺寸240mm115mm53mm，查荷载规范得=18 kn/m3；窗：钢塑门窗，=0.45 kn/m；门：木门，=0.2kn/m；活荷载：上人屋面均布活荷载标准值1.1kn/，楼面活荷载标准值2kn/。3.结构布置3.1结构选型结构体系选型：采用钢筋混凝土现浇框架结构体系。屋面结构：采用现浇钢筋混凝土上人防水屋面。楼面结构：全部采用现浇钢筋混凝土楼盖。楼梯结构：采用现浇钢筋混凝土板式楼梯。图3.1结构布置图3.2构件拟定尺寸3.2.1板截面尺寸拟定根据钢筋混凝土结构设计规范，板按塑性理论计算，本设计板厚取h=100mm。3.2.2梁截面尺寸拟定梁截面高度按跨度的1/81/12进行估算，梁截面宽度取梁高的1/21/4。本方案中所计算的一榀框架框架主梁跨度分别为7200和8100。所以主梁截面高度：=（1/81/12）7200=900600mm =（1/81/12）8100=6751012mm取=800mm，=250mm；次梁截面均取250mm400mm。3.2.3柱截面尺寸拟定 柱截面尺寸可根据式估算。该框架结构的抗震等级为二级，其轴压比限值；各层的重力荷载代表值近似取14，由图可知边柱及中柱的负载面积分别为8.1x7.2/2=28和(8.1x7.2+3x8.1)/2=41.31，取，n=3，由公式可得第一层柱截面面积为中柱 边柱 根据上述计算结果并综合考虑其它因素，架柱截面尺寸取值均为。4.框架计算简图及线刚度计算4.1确定框架计算简图（图4.1） 框架计算单元如图4.1所示，取一榀框架计算。假定框架柱嵌固于基础顶面，框架梁与柱刚接。由于各层柱的截面尺寸不变，故梁跨等于柱截面形心轴线之间的距离，底层柱高为4.20m，其余各层柱高从楼面算至上一层楼面(即层高)，故均为3.30m。 图4.1 计算简图及梁柱线刚度 4.2框架梁柱线刚度计算 对于中框架梁取i=2，而且两边对称！计算取一半计算，所以 ab跨梁： bc跨梁： 底层柱： 取，则其余各杆的相对线刚度分别为： 5.竖向荷载荷载计算5.1计算单元计算单元及板上的竖向荷载传递示意图如下所示： 图5.1 板荷载示意图5.2恒荷载计算5.2.1屋面框架梁线荷载标准值： 屋面恒荷载（上人）保护层：30mm厚细石混凝土 220.030.66防水层：sbs改性沥青防水卷材 0.4找平层：20mm厚1:3水泥砂浆 200.020.4找坡层：1:8水泥陶粒平均厚50mm 140.050.70保温层：50mm厚聚苯乙烯泡沫塑料板 0.50.050.025结构层：100mm厚现浇钢筋混凝土板 250.102.5 板底抹灰：10mm厚水泥石膏砂浆 140.010.14 合计： 4.83 梁自重 ：b h=250 800 梁自重： 25kn/0.25m(0.8m-0.1m)=4.38kn/m 抹灰层：10厚混合砂 0.01m(0.8m-0.1m)2+0.25m17kn/ =0.28kn/m 合计： 4.66kn/m ：bh=250mm400mm 梁自重： 25kn/0.25m(0.4m-0.1m)=1.88kn/m 抹灰层：10厚混合砂0.01m(0.4m-0.1m)2+0.25m17kn/ =0.14kn/m 合计： 2.02kn/m 因此，作用在顶层框架梁上的线荷载为： 5.2.2中间层楼面框架梁线荷载标准值：25mm硬木地板： 0.2地板格栅： 0.220mm厚水泥砂浆找平层： 200.020.4100mm厚现浇钢筋混凝土板： 250.102.510mm厚水泥石膏砂浆打底： 140.010.14合计： 3.44 ab、cd跨填充墙自重： 墙面粉刷 合计： 12.93kn/m因此，作用在中间层框架梁上的线荷载为： 4.66+12.93=17.59n/m 5.2.3屋面框架节点集中荷载标准值： 边柱连系梁自重： 粉刷： 1.2米高120女儿墙自重： 0.12181.28.1=17.5kn 抹灰层：10厚混合砂 0.021.2178.1=4.42kn 连系梁传来屋面自重 合计： 127kn因此，顶层边节点a集中荷载为： b边柱连系梁自重： 粉刷： 连系梁传来屋面自重： 合计： 226.57kn因此，作用在顶层中节点b集中荷载为： 5.2.4中间层楼面框架节点集中荷载标准值： a边柱连系梁自重： 40.5kn 粉刷： 2.27kn 塑钢门、窗自重： 32.40.45= 3.24kn 门窗上下墙体自重 0.245.10.918= 19.83kn 粉刷： 0.0125.10.917=0.78kn 窗两侧墙体自重： 2.43.35.118= 72.71kn 粉刷： 20.013.35.117= 5.72kn 框架柱自重： 0.50.5253.3=20.63kn 粉刷： 连系梁传来楼面自重 62.6kn 合计： 226kn因此，中间层边节点a集中荷载为： 中节点b连系梁自重： 20kn 粉刷： 1.17kn 窗两侧墙体自重： 2.43.35.118= 72.71kn 粉刷： 20.013.35.117= 5.72kn 框架柱自重： 0.50.5253.3=20.63kn 粉刷： 连系梁传来楼面自重 205kn 合计： 300kn因此，中间层节点b集中荷载标准值为： 恒荷载作用下的结构计算简图如下图5所示。图5.2 恒荷载作用结构计算简图5.3活荷载计算5.3.1屋面活荷载计算 线荷载：集中荷载： 5.3.2楼面活荷载计算 线荷载： 集中荷载： 活荷载作用下的结构计算简图如下图5.3所示。图5.3 活荷载作用简图6.竖向荷载作用下的内力计算6.1恒荷载作用下的内力计算6.1.1荷载转换： 因为梁上荷载由矩形和梯形（或三角形）荷载组成，在求固端弯矩时可根据固端弯矩相等的原则，先将梯形及三角形分布荷载化为等效均布荷载： 三角形荷载作用时： 所以，三角形荷载转化为均布荷载： 屋面： 楼面： 6.1.2各杆杆端固端弯矩以及跨中弯矩计算： 杆端弯矩： 顶层： 中间层 6.1.3分层法梁端弯矩计算：图6.1.1 顶层弯矩分层法计算过程 图6.1.2 中间层弯矩分层法计算过程 图6.1.3 底层弯矩分层法计算过程6.1.4恒荷载分层法弯矩计算结果图6.1.8 恒荷载作用下结构最终弯矩图6.1.5恒荷载作用下各层梁端剪力和柱轴力计算恒载作用下ab（cd）梁端剪力计算层号329.117.2104.83.4107.8101.8235.367.2127.32.2129.5125.1135.367.2127.33.75131123.3恒载作用下bc梁端剪力计算层号326.47339.7039.739.7219.43329.1029.129.1119.43329.1029.129.1 恒载作用下的剪力和轴力层次总剪力柱轴力ab跨bc跨a柱b柱3107.8101.839.7200220.6227247.62129.5125.129.1420.6441.2547.6568.21131123.329.1641.2661.8868.2888.8 恒荷载作用下梁端剪力如图6.1.9所示：图6.1.9 恒荷载作用下梁端剪力图 恒荷载作用下柱轴力如下图所示：图6.1.10恒荷载作用下柱轴力图6.2活荷载作用下的内力计算6.2.1荷载转换： 因为梁上荷载由矩形和梯形（或三角形）荷载组成，在求固端弯矩时可根据固端弯矩相等的原则，先将梯形及三角形分布荷载化为等效均布荷载：所以，把梯形荷载或三角形荷载转化为均布荷载： 屋面： 楼面： 6.2.2各杆杆端固端弯矩以及跨中弯矩计算： 杆端弯矩： 6.2.3分层法梁端弯矩计算：图6.2.1 活载分层法顶层计算过程 图6.2.2 活载分层法中间层计算过程 图6.2.3 活载分层法底层计算过程图6.2.7 活荷载作用下结构最终弯矩图6.2.4活荷载作用下梁剪力、柱轴力计算： 活荷载作用下的梁剪力图如下：图6.2.8 活荷载作用下的梁剪力图 活荷载作用下的柱轴力图如下：图6.2.9 活荷载作用下柱轴力图7.水平风荷载计算7.1风荷载标准值 风荷载标准值按式，基本风压w0=0.55kn/m2；由荷载规范查得矩形截面取，因为高度h=10.8m30m，可取。将风荷载转换为作用于框架每层节点上的集中荷载，计算过程如下表所示。表中z为框架节点至室外地面的高度，a为一榀框架各节点的受风面积。 风荷载标准值计算过程：楼层31.01.310.80.740.3526.735.8621.01.37.50.740.3526.735.8611.01.34.20.740.3543.027.5 风荷载作用简图如下图所示：图7.1.1 风荷载作用简图7.2柱的剪力计算 用d值法进行水平风荷载作用下柱的剪力计算： 柱的侧移刚度，式中柱侧移刚度修正系数的取值见下表：楼层简图k一般层柱 底层柱 d值求出来之后，假定同一楼层各柱的侧移相等，可得各柱的剪力为：7.3柱反弯点高度比计算 反弯点高度比计算过程见下表：楼层a柱(同d柱)b柱（同c柱）第3层 y=0.445 y=0.45第2层 y=0.495 y=0.50第1层 y=0.555 y=0.557.4风荷载柱端弯矩计算 根据求得各柱的剪力以及反弯点高度比，求出各柱的的柱端弯矩如下：楼层a柱（）b柱（）第3层第2层第1层7.5风荷载梁端弯矩计算由节点平衡求得各梁端弯矩如下表：梁跨跨 楼层321ab跨（）bc跨（） 7.6风荷载梁剪力计算由梁端弯矩求得梁的剪力如下表：剪力跨 楼层321（kn）-1.58-4.15-6.43（kn）-1.58-4.15-6.43（kn）-1.01-2.69-8.20（kn）-1.01-2.69-8.20其中 cd跨同ab跨7.8风荷载梁、柱内力图风荷载作用下梁、柱的弯矩、剪力如下：图7.1.2 风荷载作用下结构弯矩图图7.1.3 风荷载作用下结构剪力图8.地震作用水平荷载计算重力荷载代表值汇总如下：楼层重力荷载代表值（kn）总和（kn）第一层890023400第二层7600第三层69008.2地震作用下的剪力计算：反应谱底部剪力法计算底部剪力 底部剪力计算： 式中：相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数值。 顶点附加地震作用系数。当1.4时，取=0. 结构等效总重力荷载，单质点应取总重力荷载代表值，多质点 可取总重力荷载代表值的85%。 分别为集中于质点i、j的重力荷载代表值。 分别为质点i、j的计算高度。结构基本自振周期： 用经验公式计算建筑物的横向周期： 根据场地类别及设计地震分组设计特征周期值取： 根据规定，阻尼调整系数，所以，地震影响系数： 因为0.350.55，所以，顶点附加地震作用系数： 结构等效总重力荷载：各层剪力计算过程及结果如下表：楼层3890010.8961200.487全列为100.2548.2276009.5722000.36636.69169004.2289800.14714.74地震荷载作用简图如下： 8.2.1 风荷载作用简图8.3地震荷载各柱剪力计算楼层a柱(同d柱)b柱（同c柱）第3层 第2层 第1层 8.4柱反弯点高度比计算 反弯点高度比计算过程见下表：楼层a柱(同d柱)b柱（同c柱）第3层 y=0.45 y=0.45第2层 y=0.50 y=0.50第1层 y=0.58 y=0.558.5地震荷载柱端弯矩计算 根据求得各柱的剪力以及反弯点高度比，求出各柱的的柱端弯矩如下：楼层a柱（）b柱（）第3层第2层第1层8.6地震荷载梁端弯矩计算 由节点平衡求得各梁端弯矩如下表：梁跨跨 楼层321ab跨（）bc跨（） 8.7地震荷载梁剪力计算由梁端弯矩求得梁的剪力如下表：剪力跨 楼层321（kn）-5.42-13.06-19.83（kn）-5.42-13.06-19.83（kn）-3.53-8.47-12.93（kn）-3.53-8.47-12.93其中 cd跨同ab跨由梁端剪力求得柱的轴力如下表：轴力跨楼层321（kn）-5.42-18.48-38.31（kn）-1.89-5.41-6.98.9地震荷载内力图 地震荷载作用下的结构弯矩，剪力轴力图：图8.9.1 地震荷载作用下结构弯矩图图8.9.2 地震荷载作用下结构剪力图图8.9.3 地震荷载作用下柱轴力图9.荷载组合9.1内力调幅 考虑抗震需要，梁端应该先于柱端出现塑性绞，故对于竖向荷载下的梁端负弯矩进行调幅，调幅系数取=0.8，并相应地增大跨中弯矩： 梁端、梁中弯矩按一下公式进行调幅： 梁端弯矩： 梁中弯矩：，式中， m为按简支梁计算的跨中弯矩。9.1.1恒荷载作用下弯矩调幅：楼层位置第三层48118.665.1227.5214.86第二层76130.694.422.810.92第一层7996130.694.422.810.92 梁端弯矩调幅结果如下表：9.1.2活荷载作用下弯矩调幅：楼层位置第三层23.0428.8424.810.165.01第二层46.455.424.315.529.14第一层49.649.64815.529.14梁端弯矩调幅结果如下表：9.2.荷载效应组合：9.2.1荷载效应组合分类： 无地震作用组合时的效应组合 式中：无地震作用组合时的荷载总效应； 永久荷载的荷载效应标准值； 楼面活荷载的荷载效应标准值； 风荷载的荷载效应标准值； ，分别相应于上述荷载效应的分项系数； ，风别为楼面活荷载和风荷载组合系数，在高层建筑中， 无地震作用时，取。 有地震作用组合时的效应组合 式中：s结构构件内力组合的设计值，包括组合的弯矩、轴向力和剪 力设计值等； ，分别为重力荷载、水平、竖向地震作用、风荷 载分项系数； 重力荷载代表值产生的荷载效应标准值； 水平地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整 系数； 竖向地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整 系数； 风荷载标准值的效应； 风荷载组合值系数，一般结构取0.0，有地震作用效应组合时取 0.2。 荷载组合情况及分项、组合系数见下表：类型组合情况竖向荷载水平地震所用竖向地震作用风荷载无地震作用竖向荷载1.21.400竖向荷载和风荷载1.21.41.41.0有地震作用重力荷载和水平地震1.21.30重力荷载、水平地震和风荷载1.21.301.40.29.2.2承载力极限状态的内力组合如下表： 第三层梁内力组合： 第二层梁内力组合：第一层梁内力组合： 柱剪力组合： a轴柱弯矩和轴力组b轴柱弯矩和轴力组合：10.截面设计 本工程高度为10.8m，抗震设防烈度为7度，场地类别为二类，由抗震规范知，决定抗震构造措施时选用烈度为7度，框架抗震等级为二级。本工程框架混凝土均采用c30，主筋采用hrb400级钢筋，箍筋采用hpb300级钢筋。由沪宁图结构设计规范知混凝土及钢筋强度如下：混凝土强度钢筋强度、c3014.320.11.432.01hpb300270hrb400360 底层柱的轴压比： a柱： c柱： d柱： 满足规范给出的最大轴压比限值。 构件承载力抗震调整系数： 梁受弯 偏压柱 受剪（梁、柱节点） 10.1梁截面设计10.1.1梁正截面抗弯配筋 以首层ab跨和bc跨为例，说明梁正截面设计的计算方法和过程。 选取最不利内力 从首层梁内力组合表中选取如下最不利内力： 梁ab左端 m=-224.3knm v=242.04kn 跨中 m=226.16.knm 右端 m=-208knm v=-226.36kn 梁bc左端 m=-69.09knm v=75.87kn 跨中 m=29.8knm 右端 m=-69.09knm v=-75.9kn 1）梁ab跨中正弯矩配筋 设，则，由混凝土强度等级和钢筋等级求截面 抵抗矩系数： 相对受压区高度比：，可以。 内力矩的内力臂系数： 所以， 选用2c20，。 验算使用条件： ，同时，可以。 梁ab两端负弯矩配筋： 由于梁ac两端负弯矩几乎相等，在此就取较大的进行计算配筋，两端配筋相同。 取m=-224.3knm因为正弯矩和梁端负弯矩大小差不多，取2c20 验算是否满足二级抗震要求： ，满足二级抗震要求； ，满足二级抗震要求。 综上，梁ac梁端配筋为： 上部：2c20 下部：2c20 2）梁bc跨中正弯矩配筋 设，则，由混凝土强度等级和钢筋等级求截面 抵抗矩系数： 相对受压区高度比：，可以。 内力矩的内力臂系数： 所以， 选用2c14，。 验算使用条件： ，同时，可以。 其他各层梁截面设计见下表：楼层 梁截面相关 系数截面弯矩（支座）截面抵抗拒系数相对受压区高度比（0.550）内力臂系数钢筋截面面积配筋3ab左支座截面-98.40.1290.1390.932413.82c16（402）跨中截面175.560.1010.1070.9474112c16（402）右支座截面-117.060.1180.1260.9374452c16（402）bc左支座截面-72.970.1180.1260.937540.82c16（402）跨中截面52.350.0850.0890.978316.72c14（308）右支座截面-128.150.2070.2340.8833982c16（402）2ab左支座截面-200.430.1340.1440.928964.22c20（628）跨中截面114.020.1020.1080.9466432c20（628）右支座截面-195.870.1310.1410.9305982c20（628）bc左支座截面-81.750.1320.1410.9303852c16（402）跨中截面55.730.0900.0940.9533122c14（308）右支座截面-143.910.2330.2690.8654152c16（402）10.1.2梁斜截面抗剪设计 1）梁ab斜截面抗剪设计 以首层ab跨和bc跨为例，说明梁正截面设计的计算方法和过程。 将组合的轴线剪力转换为控制截面处的剪力： 按最大剪力进行截面配筋计算 地震效应作用下，根据强剪弱弯原则对剪力进行调整： 抗剪计算截面验算： 满足要求。 验算是否需要按计算配筋： ，故需按计算配筋。 本设计只配箍筋，不配弯起钢筋，有： 采用双肢箍8200，实有，可以。 箍筋配筋率，可以。 所以，加密区配筋为8100，非加密区为8200。 2）梁bc斜截面抗剪设计 将组合的轴线剪力转换为控制截面处的剪力： 按最大剪力进行截面配筋计算 根据强剪弱弯原则对剪力进行调整： 抗剪计算截面验算： 满足要求。 验算是否需要按计算配筋： ，故需按计算配筋。 本设计只配箍筋，不配弯起钢筋，有： 采用双肢箍8200，实有，可以。 箍筋配筋率，可以。梁跨 结果调整后控制截面剪力计算结果计算配箍构造配箍加密非加密加密非加密 所以，加密区配筋为8100，非加密区为8200。3ab跨164.40140.140.16581008200bc跨108.8890.090.199810082002ab跨164.44140.140.16581008200bc跨117.4690.090.290810082001ab跨177.01140.140.25181008200bc跨123.6090.090.3558100820010.2框架柱截面设计10.2.1框架柱正截面受压承载力设计 本设计选取底层框架柱（a轴柱，c轴柱，d轴柱）为例，进行详细计算，设计正截面配筋。 a轴柱： 由a轴柱弯矩和剪力组合表知，选取m最大、n最大时的两组不利组合， 为：m=122.59knm ， n=907.275kn 和 m=20.481knm ， n=1017.5kn 1）柱轴压比验算 用最大轴力设计值，满足要求。 2）柱正截面承载力计算 按及相应的n计算 为体现“强柱弱梁”的原则，对于二级框架，梁、柱端弯矩应符合下述公式要求： 式中： 节点上下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和，上下柱端的弯矩设计值，可按弹性分析分配； 节点左右梁端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之和。 由于地震的往复作用，两个方向的弯矩设计值均应满足要求。当柱子考虑顺时针弯矩之和时，梁应考虑逆时针方向弯矩之和，反之亦然。 由柱的弯矩和轴力组合表知： 底层a轴柱框架节点梁端弯矩值之和： 底层a轴柱框架节点梁端弯矩值