多层框架结构设计

多层框架结构设计任务书姓名：孙永 学号： 20111150215云南大学2011级土木某六层办公楼，采用现浇框架结构，建筑平面图、剖面图如图1所示。没有抗震设防要求 设计资料(1) 设计标高：室内设计标高相当于绝对标高4.400m，室内外高差600mm，(2) (2) 墙身做法：墙身为普通机制砖填充墙，M5水泥沙浆砌筑。内粉刷为混合沙浆底，纸筋灰面，厚20mm，内墙涂料两度。外粉刷为1：3水泥沙浆底，厚20mm，马赛克贴面。(3) 楼面做法：顶层为20mm厚水泥沙浆找平，5mm厚1：2水泥沙浆加“108”胶水着色粉面层；底层为15mm厚纸筋面石灰抹底，涂料两度。(4) 屋面做法：现浇楼板上铺膨胀珍珠岩保温层（檐口处厚100mm，2%自两侧檐口向中间找坡）1：2水泥沙浆找平层厚20mm，二毡三油防水层，撒绿豆砂保护(5) 门窗做法：门厅处为铝合金门窗，其它均为木门、钢窗。(6) 地质资料：属III类建筑场地。(7) 基本风压：（地面粗糙度为B类）。(8) 活荷载：屋面活荷载2.0，办公楼楼面活荷载2.0，走廊楼面活荷载2.5。结构布置及结构计算简图的确定结构平面布置如图2所示，各梁柱截面尺寸确定如下：边跨（AB、CD跨）梁：取中跨（BC跨）梁：取h=400mm，b=250mm。边柱（A轴、D轴）连系梁，取bh=250mm500mm；中柱（B轴、C轴）连系梁，取bh=250mm400mm；柱截面均为bh=300mm450mm，现浇楼板厚100mm。结构计算简图如图3所示。根据地质资料，确定基础顶面离室外地面为500mm，由此求得底层层高4.3m。各梁柱构件的线刚度经计算后列于图3。其中在求梁截面惯性矩时考虑到现浇楼板的作用，取I=2I0(I0为不考虑楼板翼缘作用的梁截面惯性矩）。AB、CD跨梁：BC跨梁：上部各层柱：底层柱：荷载计算1、 恒荷载计算屋面框架梁线荷载标准值：20mm厚1:2水泥砂浆找平0.0220=0.4kN/ m2100160mm厚（2%找坡）膨胀珍珠岩100mm厚现浇钢筋混凝土楼板0.125=2.5kN/ m215mm厚纸筋石灰抹底0.1516=0.24kN/ m2屋面恒荷载总计4.05kN/ m2边跨（AB、CD跨）框架梁自重梁侧粉刷0.250.5025=3.13kN/ m2（0.5-0.1）0.0217=0.27kN/ m合计3.4kN/ m中跨（BC跨）框架梁自重梁侧粉刷0.250.4025=2.5kN/ m2（0.4-0.1）0.0217=0.2kN/ m合计2.7kN/ m因此，作用在顶层框架梁上的线荷载为：g6AB1=g6CD1=3.4kN/ mg6BC1=2.7kN/ mg6AB2=g6CD2=4.054.2=17.01kN/ mg6BC2=4.053.6=14.58kN/ m楼面框架梁线荷载标准值：25mm厚1:2水泥砂浆找平0.02520=0.5kN/ m2100mm厚现浇钢筋混凝土楼板0.125=2.5kN/ m215mm厚纸筋石灰抹底0.1516=0.24kN/ m2楼面恒荷载总计3.24kN/ m2边跨填充墙自重墙面粉刷0.24（3.2-0.5）19=12.31kN/ m2（3.2-0.5）0.0217=1.84kN/ m合计14.15kN/ m中跨框架梁及梁侧粉刷0.250.4025=2.5kN/ m2（0.4-0.1）0.0217=0.2kN/ m合计2.7kN/ m因此，作用在中间层框架梁上的线荷载为：g6AB1=g6CD1=3.4+14.15=17.55kN/ mg6BC1=2.7kN/ mg6AB2=g6CD2=3.244.2=13.61kN/ mg6BC2=3.243.6=11.66kN/ m屋面框架节点集中荷载标准值边柱连系梁自重粉刷0.250.54.225=13.13kN0.02（0.5-0.1）24.217=1.14kN1m高女儿墙自重粉刷14.20.2419=19.15kN10.0224.217=2.86kN连系梁传来屋面自重顶层边节点集中荷载总计G6A=G6D=54.14kN中柱连系梁自重粉刷0.250.44.225=10.50kN0.02（0.4-0.1）24.217=0.86kN连系梁传来屋面自重顶层边节点集中荷载总计G6B=G6C=46.72kN楼面框架节点集中荷载标准值边柱连系梁自重粉刷0.250.54.225=13.13kN0.02（0.5-0.1）24.217=1.14kN钢窗自重3.31.80.45=2.67kN窗下墙体自重粉刷0.240.93.919=16.01kN20.020.93.917=2.39kN窗边墙体自重粉刷0.6（3.2-1.4）0.2419=4.92kN0.6（3.2-1.4）20.0217=0.73kN框架柱自重粉刷0.30.453.225=10.8kN0.780.023.217=0.85kN连系梁传来楼面自重中间层边节点集中荷载总计GA=G6D=66.93kN中柱连系梁自重粉刷0.250.44.225=10.50kN0.02（0.4-0.1）24.217=0.86kN内纵墙自重粉刷3.9（3.2-0.4）0.2419=49.80kN3.9（3.2-0.4）20.0217=7.43kN扣除门洞重加上门重-2.11.0（5.24-0.2）=-10.58kN框架柱自重粉刷0.30.453.225=10.8kN0.780.023.217=0.85kN连系梁传来楼面自重中间层中节点集中荷载总计GB=GC=97.95kN恒荷载作用下的结构计算简图恒荷载作用下的结构计算简图如图4所示2、楼面活荷载计算楼面活荷载作用下的结构计算简图如图5所示。图中各荷载值计算如下：p6AB=p6CD=24.2=8.4kN/ mp6BC=23.6=7.2kN/ mpAB=pCD=24.2=8.4kN/ mpBC=2.53.6=9kN/ m3、 风荷载计算风雅标准值计算公式：因结构高度H=20.3m30m，可取z=1.0；可查建筑结构荷载规范。将风荷载换算成作用于框架每层节点上的集中荷载，计算过程如表所示，表中z为框架节点至室外地坪的高度，A为一榀框架各层节点的受风面积，计算结果如图6所示。层次zz(m)(kN/ m2)A(m2)PW(kN)61.01.319.81.2460.5510.149.7351.01.316.61.1750.5512.4811.2941.01.313.41.0900.5512.4810.4731.01.310.21.0060.5512.489.6721.01.37.00.8800.5512.488.4611.01.33.80.6080.5513.656.39内力计算1、 恒荷载作用下的内力计算恒载（竖向荷载）作用下的内力计算采用分层法。这里以中间层为例说明分层法的计算过程，其它层（顶层、底层）仅给出计算结果。由图 取出中间任一层进行分析，结构计算简图如图所示图 中柱的线刚度取框架柱的实际线刚度的0.9倍。图 中梁上分布荷载由矩形和梯形两部分组成，在求固端弯矩时可直接根据图示荷载计算，也可根据固端弯矩相等的原则，先将梯形分布荷载及三角形分布荷载，化为等效均布荷载，等效均布荷载的计算公式如图所示。把梯形荷载化为等效均布荷载g边=gAB1+(1-212+13)gAB2 =17.55+(1-20.33320.3333)13.61 =28.64kN/m图 所示结构内力可用弯矩分配法计算并可利用结构对称性取二分之一结构计算。各杆的固端弯矩为：弯矩分配法计算过程如图所示，计算所得结构弯矩图见图9 ，同样可利用分层法求得顶层及底层的弯矩图，列于图10。将各层分层法求得的弯矩图叠加，可得整个框架结构在恒荷载作用下的弯矩图，叠加后框架内各节点弯矩并不一定能达到平衡。这是由于分层法计算的误差所造成的。为提高精度，可将节点不平衡弯矩再分配一次进行修正，修正后的竖向荷载作用下整个结构弯矩图如图11a所示。并进而可求得框架各梁柱的剪力和轴力(图11b)在求得图7所示结构的梁端支座弯矩后，如欲求梁跨中弯矩，则需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。框架结梁在实际分布荷载作用下按简支梁计算的跨中弯矩如图12所示。考虑梁端弯矩调幅，并将梁端节点弯矩换算至梁端柱边弯矩值，以备内力组合时用，如图13所示。2、 楼面活荷载作用下的内力计算也采用分层法，考虑到活荷载分布的最不利组合，各层楼面活荷载布置可能有图14所示的几种组合形式。同样采用弯矩分配法计算，考虑弯矩调幅，并将梁端节点弯矩换算成梁端柱边弯矩值。其最后弯矩图（标准层）如图14所示。3、 风荷载作用下的结构计算简图如图6。内力计算采用D值法计算过程见图15。其中由附表10-3、10-4查得y1=y2=y3=0，即y=y0。由图可见，风荷载分布较接近于均布荷载，故y0由附表10-1查得。风荷载作用下框架结构弯矩图如图所示，框架轴力图和剪力图如图16所示。4、 风荷载作用下考虑P-效应时的框架内力的调整。风荷载作用下考虑P-效应时的框架内力的调整按式（13-14）计算，具体计算过程列于表。其中表为框架结构刚度折减的计算过程，梁的线刚度折减系数取0.4，柱的线刚度折减系数取0.6。考虑P-效应框架结构刚度折减计算层次柱号折减后的线刚度2-6层边柱i2=i4=3.31Ic=4.270.7750.2791.39622.484中柱I1=i3=3.31i2=i4=2.96Ic=4.271.4680.4232.117底层边柱i2=3.31Ic=3.181.0410.5071.04619.470中柱I1=3.31i2=2.96Ic=3.181.6570.5901.218考虑P-效应框架梁柱内力增大系数层次柱轴力标准值（kN）恒载活载622.484423.40136.08679.541.0101.010522.4841122.52279.721699.471.0261.018422.4841821.64423.362719.401.0421.034322.4842520.765673739.331.0591.050222.4843219.28710.644758.541.0761.067119.4703919.00854.285779.191.1101.093在表13-5中，自重产生的柱轴向力标准值按一榀框架计算，取自图的计算结果。活荷载产生的柱轴向力标准值参照图的活荷载计算简图计算。其中顶层楼面活荷载所产生的框架柱总轴力标准值为：标准层楼面活荷载所产生的框架柱总轴力标准值为：考虑荷载组合系数按（1.2恒载+0.91.4活载）得到柱轴力设计值。风荷载作用下考虑P-效应调整后的框架弯矩图见图17.内力组合根据上节内力计算结果，即可进行框架各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，即图梁中的1、2、3、4、5号截面，表给出了每四层梁的内力组合过程；柱则分为边柱和中柱（及A柱、B柱），每个柱每层有两个控制截面，如图所示以第四层柱为例，控制截面为7、8号截面。因活荷载作用下内力计算采用分层法，故当三层梁和四层梁上作用有活荷载时，将对四层柱内产生内力。表整理出了当三层、四层分别有活荷载最不利组合时在7、8号截面所产生的内力。表给出了四层柱的内力组合过程截面设计根据内力组合结果，即可选择各截面的最不利内力进行截面配筋计算。必须指出的是，表中组合得到的内力，并不一定是最不利内力。例如对于大偏心受压的情况，可能是N较小但不是最小而M又较大时更危险，因此，必要时应根据截面大小偏压的情况重新组合做出最不利的一组内力配筋。最后，在考虑构造要求以后，确定有关控制截面的配筋，并做出结构施工图，此处从略。第四层梁内力组合截面荷载类型恒载活载MVMVMVMVMV1-43.8878.24-12.69 16.74 0.51-0.54-15.39 16.74 -0.05-0.08262.2115.08-1.215.190.083-52.02-81.48-14.93-17.25-1.90-0.54-17.94-17.250.19-0.084-15.8812.96-3.940-5.145.32-8.498.500.51-0.035-6.99-4.86.3.66-2.30-0.50风载内力组合恒载1.2+活载1.4恒载1.2+0.9（活载1.4+风载1.4）MVMmaxMminVmaxMmaxMminVmax116.53 4.96 -60.62110.04-80.65 114.68 2 0.9291.1290.63312.464.96 -73.16115.30-87.79 -119.80 410.65 6.76 -24.8223.98 -37.67 31.65 50-13.39-12.89 四层、五层柱内力计算结果柱截面荷载类型四层梁上有活荷载的情况三层梁上有活荷载的情况A柱M88.32-0.329.620.701.720.031.430.01M72.77-0.163.210.235.17-0.084.300.04N11.54-0.1111.100.060000B柱M8-7.230.40-5.91-0.61-1.430.13-1.04-0.07M7-2.410.13-1.97-0.20-4.290.40-3.13-0.25N12.153.2318.78-0.040000四层柱内力组合柱截面荷载类型恒载活载风载上层传来上层传来A柱M838.636.896.021.6411.9M738.636.896065.149.74N82.24314.3711.5411.10-0.1133.754.96V6.76B柱M8-31.76-5.72-4.56-1.0316.00M7-31.76-5.72-5.33-4.1613.63N102.44411.812.1518.783.2355.753.02V9.26内力组合恒载1.2+活载1.4恒载1.2+0.9（活载1.4+风载1.4）Nmax，MNmin,，M|M|max，N,VNmax，MNmin,，M+A柱M854.62 48.32 54.62 70.03 48.42 70.03 M754.62 52.52 54.62 67.31 52.83 67.31 N207.04 98.56 112.54 526.75 475.79 484.22 V8.52 +B柱M8-43.58 -39.35 -44.98 -65.48 -59.57 -65.48 M7-44.51 -43.10 -44.98 -62.4