建筑设计,横向边框架组合荷载计算及结构设计.doc

毕业设计（论文）任务书 系： 专 业：建筑工程技术学 生 姓 名： 学 号： 设计(论文)题目：某高校院系综合楼的设计建筑设计，横向边框架组合荷载计算及结构设计起 迄 日 期: 设计(论文)地点: 指 导 教 师: 专业负责人: 发任务书日期: 目录1 摘要 32 前言 43 结构设计说明 53.1 工程概况 53.2 设计主要依据和资料 53.3结构方案的选型及布置 74 结构设计计算说明书 94.1竖向恒载作用下的横向框架内力计算 94.2竖向活荷载作用下横向框架内力计算 214.3 内力组合计算 315 框架梁的配筋计算 386 框架柱的配筋计算 446 结论 487 致谢 49参考文献 50摘要 本结构计算选用横向边框架为计算单元，采用手算的简化计算方法，其中计算框架在竖向荷载下的内力时使用的弯距二次分配法，不但使计算结果较为合理，而且计算量较小，是一种不错的手算方法。本设计主要通过工程实例来强化大学期间所学的知识，建立一个完整的设计知识体系，了解设计总过程，通过查阅大量的相关设计资料，提高自己的动手能力。关键词：框架、梁、柱、结构设计、配筋前言 结构设计是土木工程毕业设计的重要阶段,是毕业前的综合学习阶段,是深化、拓宽、综合教和学的重要过程,是对大学期间所学专业知识的全面总结。 本组毕业设计题目为某高校院系综合楼的设计。在结构前期,我温习了结构力学、土力学与基础工程、混凝土结构、并借阅了混凝土规范、荷载规范、砌体规范、地基规范等规范。在网上搜集了不少资料,并做了笔记。在结构设计中期,我们通过所学的基本理论、专业知识和基本技能进行计算和分析。本组在成员齐心协力,发挥了大家的团队精神。在结构设计后期,主要进行设计手稿的电脑输入和计算出图(并有一张手画基础图),并得到老师的审批和指正,使我圆满的完成了任务,在此表示衷心的感谢。结构设计的八周里,在指导老师的帮助下,经过资料查阅、设计计算、以及外文的翻译,加深了对新规范、规程、手册等相关内容的理解。巩固了专业知识、提高了综合分析、解决问题的能力。在进行内力组合的计算时,进一步了解了Excel;在绘图时熟练掌握了AutoCAD,等专业软件。以上所有这些从不同方面达到了毕业设计的目的与要求。框架结构设计的计算工作量很大,在计算过程中以手算为主,辅以一些计算软件的校正。由于自己水平有限,难免有不妥和疏忽之处,敬请各位老师批评指正。3.结构设计说明 3.1 工程概况本工程为某高校院系综合楼的建筑及结构设计（包括建筑设计，横向边框架组合荷载计算及结构设计），该建筑为框架结构，层数为五层，建筑面积约8000 平方米。根据该房屋的使用功能及建筑设计要求，进行了平立面及剖面的设计，主体结构为5 层，层高均为4m。填充墙采用蒸压粉煤灰混凝土砌块，外墙300mm，内墙200mm；门为实木门，门洞尺寸1.0m2.1m；窗为铝合金窗，窗洞尺寸1.8m2.4m。楼盖及屋盖均采用现浇钢筋混凝土结构，板厚120mm。3.2 设计主要依据和资料3.2.1 设计依据 a) 国家及江苏省现行的有关结构设计规范、规程及规定。b) 本工程各项批文及甲方单位要求。c) 本工程的活载取值严格按建筑结构荷载规范（GB50009-2001）执行。3.2.2 设计资料 1 房屋建筑学 武汉工业大学出版社2 混凝土结构（上、下） 武汉理工大学出版社3 基础工程 同济大学出版社4 建筑结构设计 东南大学出版社5 结构力学 人民教育出版社6 地基与基础 武汉工业大学出版社7 简明建筑结构设计手册 中国建筑工业出版社8 土木工程专业毕业设计指导 科学出版社9 实用钢筋混凝土构造手册 中国建筑工业出版社10 房屋建筑制图统一标准（BG50001-2001） 中国建筑工业出版社11 建筑结构制图标准（BG50105-2001） 中国建筑工业出版社12 建筑设计防火规范（GBJ1687） 中国建筑工业出版社13 民用建筑设计规范（GBJI0I8-7） 中国建筑工业出版社14 综合医院建筑设计规范（JGJ49-88） 中国建筑工业出版社15 建筑楼梯模数协调标准（GBJI0I-87） 中国建筑工业出版社16 建筑结构荷载规范（GB5009-2001） 中国建筑工业出版社17 建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001） 中国建筑工业出版社18 混凝土结构设计规范（GB500102002） 中国建筑工业出版社19 地基与基础设计规范（GB5007-2002） 中国建筑工业出版社20 砌体结构 中国建筑工业出版社21 简明砌体结构设计施工资料集成 中国电力出版社22 土木工程专业毕业设计指南 中国水利水电出版社23 土建工程图与AutoCAD 科学出版社24 简明砌体结构设计手册 机械工业出版社25 砌体结构设计手册 中国建筑工业出版社26 砌体结构设计规范（GB500102002） 中国建筑工业出版社全部图纸尺寸除标高以米为单位外均以毫米为单位。本工程结构图中所注标高均为结构标高。3.3结构方案的选型及布置3.3.1 确定结构体系本工程采用框架承重，现浇整体式钢筋砼楼板，墙体200厚KP1空心砖墙。3.3.2 梁柱截面的确定梁、柱截面尺寸的初步确定：(1)梁截面尺寸估算 梁截面高度一般取梁跨度的 1/121/8 进行估算，梁宽取梁高的1/31/2。本方案中边横梁高为72001/12=600mm ， 截面宽度取6001/2=300mm ， 可得梁的截面初步定为bh=300600。各种梁截面见表4.1表3.1 梁截面尺寸表（mm）混凝土等级横梁（bh）纵梁（bh）次梁（bh）AB 跨、CD 跨BC 跨C30300600300400300600300500(2)柱的截面尺寸估算 根据柱的轴压比限值按下列公式计算: a)柱组合的轴压力设计值 N=FgEn1gE为折算在单位面积上的重力荷载代表值，近似的取（1215）kN/m2；n 为验算截面以上的楼层层数。 b)计算过程： 对于边柱： N=FgEn=1.325.92145=2358.72 KN Ac=N/Nfc=2358.72103/(0.814.3)=206181.82 mm对于中柱： N=FgEn=1.2534.56145=3024.00 KN Ac=N/Nfc= 26433.66 mm 综合以上计算结果并考虑其它因素取边柱和中柱截面为600mm600mm。表3.2 柱截面尺寸（mm）层次混凝土等级bh1-5C306006003.3.3 结构布置及计算简图 图3-14.结构设计计算说明书4.1 竖向恒载作用下的横向框架(KJ-1)内力计算4.1.1 竖向恒载计算1、屋面框架梁线载标准值屋面恒载为4.18kN/m2边跨框架梁自重(含粉刷)为： 3.2kN/m中跨框架梁自重(含粉刷)为： 1.78kN/m 屋面板传给边跨梁的线载为： 4.18（5+1）/22/5=5.02kN/m屋面板传给中跨梁的线载为： 4.1821/2/2=2.09kN/m女儿墙自重： 0.20.514=1.4 kN/m2、楼面框架梁线载标准值楼面恒载为4.31KN/m2边跨框架梁自重(含粉刷)为： 3.2kN/m中跨框架梁自重(含粉刷)为： 1.78kN/m 楼面板传给边跨梁的线载为： 4.31（5+1）/22/5=5.17kN/m楼面板传给中跨梁的线载为： 4.3121/2/2=2.16kN/m墙自重： 0.22.914+0.022.9220=10.44 kN/m3、屋面框架节点集中荷载标准值(1)、边柱 纵向框架梁传来的屋面板自重 4.184/2=8.36kN边柱纵向框架梁自重(含粉刷) 5.022=10.04kN0.5m高女儿墙自重 0.50.2214=2.8kN女儿墙粉刷 0.50.022220=0.8kN GA= GD=22kN (2)、中柱 纵向框架梁传来的屋面板自重 8.36+4.183/2=14.63kN中柱纵向框架梁自重(含粉刷) 5.022=10.04kN GB=GC=24.67kN4、楼面框架节点集中荷载标准值(1)、边柱边柱纵向框架梁自重(含粉刷) 10.04kN楼面板自重 4.184/2=8.36kN纵向框架梁传来的墙自重 0.222.914=16.24kN 墙粉刷 20.021/242.920=4.64kN框架柱自重(含粉刷) 4.0642.9=11.79kN GA=GD=51.07kN(2)、中柱中柱纵向框架梁自重(含粉刷) 10.04kN楼面板自重 8.36+4.313/2=14.83kN纵向框架梁传来的墙自重 16.24kN 墙粉刷 4.64kN框架柱自重(含粉刷) 25.38kN GA=GD=71.13kN5、竖向恒载作用下的结构计算简图 图4-14.1.2 竖向荷载作用下横向框架(KJ-1)内力计算1、求各梁端的固端弯矩 第五层 MAB= -MBA= MCD= -MDC= -ql2= -9.6252= -20.04kNm MBC= -MCB = MCD= -MDC= -ql2= -5.2722= -1.76kNm 第一四层 MAB= -MBA= -ql2= -16.4952= -34.35kNm MBC= -MCB = -ql2= -12.0622= -4.02kNm2、计算各梁和柱的分配系数各梁柱的线刚度及相对线刚度如下图所示： 图4-2梁柱的分配系数如下表所示表4-1层 次五 层四、三、二层 底 层节 点ABCDABCDABCD转动刚度S左梁5.761345.765.7615.765.7615.76上柱7.4330.97.4330.97.4330.97.4330.97.4330.97.4330.97.4330.97.4330.9下柱7.4330.97.4330.97.4330.97.4330.97.4330.97.4330.97.4330.97.4330.96.166.166.166.16右梁5.7615.765.7615.765.7615.76S12.4513.4513.4512.4519.1320.1320.1319.1318.6119.6119.6118.61分配系数左梁0.430.070.460.270.050.30.290.050.31上柱0.350.340.340.350.360.340.340.36下柱0.540.50.50.540.350.340.340.350.330.310.310.33右梁0.460.070.430.30.050.270.310.050.29注：在计算分配系数时，除底层柱外的其余各层柱，其线刚度均应乘以折减系数0.9。3、用弯矩分配法计算梁、柱端的弯矩注：各节点间的传递系数均为1/2。图4-34、利用支座弯矩和实际荷载求边跨跨中弯矩经过推导，可得边跨跨中弯矩为： M中= -+(g+q)l2式中：M1、M2分别为梁左右两端的支座弯矩 q梁上所受的均布荷载值 g梁自重的均布荷载 l梁的总跨度故各层梁边跨的跨中弯矩为：第五层： MAB = MDC =+9.6252 =13.83kNm MBC中= 2.41+5.2722 =0.23kNm第四层： MAB =+16.495 2 =20.19kNm MBC中=4.59+12.0622 =1.44kNm第三层： MAB =+16.495 2=20.01kNm MBC中=4.61+12.0622 =1.42kNm第二层： MAB =+16.495 2=19.99kNm MBC中=4.61+12.0622 =1.42kNm第一层： MAB =+16.495 2=19.99kNm MBC中=4.87+12.0622 =1.16kNm5、各层弯矩迭加图4-46、根据弯矩图利用平衡条件及实际荷载求剪力及轴力(1)、第五层图4-5VA= VD=(15.71+9.6252-16.75)/5=23.84kNVB左= VC右=(16.75+9.6252-15.71)/5=24.26kNNA= ND=23.84+22=45.84KN图4-6VB右= VC左=(2.41+5.2722-2.41)/2=5.27kNNB= NC=5.27+24.26+22=51.53kN (2)、第四层VA= VD=(30.34+16.4952-32.35)/5=40.82kNVB左= VC右=(32.35+16.4952-30.34)/5=41.63kNNA= ND=23.84+51.07+40.82=115.73kNVB右= VC左=12.06kNNB= NC=12.06+71.13+41.63+51.53=176.35kN(3)、第三层VA= VD=(30.52+16.4952-32.52)/5=40.83kNVB左= VC右=(32.52+16.4952-30.52)/5=41.63KNNA= ND=115.73+40.83+51.07=207.63kNVB右= VC左=12.06kNNB= NC=12.06+71.13+41.63+176.35=301.17kN(4)、第二层VA= VD=(30.57+16.4952-32.52)/5=40.84kNVB左= VC右=(32.52+16.4952-30.57)/5=41.62kNNA= ND=40.84+51.07+207.63=299.54kNVB右= VC左=12.06kNNB= NC=12.06+41.62+71.13+301.17=425.98kN(5)、第一层VA= VD=(28.7+16.4952-30.32)/5=40.9kNVB左= VC右=(30.32+16.4952-28.7)/5=41.55kNNA= ND=40.9+51.07+299.54=391.51kNVB右= VC左=12.06kNNB= NC=12.06+41.5+71.13+425.98=550.67kN经整理可得：图4-77、进行弯矩调幅弯矩调幅时：支座调幅0.85，跨中调幅1.15。图4-84.2 竖向活载作用下的横向框架(KJ-6)内力计算4.2.1竖向活载计算1、屋面框架梁线载标准值屋面活载为0.7KN/m2 屋面板传给边跨梁的线载为： 0.71/2(5+1)2/5=0.84KN/m 屋面板传给中跨梁的线载为： 0.71/212/2=0.35KN/m2、楼面框架梁线载标准值本例楼面、楼梯活载取2.0KN/m2。楼面板传给边跨梁的线载为： 21/2(5+1)2/5=2.4KN/m 楼面板传给中跨梁的线载为： 21/212/2=1KN/m3、屋面框架节点集中荷载标准值A柱(D柱)集中力： 0.71/242/2=1.4KNB柱(C柱)集中力： 1.4+0.71/2(4+2)1=3.5KN4、楼面框架节点集中荷载标准值A柱(D柱)集中力： 21/242/2=4KNB柱(C柱)集中力： 4+21/2(4+2)1=10KN5、竖向活载作用下的结构计算简图图4-94.3.2 竖向荷载作用下横向框架(KJ-6)内力计算1、求各梁端的固端弯矩 第五层 MAB= -MBA= MCD= -MDC=-ql2= -0.8452= -1.75KNm MBC= -MCB =-ql2= -0.3522= -0.12KNm 第一四层 MAB= -MBA= MCD= -MDC= -ql2= -2.452= -5KNm MBC= -MCB=-ql2= -122 =-0.33KNm2、计算各梁和柱的分配系数各梁柱的线刚度及相对线刚度如下图所示： 图4-10梁柱的分配系数如下表所示： 表4.2层 次五 层四、三、二层 底 层节 点ABCDABCDABCD转动刚度S左梁5.761345.765.7615.765.7615.76上柱7.4330.97.4330.97.4330.97.4330.97.4330.97.4330.97.4330.97.4330.9下柱7.4330.97.4330.97.4330.97.4330.97.4330.97.4330.97.4330.97.4330.96.166.166.166.16右梁5.7615.765.7615.765.7615.76S12.4513.4513.4512.4519.1320.1320.1319.1318.6119.6119.6118.61分配系数左梁0.430.070.460.270.050.30.290.050.31上柱0.350.340.340.350.360.340.340.36下柱0.540.50.50.540.350.340.340.350.330.310.310.33右梁0.460.070.430.30.050.270.310.050.29注：在计算分配系数时，除底层柱外的其余各层柱，其线刚度均应乘以折减系数0.9。3、用弯矩分配法计算梁、柱端的弯矩注：各节点间的传递系数均为1/2。 图4-114、利用支座弯矩和实际荷载求边跨跨中弯矩经过推导，可得边跨跨中弯矩为： M中= -+(g+q)l2式中：M1、M2分别为梁左右两端的支座弯矩 q梁上所受的均布荷载值 g梁自重的均布荷载 l梁的总跨度故各层梁边跨的跨中弯矩为：第五层： MAB = MDC =+0.8452 =1.06KNm MBC中=0.15+0.3522= 0.03KNm第四层： MAB = MDC =+2.452 =2.94KNm MBC中=0.42+122= 0.08KNm第三层： MAB =+2.452 =2.92KNm MBC中=0.4+122=0.1KNm第二层： MAB =+2.452 =2.92KNm MBC中=0.4+122=0.1KNm第一层： MAB =+2.452 =3.23KNm MBC中=0.45+122=0.05KNm5、各层弯矩迭加 图4-126、根据弯矩图利用平衡条件及实际荷载求剪力及轴力(1)、第五层VA= VD=(1.54+0.8452-1.6)/5=2.09KNVB左= VC右=(1.6+0.8452-1.54)/5=2.11KNNA= ND=2.09+1.4=3.49KN 图4-14VB右= VC左=0.35KNNB= NC=0.35+3.5+2.11=5.96KN(2)、第四层 图4-15VA= VD=(4.35+2.452-4.58)/5=5.95KNVB左= VC右=(4.58+2.452-4.35)/5=6.05KNNA= ND=5.95+4+2.09=12.04KN 图4-16VB右= VC左=1KNNB= NC=1+10+6.05+5.96=23.01KN(3)、第三层VA= VD=(4.47+2.452-4.69)/5=5.96KNVB左= VC右=(4.69+2.452-4.47)/5=6.04KNNA= ND=5.96+4+12.04=22KNVB右= VC左=1KNNB= NC=1+10+6.04+23.01=40.05KN (4)、第二层VA= VD=(4.48+2.452-4.69)/5=5.96KNVB左= VC右=(4.69+2.452-4.48)/5=6.04KNNA= ND=5.96+4+22=31.96KNVB右= VC左=1KNNB= NC=1+10+6.04+40.05=57.09KN (5)、第一层VA= VD=(4.2+2.452-4.35)/5=5.97KNVB左= VC右=(4.35+2.452-4.2)/5=6.03KNNA= ND=5.97+4+31.96=41.93KNVB右= VC左=1KNNB= NC=1+10+6.03+57.09=74.12KN 经整理可得：图4-177、进行弯矩调幅 弯矩调幅时：支座调幅0.85，跨中调幅1.15。图4-184.3 内力组合一、对竖向恒载、活载作用下的梁端弯矩进行调幅。（梁端统一取调幅系数0.8，而跨中弯矩利用平衡条件求得表 4.3 竖向恒荷作用下的梁端弯矩调幅荷载类型竖向恒荷作用下的梁端弯矩调幅荷载位置B端C端左BC跨中截面C右=DBC跨中截面层次调幅前调幅后调幅前调幅后调幅前调幅后调幅前调幅后调幅前调幅后556.8851.19 64.6258.16 58.4264.50 14.2212.80 8.335.63 486.6778.00 89.4480.50 56.9665.77 10.29.18 5.044.10 385.476.86 88.7279.85 57.9666.67 10.429.38 5.344.30 285.8377.25 89.0480.14 57.5966.33 10.339.30 5.254.22 178.0970.28 83.2774.94 64.3472.41 12.5911.33 7.516.25 表 4.4 竖向活荷作用下的梁端弯矩调幅荷载类型竖向活荷作用下的梁端弯矩调幅荷载位置A端B左AB跨中截面B右=C左BC跨中截面层次调幅前调幅后调幅前调幅后调幅前调幅后调幅前调幅后调幅前调幅后520.518.45 23.6221.26 22.0715.05 4.794.31 2.091.61 426.7224.05 27.8425.06 16.8519.58 3.73.33 1.00.63 325.923.31 27.1624.44 17.620.25 3.93.51 1.20.81 226.0323.43 27.2524.53 17.4920.15 3.873.48 1.170.78 123.6921.32 25.5422.99 19.5121.98 4.534.08 1.831.38 4.3.1 一榀框架的内力组合根据以上内力计算结果，我们可进行框架各梁柱控制截面的内力组合。由于结构的对称性，梁每层有五个控制截面，柱分为A柱、B柱，每层柱有两个控制截面。采用的组合形式为:（1）活荷载起控制作用的组合（即基本组合） （2）恒荷载起控制作用的组合 一、 框架梁内力组合(1).边跨梁： 表 4.5 边跨梁内力组合表(表中弯矩单位为kNm，轴力单位为kN)层数边跨截面内力恒载活载内力组合1.2+1.41.2(+0.5)1.35+1.40.7五层左M-51.19-18.45-87.26-28.32-116.67-87.1875V65.1224.09111.87103.8081.39111.5202中M64.515.0598.4790.2882.58101.824右M-58.16-21.26-99.56-46.06-119.04-99.3508V-67.28-24.95-115.67-84.50-106.91-115.279四层左M-78-24.05-127.27-7.37-208.69-128.869V80.1924.36130.33137.3884.31132.1293中M65.7719.58106.3495.8185.54107.9779右M-80.5-25.06-131.68-21.23-202.04-133.234V-80.95-24.68-131.69-85.42-138.48-133.469三层左M-76.86-23.31-124.8759.01-271.45-126.605V80.1124.34130.21153.2968.19132.0017中M66.6720.25108.35104.2180.10109.8495右M-79.85-24.44-130.0430.66-251.63-131.749V-81.03-24.7-131.82-69.51-154.61-133.597二层左M-77.25-23.43-125.50102.53-316.05-127.249V80.1224.35130.23165.3856.13132.025中M66.3320.15107.81104.3179.06109.2925右M-80.14-24.53-130.5173.16-294.93-132.228V-81.02-24.69-131.79-57.41-166.66-133.573一层左M-70.28-21.32-114.18./-337.68-115.772V79.8524.26129.78173.2847.47131.5723中M72.4121.98117.66114.1985.98119.2939右M-74.94-22.99-122.11108.63-316.08-123.699V-81.29-24.78-132.24-49.51-175.32-134.026(2)走道梁： 表 4.6 走道梁内力组合表(表中弯矩单位为kNm，轴力单位为kN)层数中跨截面内力恒载活载内力组合1.2+1.41.2(+0.5)1.35+1.40.7五层左M-12.8-4.31-21.393.96-39.85-21.5038V9.814.518.0732.72-3.7817.6535中M-20.55-1.61-26.91-25.63-25.63-29.3203四层左M-9.18-3.33-15.6842.02-68.04-15.6564V8.474.516.4658.73-33.0015.8445中M-4.01-0.63-5.69-5.19-5.19-6.0309三层左M-9.38-3.51-16.1771.33-98.06-16.1028V8.474.516.4683.44-57.7115.8445中M-4.3-0.81-6.29-5.65-5.65-6.5988二层左M-9.3-3.48-16.0397.17-123.67-15.9654V8.474.516.46104.88-79.1515.8445中M-4.22-0.78-6.16-5.53-5.53-6.4614一层左M-11.33-4.08-19.31111.37-143.46-19.2939V8.474.516.46119.05-93.3215.8445中M-6.25-1.38-9.43-8.33-8.33-9.7899二框架柱内力组合（1）B柱：表4.7 B柱内力组合层数边柱内力恒载竖向活荷载内力组合本层1.2+1.41.2(+0.5)1.2(+0.5)1.35+1.40.7五层M上56.8820.5096.96124.7336.3896.878M下45.3114.6374.8586.9439.3675.5059N120.1031.69188.49174.34151.93193.1912V30.9710.6552.0764.1522.9652.2465四层M上41.3612.0966.56133.76-19.9867.6842M下42.7012.9569.37121.90-3.8870.336N290.6063.65437.83424.65349.17454.687V25.477.5941.1977.47-7.2441.8227三层M上42.7012.9569.37161.35-43.3370.336M下42.2412.8168.62150.97-34.2369.5778N461.0295.59687.05690.87530.29716.0552V25.747.8141.8295.04-23.8942.4028二层M上43.5913.2270.82176.93-56.4571.8021M下51.2815.5683.32187.56-45.8284.4768N631.45127.54936.30969.18699.35977.4467V28.758.4246.29110.27-31.1747.0641一层M上26.818.3143.81161.02-86.7144.3373M下13.414.0721.79238.74-201.6722.0921N801.61159.401185.091255.39859.751238.3855V9.352.8315.1892.93-67.1015.3959(2)C柱表4.8 C柱内力组合层数中柱内力恒载竖向活荷载内力组合本层1.2+1.41.2(+0.5)1.2(+0.5)1.35+1.40.7五层M上50.4018.8386.84130.1713.3886.4934M下40.8513.2367.5491.9921.9268.1129N152.2740.12238.89213.84199.75244.8821V27.659.7246.7957.2620.7646.8531四层M上38.3910.9161.34164.83-59.6062.5183M下39.1511.6363.26145.78-37.8664.2499N365.6379.97550.71513.12460.36571.9711V23.506.8337.7678.16-13.5738.4184三层M上39.1511.6363.26187.98-80.0664.2499M下38.8227.2584.73196