框架结构体系结构设计.doc

江西科技学院本科生毕业论文（设计）框架结构体系结构设计第一章 建筑设计1.1 设计资料建筑设计使用年限50年。年均气温27.6度，最高气温39度，最低气温4.3度。东北风为主导风向，基本风压0.35kN/m2，基本雪压0kN/m2。年降雨量1002.3mm，最大雨量135.6mm/d。拟建建筑场地已经人工填土平整，地形平坦，地面高程为2.4m。土质构成自地表向下依次为： 杂填土：厚度约为0.6m，承载力特征值fak=85kPa，天然重度16.2kN/m2。灰色粘土：厚度约为1.8m，承载力特征值fak=120kPa，天然重度18.4kN/m2。褐色粉质粘土：厚度约为1.6m，少量粉砂，含粘粒，饱和，松散稍密状。承载力特征值fak=220kPa，天然重度19.4kN/m2。中砂：厚度约为6.7m，以中粗砂为主，饱和，属密实状态，承载力特征值为240kPa，工程地质性质良好，可作为持力层。场地地下水水位高程约为2.3m。经取水样进行水质分析，判定该地下水对混凝土无侵蚀性。经地质勘察部门确定，场地地震基本烈度为7度，设计基本地震的加速度为0.1g，框架抗震等级为三级。建筑场地为类，设计地震分组为第三组，场地特征周期为0.45s。梁、板、柱的混凝土均选用C30，梁、柱主筋选用HRB400，箍筋选用HPB300，板受力钢筋选用HRB335。1.2 建筑设计方案一个设计应满足到适用、耐久、美观三大要求。首先，应考虑场地的环境、使用功能、结构施工、材料设备、建筑经济及建筑艺术等问题，同时，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。该工程为多层住宅楼，根据设计任务书的要求，该住宅楼层数为6层，建筑面积4700左右。1.3 结构设计说明本工程采用，框架抗震等级为三级。本工程耐火等级为二级，其建筑构件的耐火极限及燃烧性能均按民用建筑设计规范执行.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。1.4 结构设计年均气温27.6度，最高气温39度，最低气温4.3度。东北风为主导风向，基本风压0.35kN/m2，基本雪压0kN/m2。年降雨量1002.3mm，最大雨量135.6mm/d。场地地下水水位高程约为2.3m。经取水样进行水质分析，判定该地下水对混凝土无侵蚀性。经地质勘察部门确定，场地地震基本烈度为7度，设计基本地震的加速度为0.1g，框架抗震等级为三级。建筑场地为类，设计地震分组为第三组，场地特征周期为0.45s。.第二章 结构方案选择与结构布置2.1 结构设计方案截面尺寸以及框架计算简图2.2 梁截面尺寸梁截面高度跨度的1/12至一般取梁1/8本方案取(1/121/8)5100=(425637)mm，截面宽度取500(1/31/2)=(166250)mm，可得梁的截面初步定为bh=300mm500mm。2.3 框架柱的截面尺寸（1）柱组合的轴压力设计值注：考虑地震作用组合后柱轴压力增大系数。F按简支状态计算柱的负载面积。gE 折算在单位建筑面积上的重力荷载代表值，可近似的取14KN/m2。n为验算截面以上的楼层层数。为框架柱轴压比限值，本方案为三级抗震等级，查抗震规范可知取为0.8。 为混凝土轴心抗压强度设计值，对C30，查得14.3N/mm2。（2） 计算过程对于边柱：取600mm600mm对于中柱：=1.254.453.9126=1561.95KN取600mm600mm表2.1梁截面尺寸(mm)及各层混凝土等级强度层次混凝土强度等级横梁纵梁次梁AB跨,CD跨BC跨1-6C3026层柱高为2.5m,底层柱高度从基础顶面取至一层底板4.00m,2.4框架结构计算简图本设计取6号轴线一榀框架，如图2.1图2.1 框架结构计算简图第三章 荷载计算3.1荷载计算3.1.1 荷载标准值计算（1）屋面及楼面的永久荷载标准值 屋面(上人) 30厚细石混凝土保护层 220.03=0.66KN/三毡四油防水层 0.4KN/20厚1：3的水泥砂浆找平层 200.02=0.4KN/150厚水泥蛭石保温层 50.15=0.75KN/120厚钢筋混凝土板 250.12=3.0KN/V型轻钢龙骨吊顶 0.25KN/ 合计 5.46KN/1-6层楼面:松木地板地面 0.18KN/120mm厚钢筋混凝土楼板 250.12=3.0KN/V型轻钢龙骨吊顶 0.25KN/ 合计 3.43KN/（2）屋面及楼面可变荷载标准值不上人屋面均布活荷载标准值 0.5KN/楼面活荷载标准值 2.0KN/（3）墙重力荷载计算 外墙厚240mm采用加气混凝土砌块，外墙面石灰粗砂粉刷(0.34KN/)。内墙面为200mm厚抹灰，则外墙单位墙面重力荷载为:0.34+60.24+170.02=3.08KN/ 内墙为200mm厚加气混凝土砌块,两侧均为20mm厚抹灰,则内墙单位面积重力荷载为:木门单位面积重力荷为0.2KN/,铝合金窗单位面积重力荷载取0.4KN/,钢铁门单位面积重力荷载取0.4KN/.（4） 梁,柱自重重力荷载62表3.1 梁,柱重力荷载表层次构件/m/m/(KN/)(KN/m)/m/KN/KN1边横梁(AB)0.30.5251.053.9384.513225.31634.999边横梁(CD)0.30.5251.053.9383.613179.2中横梁0.30.5251.053.9382.113107.5次 梁(AB)0.250.5251.053.2814.812189次 梁(CD)0.250.5251.053.2813.98102.4纵 梁0.30.5251.053.9385.632705.7纵 梁0.30.5251.053.9382.016126柱0.60.6251.109.94.0052233223322-6边横梁(AB)0.30.5251.053.9384.513225.251634.999边横梁(CD)0.30.5251.053.9383.613179.18中横梁0.30.5251.053.9382.113107.5次 梁(AB)0.250.5251.053.2814.812189次 梁(CD)0.250.5251.053.2813.98102.4纵 梁0.30.5251.053.9385.632705.7纵 梁0.30.5251.053.9382.016126.02柱0.60.6251.109092.5521544.41544.43.1.2 重力荷载代表值计算（1）墙体自重首层10道横墙：16.488x（12x10+2.1x2）=2079.11 KN内纵墙：16.488（6x17+6x17）=3414.96KN外纵墙：16.488610=1004.4KN隔墙：9.33646730.11 KN 合计 7228.6KN标准层10道横墙：14.628x（12x10+2.1x2）=1844.57 KN内纵墙：14.628（6x17+6x17）=3029.72KN外纵墙：14.628610=891.09KN隔墙：8.09346632.90KN合计 5544.5KN（2）梁自重 16层KJL：L4：L11：L2：合计 1249.6KN顶层：横向： 567.1KN纵向： 2924=1176KN合计 1743.1KN（3）屋面恒载（4）屋面活载：（5）楼面恒载（6）楼面活载（7）柱自重2-6层G= 4.022KN/m2.5m32+3.21762.516=547.5KN1层G= 4.022KN/m4m32+3.2176416=379.04KN荷载分层总汇：顶层重力荷载代表值包括；屋面恒载，50%屋面均布活载，纵横梁自重，半层柱自重，半层墙体自重 其它层重力荷载代表值包括：楼面恒载，50%楼面均布活载，纵横梁自重，楼面上下各半层柱自重、墙等自重按上面方法叠加，则多层重力荷载代表值如下：屋顶重力荷载代表值：G0=3416.3+1743.1+0.5254.4=5286.6KN1层重力荷载代表值：G1=1249.6+2512.6+(7228.6+5544.5+790.3+547.5)0.5=8533.5KN2、3、4、5、层荷载代表值：=5544.5+547.5+2512.6+1249.6+1597.50.5=8139.7KN6层重力荷载代表值： G6=3416.3+1743.1+380.7+449.5+449.5+0.5（5544.5+547.5）+28.96=6061.7KN 质点重力荷载代表值见下图：图3.1 重力荷载代表值3.1.3 竖向荷载计算图3.2 框架计算单元取轴线横向框架进行计算，计算单元宽度为6.3m，如图所示，由于房间内布置有次梁，故直接传给该框架的楼面荷载，如图中的水平阴影线所示，计算单元范围内的其余楼面荷载则通过次梁和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。 在图3.3中,中代表横梁自重为均布荷载形式，对于第6层=3.938KNm-1 =3.938KNm-1 =3.938KNm-1,为房间AB,BC,CD传给横梁的梯形荷载和三角形荷载=5.463.3=19.656KNm-1=5.462.7=14.742KNm-1,分别为由边纵梁、中纵梁直接传给柱的恒载，包括梁自重、楼板重等的重力荷载，计算如下图3.3 各层梁上作图用的荷载对于15层，,包括梁自重和其上横墙自重为均布荷载，其它荷载计算方法同第6层=3.938+1.882.5=8.638KNm-1 =3.938+1.882.5=8.638KNm-1=3.433.3=11.32KNm-1 KNm-1活荷载作用下各框架的荷载分布如图4图3.4 各层梁上作用的活荷载将以上结果汇总，见表3.2和表3.3表3.2 横向框架恒荷载汇总表层次63.9 3.9 3.9 19.7 14.7 19.7 113 134 124 104 17.0 15.6 1-58.6 8.6 8.6 11.3 9.3 11.3 107 117 112 99 16.0 14.8 表3.3 横向框架活载汇总表层次66.65.46.622.2836.4533.4819.313.342.901-56.65.46.622.2836.4533.4819.313.342.903.2 横向框架侧移刚度计算表3.4 横梁线刚度ib计算类别层次N/mm/mmmm/mm4/mm/N.mm/N.mm/N.mm边横梁16边横梁164200中横梁16表3.5 柱线刚度ic计算层次hC/mmECN/mmbh/mmmmIc/mm4ECI0/hc/N.mm140003.151046006001.0810107.5110102625003.151046006001.08101011.341010表3.6 中框架柱侧移刚度D值(Nmm-1)跨度层次边柱(14根)中柱(14根)5100260.3400.145145190.9830.3304989670856510.5140.403176981.4850.570343065620444200260.4130.171171231.0560.3465231520831410.6240.428187961.5950.58325603138197表3.7 边框架侧移刚度D值(Nmm-1)层次A-1、A-21B-1,B-21C-1,C-21D-1,D-21Di1Di2Di1Di3260.2550.113170860.7380.270408240.2700.284429410.3100.1342026124222410.3850.371162931.1340.521228800.5310.531233200.4680.39217215169416表3.8 横向框架层间侧移刚度(Nmm-1)层次123456125552917118951711895171189517118951711895由上表得到/ =0.7330.7,故该框架为规则框架3.3 横向水平地震作用下框架结构的内力和侧移计算（1）横向自振周期计算结构顶点的假想侧移计算由表3.9体现表3.9 结构顶点的假想侧移计算层次Gi/KNVGi/KN/(Nmm-1)/mm/mm66061606117118953.5102.8581391420017118958.399.34813922339171189513.0913813930478171189517.8782813938617171189522.660.21853347150125552937.637.6计算基本周期T1,其中T的量纲为m,取T=0.7,则 T1=1.70.7=0.38s（2） 水平地震作用及楼层地震剪力结构不超过40m,质量和刚度沿高度分布比较均匀,变形以剪切性为主故可用底部剪力法计算水平地震作用。结构总水平地震作用标准值，即 FEK=1Geq=0.07440077.5=2965.7KN因1.4Tg=1.40.45=0.63sT1=0.38s 所以不用考虑顶部附加水平地震作用。各质点的水平地震作用按公式计算Fi=具体计算结果由表3.10体现表3.10 各质点横向水平地震作用及楼层地震剪力计算层次Hi/mGi/KNGiHi/KNFi/KNVi/KN617.56061123826.230.223661.4661.4515.08139134537.670.243720.71382.1412.58139110120.670.199590.21972.3310.0813985703.670.155459.7243227.5813961286.670.111329.22761.214.00853338654.490.070207.62968.8各质点水平地震作用及楼层地震剪力沿房屋高度的分布图见图3 （a）水平地震作用分布 （b）层间剪力分布图3.5 横向水平地震作用及楼层地震剪力 3.4水平地震作用下位移计算水平地震作用下框架结构层间位移和顶点位移分别 按和计算。计算结果见表3.11表3.11 横向水平作用下的位移验算层次Vi/KN（N/mm）/mmui/mmHi/mm6661.417118950.397.7425001/769251382.117118950.817.3525001/370441972.317118951.156.5425001/26093243217118951.425.3925001/211322761.217118951.613.9725001/186312968.812555292.362.3640001/1919由表3.11可知，最大层间弹性位移角发生在第二层，其值为满足的要求，其中查表可得。3.5 内力计算3.5.1竖向荷载下的内力计算梁端，柱端弯矩采用弯矩二次分配法计算。由于结构和荷载均对称，故计算时可用半框架。弯矩计算过程如图3.6，图3.7,所得弯矩如图3.8，图3.9,梁端剪力可根据梁上竖向荷载引起的剪力与梁端弯矩引起的剪力相迭加而得。柱轴力可由梁端剪力和节点集中力迭加得到。计算柱底轴力还需考虑柱的自重。如表3.12和表3.13。图3.6 横向框架弯矩的二次分配法(恒荷载作用下) 图3.7 横向框架弯矩的二次分配法(活荷载作用下)图3.7 竖向荷载作用下框架弯矩图（单位： kNm）(恒荷载作用下) 图3.8 竖向荷载作用下框架弯矩图（单位： kNm）(活荷（屋面雪荷）表3.12 恒载作用下梁端剪力及柱轴力（KN）恒载作用下梁端剪力及柱轴力(KN)层次荷载引起剪力弯矩引起剪力总剪力柱轴力AB跨BC跨CD跨AB跨BC跨CD跨AB跨BC跨CD跨A柱B柱C柱D柱Va=VbVb=VcVc=VdVa=-VbVb=VcVc=-VdVaVbVb=VcVcVdN顶N底N顶N底N顶N底N顶N底643.9215.2733.330.071.692.8244.043.816.9636.130.5157.4187.1194.68224.38177.38207.1134.4164.1541.5417.9132.570.261.070.6941.841.218.9933.231.8305.9365.3371.92376.30341.51400.9265.0324.4441.5417.9132.570.111.070.9841.641.418.9833.531.5454.3543.4549.30583.38505.92595.1395.3483.8341.5417.9132.570.111.070.9841.641.418.9833.531.5602.6721.4726.68790.46670.33789.0525.7643.8241.5417.9132.570.111.070.9841.641.418.9833.531.5751.0899.5904.06997.54834.74983.2656.0803.9141.5417.9132.570.101.151.0141.641.419.0633.531.5899.31092.71081.531219.86999.261192.6786.3979.01表3.13 活载作用下梁端剪力及柱轴力（KN）活载作用下梁端剪力及柱轴力(KN)层次荷载引起剪力弯矩引起剪力总剪力柱轴力AB跨BC跨CD跨AB跨BC跨CD跨AB跨BC跨CD跨A柱B柱C柱D柱Va=VbVb=VcVc=VdVa=-VbVb=VcVc=-VdVaVbVb=VcVcVdN顶=N底雪荷载N顶=N底雪荷载N顶=N底雪荷载N顶=N底雪荷载611.383.658.41-0.040.570.3911.3311.424.228.808.0333.615.8252.099.3946.508.2527.344.882.000.641.48-0.080.29-0.021.922.080.931.461.50511.383.658.410.040.370.2011.4211.344.028.618.2167.3128.10103.9046.1192.6142.0254.8624.170.000.270.020.000.000.270.02-0.02411.383.658.410.000.370.2011.3811.384.028.618.21100.9750.38155.7582.83138.7275.7982.3843.46311.383.658.410.000.370.2011.3811.384.028.618.21134.6372.66207.60119.55184.83109.56109.9062.75211.383.658.410.000.370.2011.3811.384.028.618.21168.2994.94259.45156.27230.94143.33137.4282.04111.383.658.41-0.030.480.3111.3511.414.138.728.10201.92117.22311.44192.99277.27177.10164.83101.33注：表中括号内数值为屋面作用雪荷载，其它层楼面作用活荷载对应的内力。V向上为正。3.5.2 水平地震作用下框架内力计算以图中轴线横向框架内力计算为例,说明其计算方法,其余框架内力计算从略.框架柱端剪力及弯矩分别按式计算和各柱反弯点高度y按式y=y0+y1+y2+y3确定。其中yn由表可查得。具体计算结果见表29梁端弯矩、剪力及轴力分别用下式计算具体结果由表12体现、和表3.14 各层柱端弯矩及剪力计算层次hi/mVi/KNDijNm边 柱(A)中 柱(B)Di1Vi1yDi2Vi2y62.5661.41711895145195.610.3400.152.5214.304989619.280.9830.3520.2437.5952.51382.117118951451911.720.3400.3010.5524.624989640.280.9830.4554.3866.4742.51972.317118951451916.730.3400.4020.0730.114989657.490.9830.4577.6194.8532.5243217118951451920.630.3400.4527.8534.034989670.880.9830.50106.33106.3322.52761.217118951451923.420.3400.5538.6431.614989680.480.9830.50120.72120.7214.002968.812555291769841.850.5140.80151.6637.913430681.121.4850.65238.86128.61注:表中M的量纲为KNm,V量纲为KN 续表3.14层次hi/mVi/KNDijNm边 柱(D)中 柱(C)Di3Vi3YDi4Vi4y62.5661.41711895171236.620.4130.203.9715.885231520.211.0560.3521.2239.4152.51382.117118951712313.820.4130.3514.5226.965231542.241.0560.4557.0269.6942.51972.317118951712319.730.4130.4023.6735.515231560.271.0560.4581.3799.4532.5243217118951712324.330.4130.4532.8440.145231574.321.0560.50111.48111.4822.52761.217118951712327.620.4130.5545.5737.295231584.381.0560.50126.57126.5714.002968.812555291879644.440.6240.80161.0740.272560360.541.5950.65178.2695.99注:表中M的量纲为KNm,V量纲为KN表3.15 梁端弯矩、剪力及柱轴力计算层次边 梁(5100)边 梁(4200)中 梁(2700)柱轴力lVblVblVb边柱N1边柱N2中柱N614.324.585.17.6224.0015.884.29.5013.0115.412.710.53-7.629.50-2.911.03527.1456.715.116.4455.3630.934.220.5530.0035.552.724.28-24.0630.05-10.754.76440.6697.605.127.1195.2950.034.234.6051.6361.182.741.78-51.1764.65-25.4211.94354.1120.305.134.20117.4563.814.243.1663.6475.402.751.50-85.37107.81-42.8220.28229.46148.505.140.78144.9770.134.251.2178.5693.082.763.57-126.15159.02-65.5132.64176.55163.065.146.98135.5485.844.252.7186.2787.022.764.18-173.13211.73-82.7144.11注:1)柱轴力中的负号表示拉力,当为左地震时左侧两跟柱为拉力,对应的右侧两跟柱为压力。 2）表中单位为KNm，V单位N，l的单位为m。水平地震作用下框架的弯矩图、梁端剪力图及柱轴力图见图3.9. 图3.9 左地震作用下框架弯矩图、梁端剪力及柱轴力图3.5.3 横向风荷载作用下框架结构内力和侧移计算（1） 风荷载标准值风荷载标准值按式，基本风压=0.35。由荷载规范查的（迎风面）和（背风面）。H/B=16.1/61.2=0.263.T1=0.38s,WOT12=0.35*0.382=0.05KNS2/m2.由式得：式中：为脉动增大系数，查表得=1.18 为脉动影响系数，查表得=0.40 为振型系数，近似计算，为第i层标高，H为建筑总高度。仍取轴线横向框架,其负载宽度为6.3m,沿房屋高度分布风荷载标准值: q(z)=6.30.35ZZs=2.205ZZs根据各楼层标高处得高度Hi查取Z,代入上式可得各楼层标高处的q(z).表3.16 沿房屋高分布风荷载标准值层次Hi/mHi/HZZq1(Z)/KNm-1q2(Z)/KNm-1617.51.000.8311.5682.2981.437515.00.8460.7711.5182.0641.290412.50.6930.741.4421.8821.176310.00.5390.741.3441.7541.09627.50.3860.741.2461.6271.01714.000.2320.741.1481.4990.937荷载规范规定对于对于高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋结构，应采用风振系数来考虑分压脉动的影响，由于在本设计中房屋高度16.1m30m，由上表可见沿房屋高度在1.1481.568范围内变化,即风压脉动的影响较大,因此该房屋应考虑风压脉动的影响。框架结构分析时，应按静力等效原理将图3.10的分析风荷载转化为节点集中荷载。 （a）风荷载沿房屋高度的分布（单位：KN） （b）等效结点集中风荷载（单位：KN）图3.10 框架上的风荷载（2） 风荷载作用下的水平位移验算 根据图5所示的水平荷载，计算层间剪力Vi，计算结果见表3.17。表3.17 风荷载作用下框架层间简力及侧移计算层次Fi/KN（N/mm）ui/mmui/mmui/hi65.605.601288301388760.0430.0401.4231.4391/697671/75000510.0615.661288301388760.1220.1131.381.3991/245901/2654949.1824.841288301388760.1930.1791.2581.2861/155441/1676038.5533.391288301388760.2590.241.0651.1071/115831/1250027.9341.321288301388760.3210.2980.8060.8671/93461/1006719.1750.49104008887980.4850.5690.4850.5691/93401/7961由表3.17可见，风荷载作用下框架的最大层间位移角为1/7961，小于1/550，满足规范要求。（3） 风荷载作用下框架结构内力计算风荷载作用下框架结构内力计算过程与水平地震作用相同，梁端剪力及柱轴力计算结构见表3.18和表3.19。表3.18 风荷载作用下柱端弯矩及剪力计算层次hi/mVi/KNDijNm边 柱(A)中 柱(B)Di1Vi1yDi2Vi2y62.55.601711895145190.050.3400.100.010.13498960.160.9830.350.170.3252.515.661711895145190.130.3400.250.100.30498960.460.9830.400.550.8242.524.811711895145190.210.3400.350.220.41498960.720.9830.450.981.1932.533.391711895145190.280.3400.400.340.51498960.970.9830.451.311.6122.541.321711895145190.350.3400.550.250.47498961.200.9830.501.811.8114.0050.491255529145190.710.3400.852.740.48343061.381.4850.654.062.19续表3.18层次hi/mVi/KNDijNm边 柱(D)中 柱(C)Di1Vi1yDi2Vi2y62.55.601711895171230.060.4130.200.030.13523150.171.0560.350.180.3352.515.661711895171230.160.4130.300.140.33523150.481.0560.400.570.8642.524.841711895171230.250.4130.350.260.48523150.761.0560.451.021.2532.533.391711895171230.330.4130.450.450.55523151.021.0560.451.381.6822.541.321711895171230.410.4130.500.620.62523151.261.0560.501.891.8914.0050.491255529187960.760.6240.802.740.68256031.031.5950.653.031.63表3.19 风荷载作用下梁端弯矩、剪力及轴力计算层次边 梁(5100)边 梁(4200)中 梁柱轴力lVblVblVb边柱N1边柱N2中柱N1中柱N260.130.2095.10.070.200.134.20.080.110.132.70.09-0.070.08-0.020.0150.310.6475.10.190.630.364.20.240.340.412.70.28-0.260.32-0.090.0540.511.1385.10.321.110.624.20.410.600.712.70.49-0.580.73-0.260.1330.731.6945.10.481.640.814.20.580.901.062.70.73-1.061.31-0.510.2820.812.0405.10.561.991.074.20.731.081.282.70.87-1.622.04-0.820.4211.062.6165.10.722.141.304.20.821.381.382.71.02-2.342.86-1.120.60注: 1）、柱轴力中的负号表示拉力。当为左边风时，左侧两根柱为拉力，对应的右侧两根柱为压力。2)、表中M单位为KNm，V单位为KN，N单位为N风荷载作用下框架的弯矩图、梁端剪力图及柱轴力图见图3.11.图3.11横向框架左水平风荷载作用下的弯矩、梁端剪力和柱轴力图3.6 横向框架内力组合3.6.1结构抗震等级结构的抗震等级可根据类型、地震烈度、房屋高度等因素确定。 本工程的框架为三级抗震等级。3.6.2 框架梁内力组合 本设计考虑了四种组合，即，及。各