横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算毕业论文.doc

横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算毕业论文目 录第1章 建筑设计.11.1 结构的总体布置与方案考虑11.2 平面选型.11.3 建筑防火设计和消防措施2第2章 结构设计.42.1 结构选型分析42.2 结构基本尺寸的初步确定52.3 框架结构的计算简图. 62.4 重力荷载计算.72.5 横向框架侧移刚度计算.102.6 横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算.122.7 横向风荷载作用下框架结构内力和侧移计算.192.8 竖向荷载作用下框架结构的内力计算.252.9 横向框架内力组合.342.10 截面设计432.11 板的计算及配筋502.12 基础设计53结论.58参考文献.59致谢.6第1章 建筑设计1.1 结构的总体布置与方案考虑高层办公楼结构的总体布置，必须同时考虑满足基本的建筑使用、施工和结构三个方面的要求。本建筑采用框架结构，框架结构是多层、高层建筑的一种主要结构形式。这种结构体系的优点是建筑平面布置灵活，能获得较大的使用空间，建筑立面容易处理，可以适应不同的房屋造型。同时，在结构性能方面，框架结构属于柔性结构，自振周期较长，地震反应较小，经过合理的结构设计可以具有较好的延性性能。该办公楼拟建在长春市，本设计的总体布局属于矩形布置，考虑其使用要求，使其面向主要干道，并临近主要干道。1.2 平面选型高层办公楼与其他高层建筑相同，可分为外廊式、内廊式、内外廊结合式、复廊式等。按建筑体型分塔式、板式、条式、墙式，由设计任务书以及大庆市的地质条件，平面造型选择了环形内廊式，这种平面特点是以电梯、楼梯及公共走廊组成环形平面，所有的办公室分布在走廊的两侧，这种平面形成的布局较畅通明快，而且是和高层建筑的特点。水平交通设计：交通枢纽设置在建筑物的中心，电梯和楼梯设置在相距很近的位置，以便于在紧急的情况下人流的疏散。本建筑设置楼梯二处，为防火楼梯。楼梯的分布合理，使客人能在紧急情况下疏散，满足规范要求，保证了水平交通的便利。垂直交通设计：高层办公楼的主要的竖向交通工具是电梯，因此电梯要保证高速、安全、舒适。电梯厅设置的原则1.位置适中，为减少水平路程，应集中布置在比较适中的位置以提供均等的服务。2.功能单一，面积紧凑，电梯保证用来乘客的乘坐，不宜增加其他的功能。本建筑把电梯设置在建筑中间，共设置了4部，其中2部为消防电梯。建筑物的朝向：建筑物的朝向对于建筑内部采光很重要，北方建筑以朝南为主，有利于冬天的采光和提高室内的温度，朝向的选择要考虑的因素有以下几点1.冬季能有一定量的阳光射入室内；2.炎热季节尽量减少太阳直射室内；3.夏季有良好的通风，冬季避免冷风吹袭；4.充分利用地形和节约用地； 5.考虑到建筑组合的要求；综合以上几点，本办公楼采用正南朝向，并且把重要办公室布置在朝向好的位置。卫生间设置主要考虑的内容有1.在满足设备以及人体活动空间的前提下，力求布置紧凑，设备的尺寸和安装的尺寸要符合人体工程学以尽量较少人体的体力消耗；2.卫生间使用水比较集中的场所，所以其建筑材料的选择要注意防水，地面和墙裱采用防水、光洁而又不至于过滑使人体摔倒的建筑材料，地面要注意因水流撒落或下水道受阻而流向其他的房间，因此地面要低于室外地坪；3.卫生间一般设置通风管道或小功率的排风扇等，通风道的排气口设在贴近顶棚的位置，其照明采用自然采光；4.卫生间中管道比较集中，在平面设计中应兼顾各种管线组合，用水设备应尽可能集中。走廊设计：本设计中走廊采用内廊式，走廊宽3.0m，满足高层办公楼的使用要求，在走廊两端开有窗，自然采光。公共用房设计：本建筑中公共用房有商店、会议室、餐厅、舞厅娱乐设施。其中餐厅、舞厅和大会议室设置在首层。辅助用房设计：本建筑中辅助用房有厕所、电井、开水间等。1.3 建筑防火设计和消防措施1.3.1 建筑平面布置防火间距：高层建筑之间的防火间距不应小于13m。消防车道：高层建筑的周围应设环形消防车道。本建筑设计中设有进入内院的消防车道。消防车道的宽度不应小于4m。消防车道下的管道和暗沟等，应能承受消防车辆的压力。1.3.2 防火和防烟分区防火分区是指具有一定耐火能力的墙、楼板、卷帘等作为边界构件，构成具有防火能力的空间区域。它的作用是在火灾发生时，在一定时间内，减缓火势蔓延的速度。防火分区包括水平防火分区和竖向防火分区。高层建筑应采用防火墙等划分防火分区，且每个防火分区二类建筑允许最大建筑面积不应超过1500。设有自动灭火系统的防火分区，其允许最大建筑面积可增加1倍；当局部设置自动灭火系统时，增加面积可按局部面积的1倍计算。1.3.3 疏散楼梯间和楼梯超过32m的二类建筑应设防烟楼梯间。防烟楼梯间的设置应符合下列规定：1.楼梯间入口应设前室、阳台或凹廊。2.前室的面积，公共建筑不应小于6。3.前室和楼梯间的门均应为乙级防火门，并应向疏散方向开启。楼梯间及防烟楼梯间前室的墙上，除开设通向公共走道的疏散门外，不应开设其他门、窗、洞口。疏散楼梯间在各层的位置不变，首层应有直通室外的出口。高层建筑通向屋顶的疏散楼梯不宜少于两座，且不应穿越其他房间，通向屋顶的门应向屋顶方向开启。1.3.4 消防电梯高层建筑中，高度超过32m的二类建筑应设消防电梯。消防电梯与客梯兼用，同时符合消防电梯的要求。消防电梯应设前室，由于与防烟楼梯间合用前室，前室面积不应小于6。消防电梯间前室宜靠外墙设置，在首层设直通室外的出口或经过长度不超过30m的通道通向室外。消防前室的门，应采用乙级防火门或具有停滞功能的防火卷帘，消防电梯间前室门口宜设挡水设施，消防电梯的井底应设排水设施。消防电梯的载重量不应小于800。消防电梯行驶速度的确定，应按从首层到顶层的运行不超过60s计算。1.3.5 防火措施及构造要求1高层建筑内应设消防控制室。消防控制室宜设在首层或地下一层，且应采用耐火极限不低于2小时的隔墙和1.5小时的楼板与其他部位隔开，并应设直通室外的安全出口。2. 设在高层建筑内的自动灭火系统的设备室，应采用耐火极限不低于2小时隔墙和1.5小时的楼板和甲级防火门与其他部位隔开。3. 防火墙的设置。防火墙不宜设在U形、L形等高层建筑的内转角处。防火墙不应开设门、窗、洞口，当必须开设时，应设置能自行关闭的甲级防火门、窗。5防火门多向疏散方向开启的平行门，并在关闭后能从任何一侧手动开启。电井和管道径的设置梯。第2章 结构设计2.1结构选型及布置 柱网与层高：如下图所示，本办公楼采用柱距为7.2m的内廊式柱网，横向为7.2m3m7.2m;首层高3.9m，其余层高为3.3m。裙房为多层，计算略。图2-1柱网布置图2.1框架结构承重方案选择竖向荷载的传力途径；楼板的均布荷载和恒载直接传至给次梁然后传给主梁，再由主梁传至框架柱，最后传至基础。根据以上楼盖的平面布置及竖向荷载的传力途径，本办公楼框架的承重方案采用竖向承重体系。2.2构件尺寸的估算2.2.1 梁、板截面尺寸规范规定，框架梁应符合以下要求：1.截面宽度不宜小于200mm；2.截面高度与宽度的比值不宜大于4；3.净跨与界面高度的比值不宜小于4。主梁结构的主梁截面高度可按计算跨度的1/101/18确定；梁高较小时或采用扁梁时，除应验算其承载力和受剪截面要求外，尚应满足刚度和裂缝的有关要求。截面高度可按梁的高宽比限值的1/21/3估算，同时不宜小于柱宽的1/2.楼盖及屋盖均采用现浇钢筋砼结构。多跨连续板的最小厚度不小于l1/40，其中l1为短向长度，因此楼板厚度不小于（7200/2）/40=90mm且h60mm，取120mm。表2-1 梁截面尺寸（mm）及混凝土强度层数混凝土强度横梁（b*h）纵梁（b*h）次梁（b*h）AB,CD跨BC跨1C403506003004003506003005002-10C35350600300400350600300500基础选用桩基础，埋深0.5m。框架计算简图如下图2-2，取顶层柱的形心线作为框架结构的轴线，梁轴线取至板底。底层柱的高度从基础顶面取至一层楼板的轴线即h1=3.9+0.45+0.5=4.85m，2-10层柱高为层高。2.2.2 柱根据设计要求，抗震设防烈度为7度，本建筑总高度为36.9m，查阅规范可知该框架结构的抗震等级为二级，其轴压比限值n=0.8，各楼层的重力荷载代表值近似取13KN/m2，由柱网图可知，边柱和中柱的负载面积分别为7.2m3.6m和7.2m（1.5+3.6）m，由公式 (2-1) = (2-2)式中：柱截面面积；N竖向荷载设计值；框架柱轴压比。对一级、二级、三级抗震等级分别取0.65、0.75、0.85；砼轴心抗压强度设计值； 考虑地震作用组合后柱轴压力增大系数，边柱.取1.3，不等跨内柱取1.25，等跨内柱取1.2；F简支状态计算的柱的负载面积；折算在单位建筑面积上的重力荷载代表值；n验算截面以上楼层层数；得第一层柱截面面积为：边柱：AC1.37.23.61310310/（0.819.1）286680.63mm2中柱：AC1.257.25.11310310/（0.819.1）390510.47mm2取柱截面为正方形，则边柱和中柱的截面尺寸为536mm和625mm。根据上面的计算结果综合考虑其他因素，本设计柱截面尺寸选择如下：1-2层：700mm700mm3-6层：650mm650mm7-10层：600mm600mm 图2-2 横向框架结构计算简图2.3 重力荷载计算2.3.1 屋面永久荷载标准值屋面（上人）： 30厚细石混凝土保护层 200.03=0.60KN/m2 三毡四油防水层 0.4KN/m2 20厚水泥砂浆找平层 0.0220=0.4KN/m2 150厚水泥蛭石保温层 0.155 =0.75KN/m2 120厚现浇钢筋混凝土板 0.1225=3KN/m2 合计 5.21KN/m2屋面及楼面可变荷载标准值上人均布活荷载标准值 2.0KN/m2 楼面活荷载标准值 0.5 KN/m2荷载设计值 P=1.25.21+1.32.5=9.502KN/m2 2.3.2 楼层均布恒载（1-9层） 小瓷砖地面（包括水泥粗砂打底） 0.55KN/m2 结构层：120厚现浇钢筋混凝土板 0.1225=3.0KN/m2 抹灰层：20厚混合砂浆 0.0217=0.34KN/m2 V型轻钢龙骨吊顶 0.25KN/m2 合计 3.89 KN/m2 荷载设计值 p=1.23.89+1.32.5=8.139 KN/m2 楼面活荷载标准值 2.0 KN/m2 走廊活荷载标准值 2.5 KN/m2 楼梯活荷载标准值 3.5 KN/m2 平均值2.67 KN/m2 荷载设计值 P=1.24.14+1.3+2.67(平均)=8.44 KN/m22.3.2 梁，墙，柱，窗，门重力荷载标准值计算梁,柱可根据截面尺寸，材料容量及粉刷等计算出单位长度上的重力荷载,对墙、门、窗等可计算出单位面积上的重力荷载，计算结果见表3-2。墙体：外墙为290mm厚粉煤灰轻渣空心砌块混泥土砌块，并在外墙面贴瓷砖（=0.5KN/m2），采用轻质grc保温板自重为0.14 KN/m2内墙面为190mm厚粉煤灰轻渣空心砌块，内墙面为20mm厚抹灰，则外墙单位墙面重力荷载标准0.5+7.50.3+170.02+0.14=3.23 KN/m2外墙窗折减0.8， 3.230.8=2.58 KN/m2 内墙自重：7.50.2+170.022=2.18 KN/m2内墙门折减0.9，0.9218=1.96 KN/m2女儿墙自重 0.37.5=2.25 KN/m2柱自重：1层： 0.70.7254.85=59.41KN3-6层： 0.650.653.325=34.86KN7-10层： 0.60.6253.3=29.7KN表2-2 梁柱重力荷载标准值层数构件b/mh/mKN/m3g/KN/m3li/mGI/KNGi/ kN1层边横梁0.350.6251.055.516.516573.042011.67中横梁0.30.4251.053.152.3857.96次梁0.30.5251.053.946.8514377.85纵梁0.350.6251.055.516.50281002.82柱0.70.7251.1013.474.85322090.542090.542-4层边横梁0.350.6251.055.516.5516577.452025.05中横梁0.30.4251.053.152.35859.22次梁0.30.5251.053.946.8514377.85纵梁0.350.6251.055.516.55281010.53柱0.650.65251.1011.6203.3321227.071227.075-10层边横梁0.350.6251.055.516.616581.862123.45中横梁0.30.4251.053.152.4860.48次梁0.30.5251.053.946.8514377.85纵梁0.350.6251.055.516.6281103.26柱0.600.60251.109.93.3321045.441045.44注：1)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；g表示单位长度重力荷载，g=；n为构件数量。2)梁跨度取净长；柱高取层高。2.3.3 构件自重汇总梁 1层： 2011.67KN2-4层： 2025.05KN5-10层： 2123.45KN柱1层: 2090.54KN2-4层： 1227.07KN5-10层： 1045.44KN墙一层：外横墙：6.5（3.9+0.45-0.6）2+2.3（3.9+0.45-0.4）23.23=373.61KN外纵墙：（50.4-80.7）（3.9+0.45-0.6）2.582=866.88KN内横墙：6.5（3.9-0.6）1.96=420.42KN内纵墙：（50.4-80.7）（3.9-0.6）21.96=579.53KN合计： 2397.39KN二-四层外横墙：6.5（3.3-0.6）2.3（3.3-0.4）23.23=269.83KN外纵墙：（50.4-80.65）（3.3-0.6）22.58=629.73KN内横墙：6.5（3.3-0.6）121.96=412.78KN内纵墙：（50.4-80.65）（3.3-0.6）21.96=478.4KN合计： 1790.74KN五-十层外横墙：6.5（3.3-0.6）2+2.3（3.3-0.4）23.23=269.83KN外纵墙：（50.4-80.6）（3.3-0.6）2.582 =635.3KN内横墙：6.5（3.3-0.6）121.96=412.78KN内纵墙：(50.4-80.6）（3.3-0.6）)21.96=482.63KN合计： 1800.54KN女儿墙：1.5（50.4+17.4）22.25=457.65KN楼梯重：在计算楼梯间恒载的时候，可用简便方法，即用楼梯板的标准值乘以一个1.2系数恒载设计标准值 3.31.2=3.96 KN/m2活载标准值 2.0 KN/m2楼梯 （3.31.2+2）7.53.33=442.53kN楼面恒载标准值：（50.4+0.24）（17.4+0.24）3.89=3474.90KN屋面恒载标准值：（50.4+0.12）（17.4+0.12）5.21=4611.43KN屋面均布活载：仅考虑屋面雪荷载 （50.4+0.12）（17.4+0.12）0.55=486.81KN楼面均布活荷载：楼面活荷载2.0KN/m2；走廊2.5KN/m2；楼梯3.5KN/m2，取平均值2.67KN/m2。 （50.4+0.24）（17.4+0.24）2.67=2385.08KN顶层楼阁墙体自重约0.2倍10层墙体自重：1800.540.2=360.11KN门窗自重： 木门单位面积重力荷载0.2 KN/m2， 大门玻璃门0.45 KN/m2 铝合金窗0.4 KN/m2首层：（0.72.122）0.2+0.45（0.92.119）+（1.82.15）+0.4562.1+0.4（1.82.14+2.12.116）=122.48KN标准层：（0.72.122）0.2+0.45（0.92.119+1.82.14）+0.4（1.82.12+2.12.126）=151.65KN2.3.4 重力荷载汇总集中于楼层标高处的重力荷载代表值为：恒载与50%活载之和，即本层楼盖自重。计算如下： =楼屋盖自重+梁重+墙重+柱重+门窗重+0.5活载+楼梯重，顶层须加上女儿墙重（活载另加50%雪载）。G1=3474.90+2011.67+2397.39+2090.54+122.48+0.5*2385.08+442.53=11732.05KNG2=G3=G4=3474.90+2025.05+1790.74+1227.07+151.65+0.5*2385.08+442.53=10304.48KNG5=G6=G7=G8=G9=3474.90+2123.45+1800.54+1045.44+151.65+0.5*2385.08+442.53=10211.05KNG10=10211.05+457.65+360.11+486.81*0.5+442.53+(4611.43-3474.90)=12851.28KNG11=(5.516.64+5.976.64+3.946.852)+(9.93.38)+(0.450.451.232251.1)+360.11+0.5486.81=1435.77KN各质点重力荷载代表值见图如下： 图2-3各质点重力荷载代表值2.4 横向侧移刚度计算由横向框架结构计算简图可以计算出横梁线刚度ib和柱线刚度ic。横梁线刚度ib=EcIb/l ,其中Ec为混凝土弹性摸量，l为梁的计算跨度，Ib为梁截面惯性矩。在框架结构中，有现浇楼面或预制板楼面。而现浇板的楼面，板可以作为梁的有效翼缘，增大梁的有效刚度，减少框架侧移。为考虑这一有利作用，在计算梁的截面惯性矩时，对现浇楼面的边框架Ib=1.5I0 （I0为梁的截面惯性矩）。对中框架取Ib=2.0I0。计算结果见下表2-3，2-4。 表2-3 横梁线刚度计算表类别层次EC/(N/mm2)bh/mmmmI0/mm4L/mmECI0/L/Nmm1.5 ECI0/L/ Nmm2.0 ECI0/L/ Nmm边横梁13.251043506006.310972002.84410104.26610105.68810102-103.151043506006.310972002.75610104.13410105.5131010中横梁13.251043004001.610930001.73310102.59910103.46610102-103.151043004001.610930001.68010102.52010103.36061010 表2-4 柱线刚度计算表层次hc/mmEc/（N/mm2）bh/mmmmIc/mm4ic= EcI0/L/Nmm148503.251047007002.00110101.340910112-433003.151046506501.48810101.420410115-1033003.151046006001.08010101.03091011 柱的横向侧移刚度按式（2-3）进行计算 （2-3）式中：表示梁、柱的线刚度比对柱线刚度的影响对于底层： （2-4）对于一般层： （2-5）令5-10柱i7-10=1.0，其余各杆件的相对线刚度为：I柱1=13.409/10.309=1.3 I柱2-4=14.204/10.309=1.38I中跨梁1=3.466/10.309=0.34 I中跨梁2-10=3.36/10.309=0.33I边跨梁1=4.266/10.309=0.41 I边跨梁2-10=4.134/10.309=0.4 梁柱线刚度见图2-4图2-4 梁柱线刚度图 横向框架柱侧移刚度D值计算见表2-5表2-6及表2-7。表2-5 横向中框架侧移刚度值（N/mm） 层次边柱(12根)中柱（12根）5100.5350.211239690.8610.30134193697944340.3880.162253560.6250.2383725175128420.3940.165258250.6720.2513928678133210.4240.381260630.6830.44130167674760表2-6 横向边框架柱侧移刚度值（N/mm）层次边柱(4根)中柱（4根）5100.4010.167189710.6450.24427718186756340.2910.127198780.4680.1902973819846420.2960.129201910.4760.1923005120096810.3180.353241470.5120.40327568206860表2-7 横向框架层间侧移刚度（N/mm）层次1234511881620982300949748884700由上表2-7可知=881620/982300=0.8980.7，故该框架为规则框架。2.5 横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算2.5.1 横向自振周期计算按公式将G12折算到主体结构的顶层，即：GC=Gn+1 (1+) （2-6）Ge=2539.84(1+)=2819.22KN= （2-7）结构顶点的假想侧移由下式计算： =/ （2-8） = （2-9）式中： G为集中在K层楼面处的重力荷载代表值； V把集中在各层楼面处的重力荷载代表值视为水平荷载而得的第层的层间剪力；、分别为第，k层结构的层间侧移；结构顶点的假想侧移计算过程见表2-8，其中第11层的Gi为G11与G之和。 表2-8 结构顶点的假想侧移计算 层次/ kN/ kN/（N/mm）/mm/ mm1014481.2314481.2388470016.37662.79910211.0524692.2888470027.91646.42810211.0534903.3388470039.45618.51710211.0545114.3888470050.99579.06610211.0555325.4388470062.54528.07510211.0565536.4888470074.08465.53410304.4875840.9694974879.85391.45310304.4886145.4494974890.70311.6210304.4896449.9298230098.19220.9111732.05108181.97881620122.71122.71计算基本周期T1，其中量纲为m，取T=0.7则：T1=1.7T=1.70.7=0.968s2.5.2 水平地震作用及楼层地震剪力计算 建筑总高度接近40mm,质量和刚度沿高度分布比较均匀，变形以剪切型为主，故可采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计算如下：Geq=0.85Gi =0.85（1435.77+12851.28+10211.055+10304.483+11732.05）=91789.6KN根据建筑资料，该建筑抗震设防烈度为7级，场地类别为类场地，为近震区。查表可知，地震影响系数=0.08，特征周期=0.45。1=（）0.9max2=（）0.90.081.0=0.040.2=0.20.08=0.016式中： 地震影响系数； 地震影响系数最大值； 阻尼调整系数； 特征周期； 结构自振周期。FEK=Geq =0.0491789.6=3671.58KN因1.4 Tg =1.40.45=0.63s T1 =0.968 所以应考虑顶部附加水平地震作用。顶部附加水平地震作用系数查表计算，即 =0.08T1 +0.07=0.080.968+0.07=0.087Fn=0.0873671.58=319.43KN各质点的水平地震作用的计算如下式：F= （2-10）具体计算过程见表。各楼层地震剪力计算见表2-9。表2-9 各质点横向水平地震作用及楼层地震剪力计算表层次Hi /mGi /KNGi Hi /KN.mGi Hi/Gj HjFi /KNVi /KN屋顶间37.851435.7754343.90.02583.8083.801034.5512851.28444011.720.2051006.621090.42931.2510211.05319095.310.147492.771583.19827.9510211.05285398.850.132442.482025.67724.6510211.05251702.380.116388.852414.52621.3510211.05218005.920.101338.572753.09518.0510211.05184309.450.085284.933038.02414.7510304.48151991.080.070234.653272.67311.4510304.48117986.300.054181.02345