典型横向框架的抗震设计

典型横向框架的抗震设计此次设计主要进行了结构方案中典型横向框架的抗震设计。在确定框架布局之后，先进行了层间荷载代表值的计算,接着利用顶点位移法求出自震周期，然后按底部剪力法计算水平地震荷载作用力大小，进而求出在水平荷载作用下的结构内力（弯矩、剪力、轴力）。接着计算竖向荷载（恒载及活荷载）作用下的结构内力， 是找出最不利的一组或几组内力组合。 选取最安全的结果计算配筋并绘图。此外还进行了结构方案中的室内楼梯的设计。完成了平台板，梯段板，平台梁等构件的内力和配筋计算及施工图绘制。I1工程概况1.1设计题目兰州市某小区层框架结构住宅楼1.1.1气象资料气温：最高气温34，最低气温-15基本雪压：0.15KN/m2基本风压：0.3 0KN/m21.1.2抗震设防烈度设防烈度8度，设计地震分组为第三组。1.1.3工程地质条件场地处于黄河南岸二级阶地上。地层岩性自上而下分别为：填土层，黄土状粉土层，淤泥质粉土层，细砂层，卵石层。填土层:埋深1.62.0米,褐黄色淡黄色,成份以粉土为主,含有生活及建筑垃圾。黄土状粉层:埋深2.03.30米，褐黄色,土质较均匀，具有 级自重湿陷性。地层的承载力fk=100kpa,压缩模量 Es=3.5Mpa。淤泥质粉土：埋深3.36.20米，灰色泥炭黑色，潮湿，稍密，可塑软塑，地层的承载力 fk=90 Kpa，压缩模量 Es=3.0Mpa。细砂层：埋深 6.27.90米，淡黄浅黄色，砂质较纯净，分选性好，主要成份石英长石，稍密, 潮湿。卵石层:埋深7.9012.15米,杂色粒径6-10cm为主。含量为60-70%,其中10-15%为大于200cm的漂石,卵石呈浑圆状。成份以花岗岩、石英岩、闪长岩为主、潮湿, 中密,此层的地基承载力fk =550kpa ，桩端极限阻力可按3000Pa考虑,Es=60Mpa(压缩模量)。用地地形平缓，地下水位标高约4m,无侵蚀性；场地地层主要物理力学性质指标、容许承载力值以相应的规范为准 1.1.4钢筋混凝土梁板混凝土采用C30混凝土，纵筋采用HRB335，箍筋采用HPB235。1.1.5柱网布置图1.2初估截面尺寸1.2.1梁截面尺寸梁截面高度按梁跨度的1/121/8估算，宽度按1/21/3估算。由此估算的梁截面尺寸见表1。表中还给出了各层梁柱板的混凝土强度等级。其设计强度：C30（=14.3N/mm2，ft=1.43N/mm2）。表1 梁截面尺寸及混凝土强度等级层次混凝土强度等级横梁纵梁跨，跨跨1-5300X600200X400300X6001.2.2柱截面尺寸柱截面尺寸可根据柱的轴压比限值按下列公式估算： N=FgEn AcNNfc式中：-柱组合的轴压设计值；-按简直状态计算的柱的负载面积；gE-折算在单位建筑面积上的重力荷载代表值，可根据实际荷载计算，也可近似取12-15；-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；-验算截面以上楼层层数；Ac-柱截面面积；fc-混凝土轴心抗压强度设计值；N-框架柱轴压比限值，此处可近似去，即对一级、二级、三级抗震等级，分别取0.7、0.8和0.9。此设计为五层框架结构，抗震等级为三级，故n=5, 。边柱及中柱的负载面积分别为5.3X3.0和5.3X3.9。边柱边柱 Ac1.35.33.01510350.914.3=120454.55mm2，Ac347mm中柱 Ac1.255.03.91510350.914.3=150568.18mm2，Ac388mm根据上述计算结果并综合考虑其他因素，本设计截面尺寸取值如下：1-5层：600mmX600mm1.2.3板厚估计该住宅楼所有楼板都为双向板。 双向板的板厚一般取h=l150l145mm, l1为双向板的短向跨度，一般取160mm h 80mm，故楼板厚度取120mm。1.2.4层高取一层高度为3600mm,其他标准层高度为3000mm，计算简图如图所示：ABCDC5B5D5A5A4C4B4D4A2C2B2D2A3C3B3D3A1C1B1D1A0C0B0D0300030003000540054001800360030002荷载计算2.1 屋面、楼面及墙体的永久荷载标准值（1）屋面（不上人）永久荷载标准值：20厚1:3水泥砂浆面层 200.020.4010厚低标号砂浆隔离层 200.010.204厚SBS改性沥青卷材 0.04520厚1:3水泥砂浆找平层 200.020.4070厚聚苯乙烯泡沫塑料板 0.50.070.03530厚LC5.0轻集料混凝土2%找坡层 250.123.00 合计 4.08kN/m2（2）楼面永久荷载标准值：10厚地砖、干水泥擦缝 240.010.24 20厚1:3干硬性水泥砂浆结合层，表面撒水泥粉 200.020.40水泥浆一道（内掺建筑胶）忽略120厚钢筋混凝土屋面板 250.123.00合计 3.64（3）女儿墙永久荷载标准值： 高1.2m，上80mm，下100mm，选用混凝土材料 2.7kN/m（4）外墙永久荷载标准值： 外墙面：2厚复层建筑涂料6厚1:2.5水泥砂浆找平9厚1:3专用水泥砂浆打底扫毛或划出纹道3厚专用聚合物砂浆底面刮糙喷湿墙面合计（按水泥砂浆容重估算，20厚） 200.020.40墙体200厚蒸压粉煤灰加气混凝土砌块 5.50.21.10外墙面：2厚无机内墙涂料饰面5厚1:0.5:2.5水泥石灰膏砂浆找平8厚1:1:6水泥石灰膏砂浆打底扫毛或划出纹道3厚外加剂专用砂浆打底刮糙（甩钱喷湿墙面）合计（按水泥砂浆容重估算，18厚） 170.180.31外墙总永久荷载标准值： （0.40+1.10+0.31）3.0=5.43 KN/（5）内墙永久荷载标准值 内墙面一侧：2厚无机内墙涂料饰面5厚1:0.5:2.5水泥石灰膏砂浆找平8厚1:1:6水泥石灰膏砂浆打底扫毛或划出纹道3厚专用聚合物砂浆底面刮糙（甩前喷湿墙面）合计（按水泥石灰膏砂浆容重估算，18厚） 170.180.31墙体200厚蒸压粉煤灰加气混凝土砌块 5.50.21.10内墙总永久荷载标准值： （1.10+0.312）3.0=5.16 KN/（6）楼梯间、门窗永久荷载标准值梁周抹灰：10厚混合砂浆 0.34楼梯间 8.00铝合金门窗 0.40木门 0.20（7）活荷载屋面：不上人屋面均布活载 0.5屋面雪荷载标准值 0.2楼面：一般房间均布活荷载 2.0卫生间、走廊均布活荷载 2.52.2 梁、柱重力荷载计算表2 梁、柱重力荷载标准值层次构件b/h/KNm3g/KNmli/nGi/KNGi/KN1边横梁0.300.60251.054.7255.426663.391695.33中横梁0.200.40251.052.11.81349.14纵梁0.300.60251.054.725524982.8柱0.600.60251.059.453.3521621.621621.622-5边横梁0.300.60251.054.7255.426663.391695.33中横梁0.300.40251.052.11.81349.14纵梁0.300.60251.054.725524982.8柱0.600.60251.059.453521474.21474.223 重力荷载代表值计算定义如下参数：Gep：结构等效总重力荷载，多质点取Gep=0.85GEGE：结构总重力荷载代表值，取GE=i=inGiGi：第层的重力荷载代表值。屋面处重力荷载代表值=100%恒载+50%雪荷载楼面处重力荷载代表值=100%恒载+50%活荷载其中恒载取楼面上、下各半层层高范围内(屋面处取顶层的 1/2 层高和女儿墙高度范围)的结构和构配件自重。5层的重力荷载代表值女儿墙的自重标准值 G女儿墙=（13.8+60）22.7=398.52kN屋面板的自重标准值 G屋面板=13.8604.66=3858.48kN梁的自重标准值 G梁=1695.33kN柱的自重 G柱=1474.2/2=737.1kN填充墙的自重标准值 G填充墙=5.435.4+1.2+5.42+3.6+3.6+5.881.811.28.48+3.6+3.6+5.88+5.4+5.4+1.2115.160.51.720.681.8+2.4=775.77kN雪荷载的标准值 G雪=13.8600.50.2=82.8kN第5层重力荷载代表值汇总：G5=G女儿墙+G梁+G屋面板+G填充墙+G柱+G雪荷载=398.52+1695.33+3858.48+775.77+737.1+82.8=7465.2kN24层重力荷载代表值楼面板的自重标准值 G楼面板=3.64+13.8+60=3013.92kN梁的自重标准值 G梁=1695.33kN柱的自重标准值 G柱=1474.2kN填充墙的自重标准值 G填充墙=5.435.4+1.2+5.42+3.6+3.6+5.881.811.58.48+3.6+3.6+5.88+5.4+5.4+1.2115.161.722.11.88+1.212=1602.384kN活荷载的标准值 G活荷载=0.526608.4+44.263.5+1.8602.5=621kN24层重力荷载代表值汇总 G24=G楼面板+G梁+G柱+G填充墙+G活荷载=3013.92+1695.33+1474.2+1602.384+621=8406.834kN1层重力荷载代表值楼面板的重力荷载代表值 G楼面板=3.6413.860=3013.92kN梁的自重标准值 G梁=1695.33kN柱的自重标准值 G柱=1621.62kN填充墙的自重标准值 G填充墙=5.9735.4+1.2+5.42+3.6+3.6+5.881.811.28.412+3.6+3.6+5.88+5.4+5.4+1.2115.6761.721.81.88+1.212=1795.98kN活荷载的标准值 G活荷载=621kN第1层重力荷载代表值 G1=G楼面板+G梁+G柱+G填充墙+G活荷载=3013.92+1695.33+1621.62+1795.98+621=8747.85kN7465.2kN8406.83kN8406.83kN8406.83kN8747.85kN图3 各质点重力荷载代表2.4 框架侧移刚度计算梁的线刚度。其中为混凝土弹性模量，为量的计算跨度，梁截面惯性矩。对于现浇楼面，中框架梁，边框架梁。 表3 横梁线刚度ib计算表类别Ec/Nmm2bh/mmmmI0/mm4l/mmEcI0/l/Nmm1.5EcI0/l/Nmm边横梁3.01043006005.410954003.010104.51010走道梁3.01042004001.0610918001.7710102.651010柱的线刚度h，其中，为柱的截面惯性矩，为框架柱的计算高度。表4 柱线刚度ic计算表层次Ec/Nmm2bh/mmmmIc/mm4hc/mmEcIc/hc/Nmm13.01046006001.08101036009.010102-53.01046006001.081010300010.81010柱的侧移刚度值按下式计算：，式中，为柱侧移刚度修正系数，对不同情况计算，其中表示梁柱线刚度比。表5 柱侧移刚度修正系数c位置边柱中柱c简图K简图K一般层K=i2+i42icK=i1+i2+i3+i42icc=K2+K底层固结K=i2icK=i1+i2icc=0.5+K2+K 表6 边框架柱侧移刚度D值N/mm层次A-1 A-4B-1 B-4DiKcDi1KcDi210.5000.400166670.7970.46430817949682-50.4170.173103880.6640.2492380868392 表7 中框架柱侧移刚度D值N/mm层次边柱（22根）中柱（22根）Di KcDi1KcDi210.5000.400166670.7970.4643081710446482-50.4170.173103880.6640.24923808752312 表8 横向框架层间侧移刚度N/mm层次12345Di1139616820704820704820704820704由表可见，D1D2=1139616/820704=1.3890.7，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按下式计算：VGi=k=inGk，ui=VGij=1sDij ，uT=k=1nuk。式中：Gk-集中在层楼面处的重力荷载代表值；VGi-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；j=1sDij-第层的层间侧移刚度；ui、uk-分别为第i、k层的层间侧移。表9 结构定点假想侧移计算层次Gi/KNVGi/KNDi/Nmmui/mmui/mm57465.27465.212310566.06489.46848406.8315872.03123105612.89383.40438406.8324278.86123105619.72270.51128406.8332685.69123105626.55150.78918747.8541433.54123105624.23824.238基本周期计算公式：T1=1.7TuT，其中uT的量纲为，取T=0.7，则 T1=1.70.70。089468=0.356s （2）水平地震作用及楼层地震剪力计算本设计中，结构高度不超过40m，质量和刚度沿高度分布比较均匀，变形以剪切型为主，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按该式计算： FEk=1Geq1-相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数值 ；Geq-结构等效总重力荷载，单质点应取总重力荷载代表值，多质点应取总重力荷载代表值的85%。Geq=0.85Gi=0.857465.2+8406.83X3+8747.85=35218.509KN1=TgT10.9max=0.450.3560.90.16=0.198式中Tg-特征周期，根据条件取0.45 max-根据条件多于地震，设防烈度为8度，取0.16 FEk=1Geq=0.1112260=1347.72KN因1.4Tg=1.40.45=0.63sT1=0.356s，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式Fi=GiHij=1nGiHiFEk计算，各楼层地震剪力按式Vi=k=inFk计算，计算结果如表表10 各质点横向水平地震作用及楼层地震剪力计算表层次Hi/Gi/KNGiHi/kNmGiHi/kNmGiHiGiHiFi/kNVi/ kN515.67465.2116457.12390066.090.2982078.0332078.033412.68406.83105926.060.2711889.7553967.78839.68406.8380705.570.2071443.4655411.25426.68406.8355485.080.142990.2046401.45813.68747.8531492.260.081564.8346966.292各质点水平地震作用及楼层地震剪力沿房屋高度的分布见图4F1=564.834 kNF2=990.204 kNF3=1443.466 kNF4=1889.755kNF5=2078.033kNF1=6966.292kN kNF2=5411.254kNF3=5411.254 kNV4=3967.788kNV5=2078.033 kN水平地震分布图 层间剪力分布（3）水平地震作用下的位移验算水平地震作用下框架结构的层间位移ui和定点位移ui分别按下式计算 ui=Vi/j=1sDij u=k=1nuk计算过程见表，表中还计算了各层的层间弹性位移角e=ui/hi。表11 横向水平地震作用下的位移验算 层次Vi/KNDi/N/mmui/mmui/mmhi/mme=uihi52078.03312310561.68818.58230001177743967.78812310563.22316.8943000193135411.25412310564.39613.6713000168226401.45812310565.2009.2753000157716966.69217094244.0754.07536001736由表可见，最大层间弹性位移角发生在第二层，其值为15771550，满足要求。（4）水平地震作用下的框架内力计算框架柱端剪力及弯矩计算 表12 各层柱端弯矩及剪力计算层次边柱537465.212310561038862.9930.4170.594.4994.49438406.83123105610388133.9330.4170.5200.9200.9338406.83123105610388204.8720.4170.5307.308307.308238406.83123105610388275.8110.4170.5413.717413.71713.68747.85170942416667403.980.50.5605.97605.97层次中柱537465.2123105623808144.3730.6640.5216.56216.56438406.83123105623808306.9570.6640.5460.44460.44338406.83123105623808469.5410.6640.5704.312704.312238406.83123105623808632.1250.6640.5948.188948.18813.68747.85170942430817746.9520.7970.51120411204梁端弯矩、剪力及柱轴力分别按下式计算其中-分别表示节点左右梁的线刚度-分别表示第i层第j根柱的下端弯矩，上端弯矩表12 梁端弯矩、剪力及柱轴力计算层次边梁走道梁柱轴力ll边柱中柱594.49135.925.442.6780.6480.641.889.642.67-46.934200.9424.855.4133.38252.07252.071.8280.08176.05-193.633307.308730.9665.4229.48433.706433.7061.8481.9405.53-446.052413.7171037.1345.4325.59615.366615.