昆明市某住宅楼设计-七层住宅楼采用框架剪力墙结构体系和框架结构体系的优化选择 精品.doc

昆明市某住宅楼设计七层住宅楼采用框架剪力墙结构体系和框架结构体系的优化选择前言：本次设计任务是在给定的建筑平、立、剖面的基础上进行结构设计和完善建筑施工图的设计。运用PKPM系列软件进行结构和建筑施工图设计，对基础进行手算设计。本设计对七层住宅楼选用框架-剪力墙结构设计。框架-剪力墙结构体系的特点：框架结构的优点是可以提供较大的建筑空间，布置灵活，能为建筑设计 提供丰富的建筑造型；缺点是在较高的建筑中难以控制侧向变形，抗震性能较剪力墙相对薄弱。剪力墙结构的优点是刚度较大，抗震能力较框架强，缺点是剪力墙的间距不宜很大，在建筑空间的布置和利用上受到局限。将框架与剪力墙结合起来共同工作，组成框架-剪力墙结构体系，取长补短，既能提供较大较灵活布置的建筑空间，又具有良好的抗震性能。本组的另外一名同学对同一栋建筑采用框架结构体系设计，将他的成果和本设计从多方面进行对比和总结，从而对中高层建筑应该采用何种形式的结构体系将更合理作出一些总结，这将对实际工作产生重大的意义。最后，总结通过此次的收获和心得，以及在今后的工作和学习中将注意的问题。正文：一 建筑设计 根据该房屋的使用功能及建筑设计要求，进行建筑平面、立面及剖面设计，其标准层建筑平面、结构平面和剖面示意图分别见图一、图二及图三。主体结构共7层，层高均为3.0 m。本工程多层住宅为框架剪力墙结构体系。内墙采用240厚空心粘土砖墙砌筑；外墙及楼梯间外墙采用240厚空心粘土砖墙砌筑；卫生间采用120厚粘土多孔砖砌筑,女儿墙未注明处均用240厚粘土多孔砖砌筑。门为木门，窗为铝合金窗，详见门窗表。楼盖及屋盖均采用现浇钢筋混凝土结构，楼面板厚度取100mm，屋顶面板取120mm。梁截面高度按梁跨度的1/121/8估算，由此估算的梁截面尺寸见表。柱截面尺寸可根据公式估算，取截面为正方形，则本设计17层边柱和中柱截面取值为400mm X 400mm；少部分取值为550X550mm。基础选用独立桩基础，基础埋深取2 m，承台厚1m。平面图设计注意门窗的规范设计，窗台距楼面、地面的净高取900mm，底层外窗和阳台门下沿低于2m，采取防卫措施。住宅户门采用安全防卫门。全楼门窗洞口符合下表要求： 门 洞 最 小 尺 寸类别洞口宽度洞口高度类别洞口宽度洞口高度公用外门 1.2m2.0m厨房门0.7m 2.0m户门 0.9m 2.0m卫生间门0.7m 2.0m起居室 0.9m 2.0m阳台门0.7m 2.0m卧室门0.9m 2.0m注：1洞高度不包括上亮子的高度 2洞口两侧地面由高低差室，以高地面为起高度图一 标准层平面图图二 正立面图图三 剖面图门窗表如下：住宅采光标准和窗地面积比符合下表取值：房间名称侧面采光采光系数最低值（%）窗地面积比值卧室、起居室、厨房11/6楼梯间0.51/2二 结构设计1 工程概况此建筑为昆明市某小区住宅楼，建筑面积492.48m2,高度21米，共七层，属于多层房屋范围。采用全框结构，基础为现浇阶梯型桩基础，承台阶数为一阶，阶高为1000mm，沉管灌注桩桩径为400mm，桩长为16m,单桩特征值为600kn,桩顶标高-2m。拟建房屋所在地的设计地震动参数max=0.16,Tg=0.30s,基本雪压S0=0.2kn/m2,基本风压0=0.35kn/m2,地面粗糙度为B类。年降雨量634mm，日最大降雨量92mm，1h最大降雨量为56mm,常年地下水位于地表下6m,水质对混凝土无侵蚀性。，粉质粘土地基，土的重度为19kn/m3,孔隙比为0.833，地基承载力特征值 fak=200kn/m2,土壤最大冻结深度为0.5m.地基主要受力层范围内无软弱土层，且地面下15米深度范围内无液化土层，15米内剪切波速加权平均值V=236.5m/s，覆盖层厚度不足12m.混凝土强度：主体一二层为C35、三四五层为C30、六七层为C25,基础C25；梁柱中纵向受力钢筋为HRB335,其余均为HPB235.2设计基本条件（1）屋面板计算基本条件： 建筑结构安全等级：二级 设计使用年限：50年 使用环境类别：一类（2）框架结构梁柱计算基本条件设计使用年限：50年地上部分为一类环境，地下部分为二a类环境抗震设防烈度：8度设计基本地震加速度：0.15g 建筑场地类别：类建筑抗震设防类别：丙类建筑结构的阻尼比=0.053设计及计算过程(I)结构布置楼盖及屋盖均采用现浇钢筋混凝土结构，楼板厚度取100mm,屋顶楼板取120mm.由计算简图初步确定构件尺寸。梁截面高度按梁跨度的1/121/8估算，由此确定梁截面尺寸为250mm500mm（主梁），250mm400mm（次梁）。由建筑抗震设计规范（以下简称抗规）知该框架结构为二级，其轴压比限值n=0.8,各层重力荷载代表值近似取12 kn/m2，梁柱板的混凝土强度等级为C30（fc=14.3N/mm2,ft=1.43N/mm2）柱截面尺寸可根据Ac计算。柱截面尺寸为：400mm400mm。地梁截面尺寸为300mm600mm。结构布置原则按抗规3.4.1至3.4.6条进行设计。要点是：1）结构平面形状和立面体形宜简单、规则，使各部分刚度和质量均匀分布，减小扭转效应的影响。建筑立面内收或外挑的尺寸要符合高规第4.4.5条的规定。2）由高规第4.2.2和4.2.3条，规定本建筑结构的高宽比限值H/B取33）考虑昆明是地震多发区，地震方向的随意性和地震产生的破坏效应较大，因此按采用双向承重方案进行布置。结构布置简图见图四。(II)荷载标准值计算1）屋面及楼面均布永久荷载标准值屋面（不上人）：30厚细石混凝土保护层 220.03=0.06kn/m2 三毡四油防水层0.4kn/m220厚水泥沙浆找平层200.02=0.4kn/m2150厚水泥蛭石保温层 50.15=0.75kn/m2130厚钢筋混凝土板250.13=3.25kn/m2V型轻钢龙骨吊顶0.25kn/m2 合计 5.11kn/m2 标准层楼面： 瓷砖地面（包括水泥粗砂打底） 0.55kn/m2 100厚钢筋混凝土板 250.1=2.5kn/m2 V型轻钢龙骨吊顶0.25kn/m2 合计 3.30 kn/m22）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 2.0 kn/m2 楼面活荷载标准值 2.0 kn/m2 屋面雪荷载标准值 sk=rs0=1.00.2=2.0 kn/m2 式中r 为屋面积雪分布系数，取1.0。3）梁荷计算 墙体为240mm厚粘土空心砖，外墙面帖瓷砖（0.5 kn/m2）内墙为0.7874in厚抹灰，则外墙单位墙面重力荷载为 0.5+150.24+170.2=4.44 kn/m2梁体的重力荷载标准值取4.5 kn/m2，所以梁荷为4.44+4.5=8.95 kn/m2，取9 kn/m2，对于顶层及窗洞较大的相应梁荷取6 kn/m2。（III）结构设计的依据是设计规范，它是国家建设方针和技术政策在本专业工作中的具体体现。结构设计的原则是安全适用，经济合理，技术先进，施工方便。结构设计的目的是根据建筑布置和荷载大小选择结构类型和构造方案，并确定各部分尺寸、材料和构造方法，同时体现结构设计原则。本结构采用框架-剪力墙结构体系，其特点为：框架结构的优点是可以提供较大的建筑空间，布置灵活，能为建筑设计 提供丰富的建筑造型；缺点是在较高的建筑中难以控制侧向变形，抗震性能较剪力墙相对薄弱。剪力墙结构的优点是刚度较大，抗震能力较框架强，缺点是剪力墙的间距不宜很大，在建筑空间的布置和利用上受到局限。将框架与剪力墙结合起来共同工作，组成框架-剪力墙结构体系，取长补短，既能提供较大较灵活布置的建筑空间，又具有良好的抗震性能。框架-剪力墙结构体系中的框架，可采用刚框架，也可采用钢筋混凝土框架。其中的剪力墙，如果是单片式的分散布置，则整体布置刚度较小，建筑高度一般在10-20层；如果利用一些永久隔墙或固定用途图四 结构布置简 图五 柱布置简图六 梁归并简图的辅助用房、电梯间、各种管井作为一体的井筒式剪力墙，则整体结构刚度、承载力会大大提高，也增强了抗扭能力，因此建造高度一般在30-40层。框架-剪力墙结构体系选用的限制：框架-剪力墙结构体系的延性优于剪力墙结构体系，具有多道抗震防线。由于框架-剪力墙结构体系中剪力墙是主要抗侧力构件，框架居于次要地位。因此在相同的设防烈度和结构高度时，框架-剪力墙结构中框架的抗震等级要求比纯框架结构体系的为低；框架-剪力墙结构中的剪力墙的抗震等级要求比纯框架结构体系的为高；在同一框架-剪力墙结构体系中，剪力墙的抗震等级要求比框架的为高。本次设计的住宅楼在8度烈度地区，在高规中建筑结构体系适用的最大高度限制为100米，所以本建筑高度21米符合要求。（IV）计算机制图。用PMCAD进行建筑三维建模。输入荷载进行楼层组装。对梁、柱进行归并。柱归并和布置简图如图五。梁归并见图六。具体计算程序包括：1 横向框架侧移刚度计算 计算横梁线刚度ib,计算柱线刚度ic,计算柱的侧移刚度D,D=c12ic/h2,其中c为柱侧移刚度修正系数。不同的类型的柱子要分别计算侧移刚度D的值，将不同情况下同层框架柱侧移刚度相加，即得框架各层层间侧移刚度。2纵向框架侧移刚度计算 方法同前。3横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算 其中包括：1）横向水平地震作用下框架结构的内力和侧移计算，横向自振周期计算和水平地震作用及楼层地震剪力计算，水平地震作用下的位移验算，水平地震作用下框架内力计算图七 一榀框架弯矩包络图 图八 一榀框架剪力包络图图九 一榀框架轴力包络图5屋面板、梁的内力配筋。双向板的计算采用弹性分析法。有关计算系数表详见建筑结构静力计算手册。在配筋结果中发现，随钢筋强度的级别提高，板中含钢量在降低，总体来说，提高钢筋的强度更为经济。梁、板的配筋结果详见结构施工图。6柱的配筋结果详见结构施工图。7水平地震作用下楼层的最大反应力图见图十。水平地震作用下楼层的地震剪力图见图十一。 图十 水平地震作用下的最大反应力图十一 水平地震作用下楼层的地震剪力图建筑结构设计时必须保证结构在荷载作用下有足够的承载能力及刚度，能保证结构的安全性和正常使用，对于高层建筑还要进行整体稳定性验算。结构设计时，要考虑可能出现的各种荷载的最大值和其同时作用在结构上产生的综合效应。各种荷载性质不同，发生概率也不同，对结构的作用效果也不同，对此建筑结构荷载规范GB50009-20XX规定了必须采用的荷载效应组合方法。在地震荷载作用下，结构设计采用两阶段设计方法，要求达到三水准目标。在第一阶段设计中，除要满足承载能力及侧向位移限制要求，还要满足延性要求，延性要求通过一系列抗震措施来实现，在某些情况下，要求进行第二阶段验算，即进行罕遇地震作用下的验算。以满足弹塑性层间变形的限制要求。内力组合的主要目的是按照可能与最不利原则，选择截面构件的设计内力。由恒载、活载及地震作用分别计算框架梁、柱的内力，对控制截面的内力进行处理之后，按照荷载效应组合规定，选取可能的多种组合类型，进行内力叠加。然后在各种组合类型中，根据控制截面和其相应的最不利内力类型，挑选了最不利内力，最后按此最不利内力进行构件截面设计。荷载布置时可考虑可能产生的最不利内力1） 竖向活荷载的布置，按最不利布置方式进行内力计算。因为住宅楼楼面活载不大，一般只占全部竖向荷载的10%-15%，其不利分布产生的影响较小，所以一般情况可不考虑竖向活荷载的不利布置。只用满布活荷载来计算内力。2） 水平荷载作用方向，风载和地震作用可能沿任意方向，计算时考虑作用沿主轴方向，本设计为矩形结构，正、负两方向作用，荷载下内力大小相等，因此只需做一次计算分析。但在平面结构复杂或者不对称的结构中，一个方向的水平荷载可能对一部分构件形成不利内力，另一方向水平荷载对另一构件形成不利内力，这时要做具体分析，选择不同方向的水平荷载，分别进行内力分析，然后进行内力组合。8用LTCAD进行楼梯设计。楼梯间设计符合现行国家标准建筑设计防火规范和高层民用建筑设计放火规范的有关规定。楼梯梯段净宽1.3m,楼梯踏步宽度0.26米，踏步高0.166米，楼梯平台净宽1200。六层建筑不设电梯。楼梯扶手净高1.1米，栏杆垂直杆件间的净空不大于0.11米。楼梯图例见图十二，详图见楼梯施工图。在建筑设计过程中应该注意的几个问题：、交通联系部分的平面设计除了满足各种使用功能外，还需要有把各个使用及室内外有机联系起来的交通联系部分，以保证使用便利和安全疏散。交通联系部分的设计合理，不仅使建筑物内部各部分联系通行方便，而且使建筑的工程造价、用地等更加经济。、建筑平面的组合设计要考虑基地大小、形状、地势和周围道路的走向，以及建筑物的间距和朝向，并兼顾建筑的艺术形象表现，来确定建筑物在基地内的具体位置、平面形象、室外用地范围及室内外联系等各个方面的问题，使建筑物的平面组合能够切合当时、当地的具体条件，成为建筑群体有机的组成部分。建筑剖面设计要成分考虑室内采光和通风，主要取决于门窗的位置关系图十二 楼梯图例三、基础配筋计算。基础为沉管灌注混凝土桩基础，承台阶数为一阶，阶高为1000mm，沉管灌注桩桩径为400mm，桩长为16m,单桩特征值为600kn,桩顶标高-2m。基础荷载由上部结构传下来，可根据基础荷载设计简图进行基础配筋计算。基础设计荷载简图如图十四。现以九桩承台的计算配筋为算例进行计算。其所在位置的基础设计荷载简图为图十三。柱底内力：F=3338.6kn,M=6.1kn.m,V=-29.5kn,基础采用400的欲应力预制管桩，承台为C25混凝土，由静载实验得出桩的特征值Ra=400kn，承台底标高为-2米。1、桩数的确定和布置。设承台长宽高=5.03.60.8m其自重和其上复土重为：G=5.03.60.825+5.03.60.820=648(kn)桩数n=11.13212(根)桩布置见下图，取桩距3.5d=1400mm图十四 基础设计荷载简图2、单桩承载力验算本计算中所采用公式均为建筑地基基础设计规范 GB50007-20XX,由公式8.5.3-1和8.5.3-2：Mgk=M+vh=6.1+29.50.8=29.7(kn.m)Qk=372.217knRaQkmax=Qk+=372.217+29.71.4/(81.42)=374.871.2Ra=1.2400=480kn单桩承载力满足要求3、计算单桩静反力单桩静反力平均值：Ni=F/n=3338.6/12=278.217k(n)单桩静反力最大值：Nimax=Qkmax-G/n=374.87-648/12=320.87(kn)4、柱冲切验算由公式8.5.17-1计算：FL2Box(bc+aoy)+Boy(hc+aox)Bhpft.h0H=0.8m,Bhp=1aoy=0(m)h0=h-0.04=0.8-0.04=0.76(m)0.2 h0=0.20.76=0.152(m)aoy h0 取aox=0.76mox= aox/ h0 =0.76/0.76=1oy= aoy/ h0 =0.152/0.76=0.2Box =0.84/(ox+0.2)=0.84/(1+0.2)=0.7Boy=0.84/(ox+0.2)=0.84/(0.2+0.2)=2.1bc=4.6m, hc=0.4m C25混凝土的ft=1270kn/m22Box(bc+aoy)+Boy(hc+aox)Bhpft.h0=20.7(0.4+0.152)+2.1(4.6+0.76)112700.76=22474.49knF=3338.6kn满足要求！5、 承台抗剪验算由公式8.5.18-1Vhsft.b0h0ax=1.4-0.2-0.2=1.0mx=ax/h0=1.0/0.76=1.316=1.75/(x+1)=1.75/(1.316+1)=0.756hs=(800/h0)1/4=5.696hsftb0h0=5.6960.75612705.00.76=20781.61knV=4Nimax=4320.87=1283.48(kn)满足要求！6、承台底版配筋计算（1）求Mx,My,由公式8.5.16-1和8.5.16-2Mx=Niyi=3278.2172.1+3x278.217x0.7=2337.02(kn.m)My=Niyi=4320.871.4=1796.87(kn.m)（2）配筋Asx=Mx/0.9h0fy=2337.02x106/0.9760300=11388.99(mm2)Asy=My/0.9h0fy=1796.87/0.9760300=8756.68(mm2)minx=0.15%bh0=0.15%3600760=4104(mm2)miny=0.15%bh0=0.15%5000760=5700(mm2)（3）实配筋X方向选 Y方向选 结构设计要完善结构抗震设计。在结构抗震设计中注意以下几点的设计要求： 1）平面几何形状及其抗侧力构件的布置宜简单、规则、对称，多高层建筑的外突部分尺寸宜满足高规4.3.3和表4.3.3的要求。2）建筑的立面形状及其抗侧力构件的布置宜简单，规则、对称，结构的侧向刚度和水平承载力沿高度均匀变化，自上而下逐渐减小，避免出现突变。多高层建筑的立面内收或外挑的尺寸宜符合高规第4.4.5条的规定。3）结构体系中具有合理的、直接的传力途径，应避免少数脆弱构件或节点等薄弱环节的破坏而导致整个结构传力路线的中断。保证足够的侧向刚度，较强的水平承载力，良好的变形能力，能吸收和耗散较多的地震能量。4）结构构件的设计。钢筋混凝土框架设计符合“四强”、“四弱”的准则。即：1， 强节点弱构件框架梁柱节点域的截面抗震验算，符合抗规附录D的要求，使杆件破坏先于节点破坏。2， 强柱弱梁框架各楼层节点柱段弯矩设计值，符合抗规第6.2.2、6.2.3、6.2.6、6.2.10条的要求，使梁端破坏先于柱端破坏。3， 强剪弱弯框架梁、柱的截面尺寸满足抗规第6.2.9条的要求，框架梁端截面和框架柱的剪力设计值分别符合抗规第6.2.4、6.2.5条和第6.3.8到6.3.12条的要求，使梁柱的弯曲破坏先于剪切破坏。4， 强压弱拉框架柱的截面尺寸满足抗规第6.3.7条的要求。框架柱、梁的纵向受力钢筋和箍筋的配置，分别符合抗规第6.3.3、6.3.6和第6.3.8到6.3.12条的要求，使梁柱截面受拉区钢筋的屈服先于受压区混凝土的压碎。设计成果比较与分析：本组的另一位同学对相同建筑采用框架结构体系进行设计。框架结构的优点是可以提供较大的建筑空间，布置灵活，能为建筑设计提供丰富的建筑造型；缺点是在较高的建筑中难以控制侧向变形，抗震性能较剪力墙相对薄弱。剪力墙结构的优点是刚度较大，抗震能力较框架强；缺点是剪力墙的间距不宜很大，在建筑空间的布置和利用上受到局限。框架-剪力墙结构体系则综合了两者的特点，取长补短，既能提供较大较灵活