毕业设计报告横向水平荷载作用下框架结构内力和侧移计算.doc

目 录一、主要设计资料.31、设计规范.32、工程概况.3二、结构布置及计算简图.3三、重力荷载计算.61、屋面及楼面的永久荷载标准值.62、卫生间的楼面荷载.63、屋面及楼面可变荷载标准值.74、梁、柱、墙、窗、门、重力荷载计算.75、重力荷载代表值计算.10四、框架侧移刚度计算.12五、横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算.141、横向水平地震作用下框架结构的内力和侧移计算.142、横向风荷载作用下框架结构内力和侧移计算.19六、竖向荷载作用下框架结构的内力计算.251、横向框架内力计算.252、横向框架内力组合.33七、截面设计.411、框架梁.412、框架柱.443、框架梁柱节点核芯区截面抗震验算.50八、梁的裂缝与挠度验算.51九、 板式楼梯计算.53十、 基础设计.54十一、PKPM电算计算结果.581、建筑结构的总信息.582、JCCAD 计 算 结 果.66一、主要设计资料1、设计规范(1)建筑结构可靠度设计统一标准 ( GB50068-2001 )(2)建筑结构荷载规范 ( GB50009-2001 )(2006版）(3)建筑地基基础设计规范 ( GB50007-2002 ) (4)混凝土结构设计规范 ( GB50011-2010 ) (5)建筑抗震设计规范 ( GB50011-2010 )(6)建筑结构制图标准 ( GB/T50105-2001 )(7)建筑工程抗震设防分类标准 （GB50223-2008）(8)砌体结构设计规范 (GB50003-2001)2、工程概况： （1）本工程建于四川省达州市，根据地勘资料无不良地质情况，场地类别为类，地面粗糙度为B类，地下水对混凝土及钢材等建材无侵蚀性影响，地基土对建材具有微腐蚀性。（2）本工程0.000标高根据施工现场确定。（3）本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为第一组, 设计地震动参数=0.04，=0.30s。结构安全等级为二级，地基基础设计等级为丙级，建筑抗震设防类别为乙类。本建筑为框架结构,框架抗震等级为三级。（4）结构的设计使用年限为50年，砌体施工质量控制等级为B级。（5）基本雪压，基本风压。（6）分析建筑载荷、结构特点以及场地岩土现状，从安全稳定，技术可行和经济合理及施工难度原则出发，依据地勘报告建议，选用中风化白云岩层作为建筑地基基础持力层，承载力特征值fa=2000kpa。地基均匀连续且埋深较浅，采用墩基础。二 、结构布置及计算简图结构平面简图如图1，本设计计算所取一榀框架为图中阴影所示。根据该房屋的使用功能及建筑设计要求，进行了建筑平面、立面及剖面设计。主体结构共5层，层高均为3.9m。 填充墙采用200厚的水泥空心砖砌筑。门为木门，门洞尺寸详建施图门窗表。窗为铝合金窗，洞口尺寸详建施图门窗表。基础设计根据地质勘探报告，基础形式拟采用钢筋混凝土独立柱基础，基础埋置深度拟定为2.5m，以红粘土作为基础持力层。楼盖及屋盖均采用现浇钢筋混凝土结构，楼板厚度取100mm，屋面取120mm。梁截面高度按梁跨度的1/121/8估算，由此估算梁截面尺寸见表1，表中给出了各层梁、板和柱的混凝土强度等级。其设计强度：C35(N/mm， ) ，C30(，)。90图1 结构平面计算简图表1梁截面尺寸（mm）及各层混凝土强度等级层次混凝土强度等级横梁（bh）纵梁（bh）主梁（bh）次梁（bh）主梁（bh）次梁（bh）1C3030070030060030070030050025C30300700300600300700300500注：纵横梁尺寸为主要尺寸，局部位置差异详结施图具体位置标注。柱子截面尺寸估计，由，根据建筑抗震设计规范GB500112010，该框架结构的抗震等级为二级，查表得轴压比=0.8，各层重力荷载代表值近似取1215，这里取12.混凝土的型号采用C30，由结构布置图中，可知边柱的负载面积是6.6m3.75m。中柱的负载面积为6.6m5.4m。由此可以得到第一层柱的截面面积边柱 中柱 取柱子的截面为正方形，则边柱的边长，中柱的边长。根据上述计算结果并综合考虑其他因素，本设计柱截面尺寸取值如下：1层： 500mm500mm 25层： 450mm450mm其中，4交E轴位置柱截面构造需要定为400mm1200mm。该教学楼的基础形式采用钢筋混凝土独立柱基础，室内外高差为0.45m；取顶层柱的形心线作为框架的轴线，各层柱的轴线重合，梁的轴线取到板底，底层柱子的计算高度应该是从基础梁顶面到一层楼板底面的高度，其余各层高度取为层高，即3.9m；基础的埋深采用天然地基时不可小于建筑物高度的1/12，据此估计埋深=（3.95+3.2）+0.45=2.34m. 取为2.5m，基础高度估计为0.8m，地梁的高度0.8m。所以底层柱的计算高度H=2.50.8+3.9+0.450.80.1=5.15m。所以横向框架的计算简图如图2所示 图2 横向框架结构计算简图三、重力荷载计算 1、 屋面及楼面的永久荷载标准值屋面（不上人）：40厚细石混凝土加4%防水剂 400.03=1.23厚自粘APP改性沥青防水卷材一道 3 0.06=0.1850厚水泥蛭石隔热层 500.15= 0.7525厚1:3水泥砂浆找平 250.02= 0.51:6水泥炉渣找坡最薄处10厚 0.13厚合成高分子防水涂膜兼隔气层 3 0.02=0.06 15厚1:3水泥砂浆找平 15 0.02= 0.3120厚钢筋混凝土板 250.12=3.0 合计 屋面（上人）：40厚细石混凝土加4%防水剂 400.03=1.23厚自粘APP改性沥青防水卷材一道 3 0.06=0.18架空平板通风隔热层 0.15屋面横向分隔缝 0.2025厚1:3水泥砂浆找平 250.02= 0.51:6水泥炉渣找坡最薄处10厚 0.13厚合成高分子防水涂膜兼隔气层 3 0.02=0.0615厚 1:3水泥砂浆找平 15 0.02= 0.3 120厚钢筋混凝土板 250.12=3.0 合计 14层楼面：地砖面层，水泥浆擦缝 0.5520厚1:2水泥砂浆结合层 200.025=0.525厚1:3水泥砂浆找平 250.02= 0.5刷水泥浆一道 0.05100厚钢筋混凝土板 250.10=2.5 合计 2、 卫生间的楼面荷载各层卫生间楼面： 卫生间大便器及粉煤灰填筑等构造设施 170. 10=1.7防滑地砖，1:1水泥砂浆勾缝 0.55 1.5厚聚合物水泥防水涂膜, 200.0015=0.0320厚1:3水泥砂浆找平层 200.02=0.401:6水泥炉渣垫层兼找坡1%坡向地漏, 200.015=0. 32厚双面自粘防水卷材一道 0.2100mm厚钢筋混凝土楼板 250.1=2.5 合计 3、 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 0.5上人屋面均布活荷载标准值 2.0楼面活荷载标准值 2.0屋面雪荷载标准值 1.00.2=0.24、 梁、柱、墙、窗、门、重力荷载计算梁柱梁柱可根据截面尺寸、材料容重及粉刷等计算出单位长度上的重力荷载；具体计算过程从略，计算结果见表2. 表2 梁、柱重力荷载标准值层次构件宽度b/m高度h/m重度修正系数线荷载KN/m净长m根数重力荷载KN求和KN1边横梁0.30.7251.055.51257.017655.993755.87中横梁0.30.7251.055.51253.016264.6横次梁0.30.6251.054.7257.210340.3纵 梁0.30.7251.055.51256.126874.28纵次梁0.30.5251.054.7255.33275.46柱 子0.50.5251.106.8755.15381345.4425边横梁0.30.7251.055.51257.017655.993294.89中横梁0.30.7251.055.51253.016264.6横次梁0.30.6251.054.7257.211374.22纵 梁0.30.7251.055.51256.126874.28纵次梁0.30.5251.054.7255.34300.51柱 子0.450.45251.105.5693.938825.296(1#楼梯 间)横 梁0.30.4251.055.51253.9243.0196.93纵 梁0.30.6251.055.51257.9287.1柱 子0.450.45251.105.5693.0466.83注：1）修正系数为考虑梁粉刷层重力荷载而对其重力荷载的增大系数；2）梁长去净长，柱长度去层高。墙体外墙为200厚水泥空心砖，3-5层外墙面20厚抹灰加5%防水剂和聚合物抗裂纤维(再刷外墙漆)，内墙面为20mm厚抹灰，则3-5层外墙单位墙面重力荷载为：9.80.2+170.022=2.641-2层外墙面抹灰加5%防水剂和聚合物抗裂纤维(再贴文化石)，内墙面为20mm厚抹灰，则1-2层外墙单位墙面重力荷载为：0.5+9.80.2+170.02=2.8内墙为200mm水泥空心砖，两侧均为20mm厚抹灰，则内墙单位墙面重力荷载为9.80.2+170.022=2.64门窗木门单位面积重力荷载为0.2；铝合金窗单位面积重力荷载取0.4。5、重力荷载代表值计算 重力荷载代表值表示结构和构件自重荷载标准值和各可变荷载组合V值之和，在结构抗震分析时沿楼层高度方向可简化为串联多自由度体系，计算简图如右图所示，集中于各质点的重力荷载为计算单元范围内各处楼面上的重力荷载代表值及上下各半层的墙、柱、门、窗等重量。第一层重力荷载代表之中的梁柱的重力之前已经计算 =3755.87KN外墙墙体重量=( 50. 42+18.32) 5.15-(7.532+1.82.12+0.92.12+1.02.11.4+1.52.1+0.81.22+1.92.12+2.11.42+2.42.110+2.82.16+0.40.43+0.81.22) 2.8=1515.70 KN内墙墙体重量=( 422+7.510+4.22 ) 5.12-(1.8*2.1*2+0.9*2.1*2+1.0*2.1*14) 2.64=2155.16 KN=+=1515.70+2155.15=3670.85KN 门窗重量=166.290.4+40.74 0.2=74.67KN活载重量=8002=1600 KN所以 =+0.5=3755.87+3670.85+74.67+0.51600=8321.39KN第二层中梁柱的重力代表值=3294.89 KN外墙墙体重量=( 50. 42+18.32) 3.9-(7.532+1.82.12+0.92.12+1.02.11.4+1.52.1+0.81.22+1.92.12+2.11.42+2.42.110+2.82.16+0.40.43+0.81.22) 2.8=1034.80 KN内墙墙体重量=( 422+7.510+4.22 ) 3.9-(1.8*2.1*2+0.9*2.1*2+1.0*2.1*14) 2.64=1616.0KN=+=1034.80+1616.0=2650.8KN门窗重量=166.290.4+40.74 0.2=74.67KN活载重量=8002=1600 KN所以=+0.5=3294.89 +2650.8+74.67+0.51600=6820.36KN第三层中梁、柱的重力代表值=3294.89KN由于第三层门厅上空不再是架空，所以外墙墙体重量=( 50. 42+18.32) 3.9-(7.532+1.82.12+0.92.12+1.02.11.4+1.52.1+0.81.22+1.92.12+2.11.42+2.42.110+2.82.16+0.40.43+0.81.22) 2.8=1034.80 KN内墙墙体重量=( 422+7.512+4.22 ) 3.9-(1.8*2.1*2+0.9*2.1*2+1.0*2.1*14) 2.64=1770.44KN=+=1034.80+1770.44=2805.24门窗重量=166.290.4+44.940.2=75.50KN活载重量=8502=1700 KN所以 =+0.5 =3294.89 +2805.24+75.50+0.51700=7025.63KN第四层和第五层结构形式与第三层完全一致，所以=7025.63KN第六层，即女儿墙和1#楼梯间顶层中梁、柱的重力代表值=196.93KN外墙墙体重量=（8.42+4.22）3.0-1.82.1+（50.42+18.32）1.12.64=588.61KN门窗重量=1.82.10.2=0.756KN活载重量=8.44.22=70.56 KN=+0.5 =196.93+588.61+0.756+0.570.56=821.58KN四、框架侧移刚度计算 1、横向框架侧移刚度计算柱的线刚度以及柱子的侧移刚度 ， 横梁线刚度 ， 根据上述所列式子计算横梁线刚度，柱子的线刚度，以及柱子的侧移刚度 ，具体过程详表3和表4。表3 梁线刚度计算类别层数弹性模量（N/）截面尺寸惯性矩（）跨度l（mm）梁线刚度 N/mm边框架梁线刚度(1.5梁线刚度)中框架梁线刚度（2梁线刚度）B(mm)H(mm)边横梁13.153007008.57554005.07.510253.03007008.5754.767.149.52走道梁13.153007008.57533008.19122916.38253.03007008.5757.811.715.6表4 柱子线刚度计算层数柱高（mm）弹性模量截面宽度B(mm)截面高度h(mm)惯性矩柱子线刚度151503.155005005.213.182539003.04504503.422.63柱子的侧移刚度按公式计算，式中柱侧移刚度修正系数与梁柱的线刚度之比有关，还和梁柱之间的连接情况有关，根据公式可以求得。结构中的柱可分为中框架中柱和边柱、边框架中柱和边柱以及楼梯间柱等。框架的横向刚度计算见下表5、表6和表7。根据柱子所在的层数和所处位置不一样，的计算方法是不一样。对于底层边柱，底层中柱，底层中修正系数。一般层边柱，一般层中柱，一般层中修正系数 表5 中框架柱侧移刚度D值（N/mm）层次边柱（11根）中柱（13根）总侧移刚度梁柱刚度比修正系数侧移刚度D梁柱刚度比修正系数侧移刚度D353.6200.644133639.5510.8271716037007323.7110.650134879.7910.8301722237224313.1450.708101878.2960.85412287268774 表6 边框架柱侧移刚度D值（N/mm）层次A-3，A-16，B-2，H-3，H-16F-16，G-16总侧移刚度梁柱刚度比修正系数侧移刚度D梁柱刚度比修正系数侧移刚11769度D352.7150.576119527.1630.782162269221222.7830.582120767.3430.786163099299812.3580.65694386.2230.8181176970728 表7 楼梯间框架柱侧移刚度D值（N/mm）层次E-1，G-1E-3，G-3，F-14A-14，E-2总侧移刚度梁柱刚度比修正系数侧移刚度D梁柱刚度比修正系数侧移刚度D梁柱刚度比修正系数侧移刚度D351.9650.574147256.5240.685239812.3740.5431698913537121.9860.587152016.8630.752241072.4340.5491710913694112.4690.556128528.8410.846122873.1450.68914753110071将上述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，见表7表7 框架层间侧移刚度（N/mm）层次12345449573602182597656597656597656由表7可见。/=602182/449573=0.750.7,故该框架为规则框架。五、横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算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。 参考公式将G6(图2)折算到主体结构的顶层，即根据高层建筑混凝土结构技术规范（JGJ3 -2002）,采用结构水地震作用计算的底部剪力法，可按式计算基本周期T,其中为结构顶点的假想位移，单位为m,即假想把集中在各楼层处的重力荷载代表值G作为该楼层水平荷载来计算结构顶点弹性水平位移，结构顶点假想位移计算如表8。其中第5层的Gi为G8与Ge之和。表8 结构顶点假想侧移计算 层数/KN/KN58026.258026.2559765613.4206.3047025.6315051.8859765625.18192.9037025.6322077.5159765636.94167.7226820.3628897.8760218247.99130.7818321.3937219.2644957382.7982.79其中公式 计算周期，式中未框架结构非承重墙影响系数 取0.7 =1.70.7=0.54s（2） 水平地震作用及楼层地震剪力计算。 本建筑物高度不超过40m,其中质量和刚度沿高度分布比较均匀，变形以剪切变形为主，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如下。=0.85（8321.39+6820.36+7025.633+821.58）=31484.19KN=0.08=0.047 (提高一度抗震设防，故取=0.08)=0.04731484.19=1479.76KN因为1.4=1.40.3=0.42 s=0.54 s, 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得=0.080.54+0.07=0.1132 =0.11321479.76=167.51 KN各质点的水平地震作用按 计算，其中和已经求得。具体计算过程详表格9，各楼层地震剪力计算结果详表9其中各楼层地震剪力 表9 各质点横向水平地震作用及楼层地震剪力计算表层数/m/KN/KN.m总地震作用（KN）各层地震作用(KN各楼层地震剪力(KN)23.75821.5819512.50.04071312.2553.4353.43520.757025.63145781.80.3041312.25399.18452.61416.857025.63118381.80.24711312.25324.15776.76312.957025.6390981.90.1891312.25249.121025.8929.056820.3661724.20.1281312.25169.011194.9015.158321.3942855.10.0891312.25117.341312.25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如下图（a）水平地震作用分布 （b）层间剪力分布图3 横向水平地震作用及楼层地震剪力（3）水平地震作用下的位移验算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按计算，顶点位移u按u=计算，计算过程见表10。表10 横向水平地震作用下的位移验算层数层间剪力（KN）总刚度层间侧移（mm）总的侧移u（mm）层间高度(mm)层间角5452.615976560.769.9039000.0001944776.765976561.308.6039000.00033331025.895976561.726.8939000.00044021194.96021821.984.9039000.00050911312.254495732.922.9251500.000567由表10可见，最大层间弹性位移角发生在第一层，其值为0.0005671/550，满足要求，其中，是根据建筑抗震设计规范GB50011 2008规范所得。（4） 水平地震作用下框架内力计算 以图1中轴线横向框架内力计算为例，列出计算过程。框架柱端剪力及弯矩分别按式子 和计算，其中为i层的总的侧移刚度，表示第i层的第j根柱子的单根侧移刚度。y表示各柱反弯点高度比，其中 。本建筑底层柱需考虑修正值 ，第2层需考虑修正值和，其余柱均无修正。具体计算过程及结果详表11.表11 各层柱柱端弯矩及剪力计算层数H（m） /KN N/mm边柱中柱yy53.9452.615976561336310.123.620.4517.7621.711716012.999.5510.5527.8822.8143.9776.765976561336317.373.620.533.8733.871716022.309.5510.543.4943.4933.91025.895976561336322.943.620.544.7344.731716029.469.5510.557.4457.4423.91194.96021821348726.763.710.552.1952.191722234.179.7910.4559.9773.3015.11312.254495731018729.733.150.5583.4168.241228735.868.2960.591.4591.45 注：表中M量纲为kNm，V量纲为kN梁端弯矩、剪力及柱轴力分别按式下式计算。； ； 其中梁线刚度取自表格3，具体计算结果如下表12、表13、表14所示。表12 边梁端弯矩、剪力及柱轴力计算层次521.71121.7122.810.62114.177.54.78417.7633.87151.6327.8843.490.62144.327.512.79333.8744.73178.643.4957.440.62162.687.518.84244.7352.19196.9257.4473.30.62181.197.523.75152.1968.241120.4359.9791.450.6293.887.528.57表13 走道梁端弯矩、剪力及柱轴力计算层次522.810.3798.6522.810.3798.643.35.24427.8843.490.37927.0527.8843.490.37927.053.316.39343.4957.440.37938.2543.4957.440.37938.253.323.18257.4473.30.37949.5557.4473.30.37949.553.330.03159.9791.450.37957.3959.9791.450.37957.393.334.78表14 柱轴力计算层次边柱中柱5-4.78-5.244-17.57-21.633-36.41-44.812-60.16-74.841-88.73-109.62注：1)表中M单位为KN.m ，V单位为KN，N单位为KN，l单位为m。2)柱轴力的符号代表拉力，当左地震时，左侧两根柱为拉力，右侧两根柱为压力。则水平地震作用下框架的弯矩图，梁端剪力图及柱轴力图如下图4表示： （a）框架弯矩图（KN.m） （b）梁端剪力及柱轴力图（KN） 图4 左地震作用下框架弯矩图、梁端剪力及柱轴力图2、 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。风荷载标准值按计算。 基本风压=0.35，风载体型系数=0.8（迎风面）和=-0.5（背风面）。B类地区，风震系数由于房屋高度未超过30m，且H/B=20.75/50.4=0.41，查表得 =0.42；=0.31S=0.03kN查表得=1.155所以=1.0+.还是取轴线横向框架，其负载宽度为6.6m，所以沿高度的分布风荷载标准值q(z)=6.60.35=2.31根据各楼层标高处的高度查表取，代入上式可得各楼层标高处的q(z)，见下表20。表20 沿房屋高度分布风荷载标准值层次/m/(KN/m)/KN/m520.7511.261.3853.2252.016416.850.811.191.3312.9271.829312.950.621.11.2752.5921.6229.050.4411.2122.2391.39915.150.2511.1202.0711.294q（z）沿建筑高度的分布见图5所示。框架结构分析时，应按静力等效原理将分布风荷载转化为节点集中荷载，如图5。因为高度小于30m，所以不考虑风压脉动的影响。等效集中荷载的计算过程如下：=（2.071+1.294）（3.9/2+5.15/2）=15.23 KN=（2.239+1.399）（3.9/2+3.9/2）=14.19 KN=（2.592+1.62）（3.9/2+3.9/2）=16.43 KN=（2.927+1.829）（3.9/2+3.9/2）=18.55KN=（3.225+2.016）3.9/2=10.22KN(a)风荷载沿建筑高度的分布（单位：kN/m） (b)等效节点集中风荷载（单位：kN） 图5 框架上的风荷载（2） 风荷载作用下的水平位移验算根据上图所示的水平荷载计算出层间剪力，根据表20得到轴线框架的层间侧移刚度，再根据公式计算各层的相对侧移和绝对侧移，计算结果见表21。 表21 风荷载作用下的框架层间剪力及侧移计算层次12345/KN15.2314.1916.4318.5510.22/KN74.6259.3945.228.7710.224494861418610466104661046/mm1.6601410.966980.7404250.47130.16741/mm1.6601412.6271213.3675463.83884.00624/0.0003220.000290.000260.00020.00019由表21可见，风荷载作用下框架的最大层间位移角远小于1/550，满足规范要求。（3）风荷载作用下框架结构内力计算。框架柱端剪力及弯矩分别按式子 和，其中为i层的总的侧移刚度，表示第i层的第j根柱子的单根侧移刚度。y表示的反弯点高度比，其中 反弯高度受柱线刚度之比、楼层位置、楼层高度变化的影响。柱端弯矩、剪力和梁端弯矩、剪力级柱子轴力见表22表25。表22 各层柱柱端弯矩及剪力计算层数H（m） /KN N/mm边柱中柱yy53.910.2261046133632.243.620.453.934.80171602.879.5510.556.165.0443.928.7761046133636.303.620.512.2912.28171608.099.5510.515.7715.7733.945.261046133639.903.620.519.2919.291716012.719.5510.524.7824.7823.959.39614181348713.043.710.525.4425.431722216.659.7910.4529.2335.7215.174.62449481018716.913.150.5547.4438.811228720.408.2960.552.0252.02 注：表中M量纲为kNm，V量纲为kN梁端弯矩、剪力及柱轴力分别按式下式计算。； ； 其中梁线刚度取自表格3，具体计算结果如下表12、表13、表14所示。表23 边梁端弯矩、剪力及柱轴力计算层次54.814.85.040.6213.137.51.0643.9312.28116.216.1615.770.62113.627.53.98312.28519.29131.5815.7724.780.62125.187.57.57219.2925.43144.7224.7835.720.62137.577.510.97125.43538.81164.2529.2352.020.6250.387.515.28表24 走道梁端弯矩、剪力及柱轴力计算层次55.040.3791.915.040.3791.913.31.1646.1615.770.3798.316.1615.770.3798.313.35.04315.7724.780.37915.3715.7724.780.37915.373.39.31224.7835.720.37922.9324.7835.720.37922.933.313.90129.2352.020.37930.7929.2352.020.37930.793.318.67表25 柱轴力计算层次边柱中柱5-1.06-1.164-5.04-6.203-12.61-15.512-23.58-29.411-38.86-4