结构概念与体系设计.doc

1 12 研 究 生 课 程 设 计 课程课程 结构概念与体系结构概念与体系 姓名姓名 专业专业 结构工程结构工程 学院学院 土木工程学院土木工程学院 学号学号 年 月 2 12 目录 摘要 3 关键词 3 一 设计概况 3 二 相关设计参数的选取 4 三 方案一初步设计 4 3 1 方案一水平分体系结构初步设计 采用的是主 次梁体系 4 3 2 方案一竖向分体系结构初步设计 采用的是框架结构体系 6 四 方案二初步设计 8 4 1 方案二水平分体系结构初步设计 采用的是板 梁体系 8 4 2 方案二竖向分体系结构初步设计 采用的是剪力墙结构体系 10 五 方案一和方案二的优劣比较 11 5 1 方案一和方案二水平分体系的比较 11 5 2 方案一和方案二竖向分体系的比较 11 六 概念设计方法与传统构件设计方法的区别 11 参考文献 12 3 12 摘要摘要 本工程为深圳市某 12 层办公楼 标准层层高 3 6m 建筑总高度为 43 2m 办 公楼结构方案初步设计分为两个方案 方案一是水平分体系采用主 次梁结构体系 竖向分 体系采用框架结构体系 方案二是水平分体系采用板 梁结构体系 竖向分体系采用剪力墙 结构体系 关键词关键词 主 次梁结构体系 框架结构体系 板 梁结构体系 剪力墙结构体系 一 设计概况一 设计概况 本设计为深圳市某 12 层办公楼 标准层层高 3 6m 建筑总高度为 43 2m 其建筑方案见图 1 1 办公楼结构方案初步设计分为两个方案 方案一是水平分体系采用主 次梁结构体系 竖向分体系采用框架结构体系 方案二是水平分体系采用板 梁结构体系 竖向分体系采用 剪力墙结构体系 图 1 1 办公楼建筑方案 4 12 2 2 相关设计参数的选取相关设计参数的选取 混凝土梁 板均采用强度为 C30 的混凝土 柱和墙采用强度为 C40 的混凝土 板钢筋采用 HPB300 级钢筋 其应力允许值是 2 270 N mm 梁柱钢筋采用 HRB400 级钢筋 其应力允许值是 2 360 N mm 根据 建筑结构荷载规范 GB 50009 2001 混凝土自重取为 25kN m 楼面活荷载 取 2 0kN 基本风压取 0 75kN 三 方案一初步设计三 方案一初步设计 3 1 方案一水平分体系结构初步设计 采用的是主 次梁体系 计算简图见图 3 1 主次梁体系计算简图 图 3 1 主次梁体系计算简图 双向钢筋混凝土板 主次梁截面的初步设计 不妨取跨高比为 36 则板厚为3600 36100hmm 不妨取主梁的跨高比为 12 则主梁高为 梁宽取梁高的 1 2 即7200 12600 l hmm b 300mm 不妨取次梁的跨高比为 15 则次梁高为 梁宽取 b 200mm4500 15300 cl hmm 双向钢筋混凝土板的设计 跨度 L 3 6m 混凝土板自重 0 01x25 2 5kN 活荷载 未折减 2 0 kN 隔墙 吊顶等 0 96 kN 5 12 每米板宽的总荷载 5 46kN m 设 22 max 165 46 3 6 164 42MLkN m A 22 max 125 46 3 6 125 90MLkN m A 则不妨可假设板设计可按来控制 并设板跨中的 2 3 的宽度承担绝大 max 5 90MkN m A 部分的板弯矩 即 3 6x2 3 2 4m 的有效宽度 则有效宽度的每米板宽所承受的弯矩 5 90 2 4 2 46kN m m 设取保护层厚度为 20mm 则 力臂 a 100 20 7 8 70mm T M a 2 46 0 07 35 14kN m 钢筋应力允许值是 2 270 N mm 32 35 14 10 270130 s Ammm 由于板的有效高度是 70mm 所以 对板来讲 此配筋率是130 0 2 s 70 1000 可以满足规范要求的 0 2 的最低配筋率 由此可见 板的厚度可以做得更薄 次梁的设计 L 4 5m 板传来的荷载 5 46x3 6x0 44 8 65kN m 次梁自重 25x0 2x 0 3 0 1 1kN m 总荷载 9 65kN m 22 129 65 4 5 1216 28MLkN m A 取保护层厚度为 30mm 力臂 a 300 30 270mm T M a 16 64 0 27 60 31kN 钢筋应力允许值是 2 360 N mm 32 61 63 10 360168 s Amm 此配筋率是可以满足规范要求的 0 2 的最低配筋率 168 0 3 s 200 270 梁的最佳配筋率大约为 1 5 说明采用这种体系时 此梁还可以继续优化为更小的截面 6 12 主梁的设计 L 7 2m 楼板传来的荷载 5 46x4 5x0 56 13 76kN m 次梁传来的荷载 9 65x4 5 7 2 6 03kN m 主梁自重 25x0 3x 0 6 0 1 3 75kN m 总荷载 23 54kN m 对于初步设计不妨假设主梁是简支的 22 max 823 54 7 2 8152 54MLkN m A 取保护层厚度为 30mm 力臂 a 600 30 570mm T M a 152 54 0 57 268kN 钢筋应力允许值是 2 360 N mm 32 268 10 360744 s Amm 此配筋率是可以满足规范要求的 0 2 的最低配筋率 744 0 4 s 300 570 梁的最佳配筋率大约为 1 5 说明采用这种体系时 此梁还可以继续优化为更小的截面 3 2 方案一竖向分体系结构初步设计 采用的是框架结构体系 水平力作用下 取风荷载 结构的内力计算 不妨假设全楼受到一均布的风荷载 其值可取为 0 75x4 5 3 38kN m 其计算简图见图 3 2 图 3 2 风荷载作用下的计算简图 在此风荷载作用下 结构的剪力和弯矩图见图 3 2 1 7 12 图 3 2 1 风荷载作用下结构弯矩和剪力图 框架分析 取首层分析 用门式框架法近似计算侧向力作用下建筑物某高度处柱子弯矩 用悬臂法计算侧向力作用 下由倾覆力矩产生的柱子轴力 由图 3 2 1 风荷载作用下结构弯矩和剪力图可知 该层荷载如下 倾覆力矩 3154kN m 总的层剪力 楼板以上为 139kN 楼板以下为 146kN 总重力荷载 估算 1 2x14x4 5x17 4x11 14470kN 从承受面积分析 可以确定在 14470kN 的重力荷载按下述方式分配到每根柱子 其中每根 内主可分到 4241kN 每根外柱可分到 2994kN 用门式框架法把剪力 139kN 和 146kN 分配到各柱 每根内柱剪力为每根外柱的两倍 对剪力 139kN 分配如下 外柱 23kN 内柱 46kN 对剪力 146kN 分配如下 外柱 24kN 内柱 49kN 计算由水平剪力产生的住 梁弯矩 外柱端弯矩为 上柱 M 23x1 8 41 4kN m 下柱 M 24x1 8 43 2kN m 内柱端弯矩为 上柱 M 46x1 8 82 8kN m 下柱 M 49x1 8 88 2kN m 用悬臂梁法计算由柱轴向应力抵抗 3154kN m 倾覆力矩 外柱的轴向应力是内柱的三f 倍 因为每根外柱承担的竖向荷载为内柱的一半 加上外墙后 可以假定外柱的配筋面积 A 大约是内柱的 2 3 因此外柱的轴力是 而内柱的力是 则可以fA 3 3 2 2 fAfA 得到 8 12 8 7 21 5 23154 2 167 CT fA MfAkN m fAkN A 即 这说明一侧外柱将承受 167kN 的压力 另一侧承受 167kN 的拉力 内柱为一半即 84kN 与重力荷载组合以后 每根外柱承受 3161kN 的轴向压力 每根内柱承受 4325kN 的轴向压 力 作为初步设计 则可初步取 内柱的截面为 3 4325 10 500mm 500mm 19 1 c N bxh f 外柱的截面为 3 3161 10 400mm400mm 19 1 c N bxh f 显然 在进行内力组合以后及计算地震作用以后 柱的应力值会更大 则相应的柱子的截 面需进一步加大 显然 柱子截面太大 对于建筑的使用空间相对而言就变得不那么灵活 了 4 4 方案二初步设计方案二初步设计 4 1 方案二水平分体系结构初步设计 采用的是板 梁体系 计算简图见图 4 1 板 梁体系体系计算简图 9 12 图 4 1 板 梁体系体系计算简图 双向钢筋混凝土板的初步设计 不妨取跨高比为 36 则板厚为3600 36100hmm 不妨取梁的跨高比为 12 则梁高为 梁宽取梁高的 1 2 即7200 12600 l hmm b 300mm 双向钢筋混凝土板 梁的设计 跨度 L 4 5m 混凝土板自重 0 01x25 2 5kN 活荷载 未折减 2 0 kN 隔墙 吊顶等 0 96 kN 每米板宽的总荷载 5 46kN m 设 22 max 165 46 4 5 166 91MLkN m A 22 max 125 46 4 5 129 21MLkN m A 板设计可按来控制 并设板跨中的 2 3 的宽度承担绝大部分的板弯矩 max 9 21MkN m A 即 4 5x2 3 3m 的有效宽度 则有效宽度的每米板宽所承受的弯矩 9 21 3 3 07kN m m 设取保护层厚度为 20mm 则 力臂 a 100 20 7 8 70mm T M a 3 07 0 07 43 86kN m 钢筋应力允许值是 2 270 N mm 32 43 86 10 270162 s Ammm 由于板的有效高度是 70mm 所以 对板来讲 此配筋率162 0 23 s 70 1000 是可以满足规范要求的 0 2 的最低配筋率 梁截面的初步设计 L 7 2m 板传来的荷载 5 46x4 5 24 57kN m 主梁自重 25x0 3x 0 6 0 1 3 75kN m 总荷载 28 32kN m 22 1228 32 7 2 8183 5MLkN m A 取保护层厚度为 30mm 力臂 a 600 30 570mm T M a 183 5 0 57 322kN 钢筋应力允许值是 2 360 N mm 10 12 32 322 10 360894 s Amm 此配筋率是可以满足规范要求的 0 2 的最低配筋率 894 0 52 s 300 570 4 2 方案二竖向分体系结构初步设计 采用的是剪力墙结构体系 不妨可设剪力墙的厚度为 0 3m 宽度为 7 2m 高度为 43 2m 钢筋混凝土容重取 25kN m 则墙上的垂直荷载是 2333kN 并假定沿高度作用有均布风荷载 3 38kN m 其计 算简图如图 4 2 图 4 2 剪力墙计算简图 最大剪力 max 3 38 43 2146VkN 悬臂梁的最大弯矩 22 max 23 38 43 2 23154MLkN m A 偏心距是 3154 2333 1 35m 超过了 7 2m 墙宽的平衡设计偏心距 7 2 6 1 2m 因此 在基底处将出现拉力区 即最大平衡弯矩 M 2333x1 2 2800kN m 11 12 墙的惯性矩 334 bd 120 3 7 2 129 3Im 最大弯曲应力 2 max 3154 3 6 9 31221 fMc IkN m 平均剪应力 2 146 0 3 7 2 67 6 VVAkN m 矩形截面的最大剪应力 因为在正常配筋的混凝土墙中 2 max 1 5 101 4 VVAkN m 至少可以承受的剪应力 显然 采用 0 3m 厚的剪力墙结构对于本结构来说是 2 690 kN m 可以继续优化的 五 方案一和方案二的优劣比较五 方案一和方案二的优劣比较 5 1 方案一和方案二水平分体系的比较 在相同的截面和荷载作用下 方案一方案二 主 次梁体系板 梁体系 板次梁主梁板梁 从配筋率角度上做比较 0 2 0 3 0 4 0 23 0 52 从建筑使用上做比较建筑空间易分割 但净高小建筑空间大 净高大 从表格可看出 在选取同样的构件截面和相同的荷载作用下 显然主 次梁体系所需要的配 筋面积更小 换言之 构件的截面尺寸能做得更小 更经济 又或者说 与板 梁体系相比 较 主 次梁体系能承受更大的荷载 板 梁体系虽然不及主 次梁体系可以承受更大的荷载 但板 梁体系施工相对简单 而且因为缺少了次梁 板 梁体系的建筑净高更高 5 2 方案一和方案二竖向分体系的比较 方案一采用的竖向分体系是框架结构体系 其柱子需要较大的截面才能承受比较大的荷载 而方案二采用的竖向分体系是剪力墙结构体系 其剪力墙的截面做得比较小 但已经能承 受比较大的荷载 而且 从截面惯性矩而言 剪力墙远远大于框架柱 这是有利于在地震 或者风荷载作用下控制结构侧移的 这些都是剪力墙结构体系优于框架结构体系的地方 但从建筑使用功能的角度考虑 剪力墙结构布置不灵活 往往限制了建筑的使用 6 概念设计方法与传统构件设计方法的区别概念设计方法与传统构件设计方法的区别 首先 概念设计方法着重于从概念上整体把握结构 再把结构细分成相应的水平分体 系 竖向分体系进行概念上的定性分析 而不必做出准确的定量分析 简而言之 概念设 计方法是着重于确定结构设计方案的一些比较基本的设想和处理手段 而不是结构的细部 12 12 设计 其次 概念设计方法主要是运用于结构方案设计和初步设计阶段 它只是通过一些 基本的概念判断结构的受力状态 然后选择相应的结构体系 再对相应的结构体系从整体 到分体系做简单的力学计算 比如说初步计算梁 柱截面 也就是说 概念设计更多的是 定性的分析 而不