土木工程系Ⅱ级项目-结构设计指导书

1、级项目设计指导书一、结构设计前期工作：1、 熟悉设计任务书。2、 从结构设计角度，对本项目的建筑施工图进行仔细研究，及时向建筑师反馈信息，对图中不合理处进行调整。3、 通过查阅国家规范及有关资料，确定下列有关参数：基本风压、地面粗糙度、抗震设防烈度、设计地震分组、场地土类别、框架的抗震等级、剪力墙的抗震等级等。4、多层住宅的几个常用数据：（1）层高：楼层3000mm，底层36004000mm（2）室内外高差：300450mm（23个步级）（3）基础面比室外地坪至少低300500mm。（主要是给管道留出空间，基础埋深主要还是由地基持力层深度决定）（4）混凝土强度等级：底层柱C25，其它各层柱及梁

2、板均用C20。（5）卫生间沉斗回填土容重：。二、结构方案的确定：1、选择合理的结构体系：根据建筑物高度、抗震设防烈度、建筑平面布置等方面的情况，选择合理的结构体系，如框架、框架剪力墙、剪力墙、筒体等。2、结构总体布置：结构概念设计的过程。建筑上：应满足建筑使用功能、建筑美学的要求。结构上：满足强度、刚度和稳定性的要求。（参考教材的结构总体布置原则）三、荷载统计：按实际情况统计，注意不能多算或漏算。（为计算方便，在不影响设计精度的情况下，可以作适当的归类合并）1、楼面恒载：按建筑设计实际情况统计。（单位：kN/m2） 如结构层、地面面层、吊顶、防水层等。2、楼面活载：按建筑的使用功能，查建筑结构

3、荷载规范。（单位：kN/m2）3、墙自重：按建筑设计实际做法（墙体材料、厚度、面层）及墙体高度计算墙体线荷载。（单位：kN/m）4、梁、柱自重：按梁、柱几何尺寸计算。四、结构平面计算：（由指导教师指定某层）根据结构平面布置，不考虑楼板的连续性，对所有楼板进行结构弹性计算。楼板厚度的取值：楼板厚度（双向板），（单向板），为板的短跨跨度；抗震地区一般板厚不小于100mm。双向板：由楼板跨度（长跨、短跨）、边支承情况（固端、简支、自由）和楼面面荷载（恒载、活载），查表计算。 单向板：取1m计算单元进行计算，由楼板跨度（短跨）、边支承情况（固端、简支、自由）和楼面面荷载（恒载、活载），按单跨计算。五、

4、梁、柱截面估算1、梁：主梁：梁高，梁宽，为梁的跨度； 次梁：梁高，梁宽，为梁的跨度。2、柱：抗震设计中一般按轴压比限值估算。柱截面尺寸可用以下经验公式估算：式中：为柱截面面积，m2； 为验算截面以上楼层层数； 为验算柱的负荷面积，可根据柱网尺寸确定，m2；为混凝土轴心抗压强度设计值；为轴压比限值，查建筑抗震设计规范；为地震及中、边柱的相关调整系数，7度中柱取1、边柱取1.1，8度中柱取1.1、边柱取1.2。 为结构单位面积重量（竖向荷载），根据经验估算钢筋混凝土高层建筑约为1218 kN/m2。六、框架计算简图1、基本假定：（1）结构分析的弹性静力假定（2）平面结构假定（3）楼板在自身平面内刚

5、性假定（4）水平荷载按位移协调原则分配2、计算单元的选取（由指导教师指定某一榀框架）3、框架梁、柱的截面特性和线刚度计算： 框架梁、柱的线刚度按下式计算： 式中为混凝土弹性模量；为杆件长度；为杆件的截面惯性矩。 对于现浇楼面结构，中间框架梁取；边框架梁取；为矩形截面惯性矩。七、竖向荷载作用下的内力计算：要求采用分层法计算，荷载取标准值，考虑到荷载效应组合的需要，恒载、活载应分别计算，组合时再乘上相应的分项系数。1、 基本假定：（1） 忽略框架在竖向荷载作用下的侧移和由它引起的侧移力矩；（2） 忽略本层荷载对其它各层内力的影响。2、 计算方法：（1） 将多层框架分层，以每层梁与上下柱组成的单层框

6、架作为计算单元，柱远端假定为固端；（2） 用力矩分配法分别计算各计算单元的内力；（3） 由于除底层柱底是固定端外，其它各层柱均为相互间弹性连接，为减少误差，除底层柱外，其它各层柱的线刚度均乘以0.9的折减系数，相应的传递系数也改为1/3，底层柱仍为1/2。（4） 分层计算所得的梁端弯矩即为最后弯矩。由于每根柱分别属于上下两个计算单元，所以柱端弯矩要进行叠加。3、框架梁端弯矩调幅：框架梁端弯矩调幅只对竖向荷载作用下的内力进行，水平荷载作用下产生的弯矩不参加调幅，由此，弯矩的调幅应在内力组合之前进行。调幅以后梁端弯矩按下式计算：式中为弯矩调幅系数，对于现浇框架可取。支座弯矩降低后，必须按平衡条件计

7、算加大跨中设计弯矩，调幅后梁端弯矩、的平均值与跨中最大正弯矩之和应不小于按简支梁计算的跨中弯矩： 同时还要注意，梁截面设计时所采用的跨中设计弯矩值不应小于按简支梁计算的跨中弯矩的一半。八、水平地震作用下的结构侧移及内力计算对于高度不超过40m，以剪切变形为主，且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，可采用底部剪力法计算水平地震作用，只考虑基本振型（第1振型）的地震作用。该方法将结构简化为作用于各楼层位置的多个质点，结构底部总剪力与地震影响系数及各质点的重力荷载代表值有关。为计算各质点的重力代表值，可先分别计算各楼面层梁、板、柱的重量，各楼层墙体的重量，然后按以楼层为中心上下各半个楼层的重量集中于

8、该楼层的原则计算各质点的重力荷载代表值。水平地震作用计算还涉及结构的自振周期，采用顶点位移法确定。水平地震作用下内力及位移分析均采用D值法进行。1、计算各层自重：计算各层梁、板、柱自重标准值。2、计算各层重力荷载代表值Gi：计算各层重力荷载代表值Gi，重力荷载取100恒载，50雪荷载，50活荷载。3、计算总重力荷载代表值G：总重力荷载代表值G为各层重力荷载代表值之和。4、计算结构等效总重力荷载代表值Geq：结构等效总重力荷载代表值Geq=0.85G5、横向框架抗侧刚度计算：采用顶点位移法求结构自振周期需要用到结构抗侧刚度，为此要先计算各楼层柱的抗侧刚度。当为高层建筑、柱子截面较大，或梁柱线刚度

9、比小于3、考虑抗震要求有强柱弱梁的框架时，节点转角通常较大，用反弯点法计算的内力误差较大，因此要采用修正的柱抗侧刚度和调整反弯点高度的D值法计算水平荷载下框架的内力。各层修正后柱抗侧刚度D为：为柱刚度修正系数，表示梁柱刚度比对柱刚度的影响，一般柱与底层柱分别考虑，按课本表格采用，列表计算。 计算出各层的总D值。6、横向自振周期计算：假想把集中在各层楼面处的重力荷载代表值视作水平荷载来计算结构顶点侧移：（列表计算） 式中：为集中在k层楼面处的重力荷载代表值；为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到的第i层的层间剪力。对质量和刚度沿高度均匀的框架结构，结构自振周期由顶点位移确定，可按

10、下式计算：式中周期的经验折减系数（主要考虑非结构构件影响），7、水平地震作用及楼层地震剪力计算：（1）由房屋的抗震设防烈度、场地类别及设计地震分组确定地震作用计算参数：为阻尼比，一般建筑结构取0.05。为地震影响系数最大值，阻尼比为0.05的建筑结构，根据抗震设防烈度查表得到。为特征周期，根据场地类别及设计地震分组查表得到。（2）按下式计算的相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数： 式中为结构自振周期； 为阻尼比调整系数，当阻尼比为0.05时，取1.0； 为衰减系数，当阻尼比为0.05时，取0.9。（3）按下式计算结构总水平地震作用标准值：各质点水平地震作用的标准值为：当结构有高振型影响时，

11、顶部位移及惯性力加大。在底部剪力法中，用顶部附加荷载 考虑高振型的影响。顶部附加水平地震作用为： 式中：为结构等效总重力荷载代表值，；为第i层楼板离地面高度；为相应于结构基本自振周期的地震影响系数，由反应谱曲线计算；为顶部附加地震作用系数，当时取0，当时按表选用，当计算的时取。（4）各质点横向水平地震作用及楼层地震剪力列表进行计算。8、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和顶点位移分别由下式计算得出： 要求分别满足： 、分别为框架结构允许的最大顶点位移和层间位移，见课本。9、水平地震作用下的框架内力计算（1）由求得框架第i层的层间剪力后，i层j柱分配得剪力及该柱上、下端弯

12、矩和分别按下列各式计算： 柱端剪力： 下端弯矩： 上端弯矩： 上式中：其中、查表可得，具体见课本。（2）根据节点平衡计算梁端弯矩：对于边柱：对于中柱：（3）根据力的平衡，由梁两端的弯矩求出梁的剪力： （4）根据梁的剪力，从上到下利用节点的竖向力平衡条件，可求出柱的轴力。（5）根据计算结果画出横向水平地震作用下得框架梁的弯矩M图、剪力V图、及柱的轴力N图。九、内力组合1、荷载组合：为减少手算工作量，荷载组合简化如下：（1）1.2恒+1.4活（2）1.2重力荷载代表值+1.3水平地震作用2、控制截面及最不利内力（1）框架梁控制截面及最不利内力梁端截面（左、右支座）：+Mmax、-Mmax、Vmax

13、；跨中截面：+Mmax。（2）框架柱控制截面及最不利内力柱端截面：| M|max及相应的N，V； Nmax及相应的M，V；Nmin及相应的M，V。十、抗震结构构件截面内力调整抗震结构在地震作用下，要保证构件有足够的延性，应满足“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”的要求，进行相应的内力调整，再用调整后的内力值进行配筋计算。1、强柱弱梁设计（1）调整柱设计弯矩：按规范要求： 为柱端弯矩增大系数，一级取1.4，二级取1.2，三级取1.1。（2）加大底层柱弯矩：底层柱下端截面组合的弯矩设计值，应分别乘以增大系数：一级取1.5，二级取1.25，三级取1.15。（3） 提高角柱的弯矩设计值，角柱宜按双向偏

14、心计算，角柱的内力设计值应按规范乘以相应的增大系数。（4） 限制柱的轴压比：框架柱轴压比不宜超过规范规定的限值。（5） 保证柱内配筋不低于最小配筋率。（6） 限制梁的受压区高度：规范要求梁纵向钢筋配筋率不应大于2.5%，一级抗震设计；二、三级抗震设计。2、强剪弱弯设计（1）提高梁端剪力设计值：梁端剪力设计值按下式调整：式中：为梁端截面组合的剪力设计值；为梁的净跨；为梁在重力荷载代表值作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力设计值；、分别为梁左、右端截面逆时针或顺时针方向组合的弯矩设计值；为梁端剪力增大系数，一级取1.3，二级取1.2，三级取1.1。（2）提高柱端剪力设计值：柱端剪力设计值按下式调整：

15、式中：为柱端截面组合的剪力设计值；为柱的净高；、分别为柱上、下端截面逆时针或顺时针方向组合的弯矩设计值；为柱端剪力增大系数，一级取1.4，二级取1.2，三级取1.1。（3）加密箍筋：按抗震规范构造要求配置。3、 强节点弱构件设计节点核心区设计（1） 节点核心区截面抗震验算（2） 核心区截面有效验算宽度（3） 节点核心区组合的剪力设计值（4） 节点核心区截面抗震受剪承载力（5） 节点核心区抗震构造要求十一、构件截面设计（参考课本相关内容）1、梁的设计：（1）正截面强度计算梁端截面按矩形梁计算，跨中截面按T形梁计算（考虑现浇楼板的作用）。（7） 斜截面强度计算2、 柱的设计：（1） 受力纵筋的计算

16、（2） 垂直于弯矩作用平面的强度验算（3） 抗剪强度计算3、 节点图十二、基础设计按照常规设计方法设计基础工程。1、地基基础设计的基本原则 ：（1）能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用；（2）在正常使用时具有良好的工作性能；（3）在正常维护情况下具有足够的耐久性；（4）在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。2、地基设计的技术要求 满足基础结构的强度和刚度要求与地基土的变形和强度两方面的要求，具体包括：(1) 通过基础而作用在地基上的荷载不能超过地基的承载能力，保证地基不因地基土中的剪应力超过地基土的强度而破坏，并且应有足够的安全储备；(2) 保证基础沉降或其他特征变形不

17、超过建筑物的允许值，保证上部结构不因沉降或其他特征变形过大而受损或影响正常使用，即 为地基广义变形值，可分为沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜等。(3) 基础结构应有足够的强度、刚度及耐久性。3、基础工程设计步骤：（1）、根据上部结构型式、荷载大小规模，场地地质条件、周边环境选择基础的材料、类型，进行基础平面布置。（2）、根据建筑物要求、建筑场地工程地质评估选择地基持力层。（3）、地基承载力验算，初步确定基础底面积。（4）、按照建筑物要求进行地基变形验算。（5）、基础结构设计。（6）、基础施工图绘制（包括施工说明）。4、荷载效应选择地基基础设计应根据使用过程中可能出现的荷载，按设计要求和使用要求，

18、取各自最不利状态分别进行荷载效应组合进行设计，最不利组合和对应的抗力限值如下：(1) 按地基承载力确定基础底面积及埋深或按单桩承载力确定桩数时，传至基础底面上的荷载效应采用正常使用极限状态下荷载效应的标准组合，抗震设防时，应计入地震效应组合。相应的抗力应采用地基承载力特征值或单桩承载力特征值。 (2) 计算地基变形时，传至基础底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合，并不应计入风荷载和地震作用荷载。相应的限值为地基变形允许值。 (3) 计算挡土墙土压力、地基或斜坡稳定及滑坡推力时，荷载效应应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合。但其分项系数均为1.0。(4) 在确定基础或桩

19、台高度、支挡结构截面、计算基础或支挡结构内力、确定配筋和验算材料强度时，上部结构传来的荷载效应组合和相应的基底反力，应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的分项系数。当需要验算基础裂缝宽度时，应按正常使用极限状态荷载效应标准组合。5、柱下独立基础设计（以柱下独立基础设计为例如下，其他基础类型设计可参考）（1）构造要求 柱下钢筋混凝土单独基础，应满足如下一些要求：1 锥形基础的边缘高度，不宜小于200mm；阶梯形基础的每阶高度，宜为300500mm；2 垫层的厚度不宜小于70mm；垫层混凝土强度等级应为C10；3 扩展基础底板受力钢筋的最小直径不宜小于10mm；间距不宜大于200mm

20、，也不宜小于100mm。墙下钢筋混凝土条形基础纵向分布钢筋的直径不小于8mm；间距不大于300mm；每延米分布钢筋的面积应不小于受力钢筋面积的1/10。当有垫层时钢筋保护层的厚度不小于40mm；无垫层时不小于70mm；4 混凝土强度等级不应低于C20；5 当柱下钢筋混凝土独立基础的边长和墙下钢筋混凝土条形基础的宽度大于或等于2.5m时，底板受力钢筋的长度可取边长或宽度的0.9倍，并宜交错布置（图8.2.2a）；6钢筋混凝土柱和剪力墙纵向受力钢筋在基础内的锚固长度la应根据钢筋在基础内的最小保护层厚度按现行混凝土结构设计规范有关规定确定：有抗震设防要求时，纵向受力钢筋的最小锚固长度laE应按下式

21、计算：一、 二级抗震等级laE=1.15la三级抗震等级laE=1.05la四级抗震等级laE=la式中 la纵向受拉钢筋的锚固长度。7 现浇柱的基础，其插筋的数量、直径以及钢筋种类应与柱内纵向受力钢筋相同。插筋的锚固长度应满足的要求，插筋与柱的纵向受力钢筋的连接方法，应符合现行混凝土结构设计规范的规定。插筋的下端宜作成直钩放在基础底板钢筋网上。当符合下列条件之一时，可仅将四角的插筋伸至底板钢筋网上，其余插筋锚固在基础顶面下la或laE（有抗震设防要求时）处（图8.2.4）。1 柱为轴心受压或小偏心受压，基础高度大于等于1200mm；2 柱为大偏心受压，基础高度大于等于1400mm。（2）设计

22、计算1）基础底板尺寸的确定：一般采用试算法：1、 假定基础长边a（一般为力矩作用方向）和短边b之比1.52.0，将竖向力设计值N扩大1.21.4倍，先按轴心受压式（）求出面积A并算出a、b（模数化）；2、 计算基底压应力：假定基底压应力呈线性分布，则 式中，作用于基础底面的力矩设计值，； 基础底面的抵抗矩，对矩形底面，；3、 验算地基承载力条件 2）基础高度的确定：基础高度由柱边抗冲切破坏的要求确定，设计时先按构造要求假设一个基础高度h，然后按下式验算抗冲切能力：Fl0.7hpftamh0am=(at+ab)/2Fl=pjAl式中 hp受冲切承载力截面高度影响系数，当h不大于800mm时，hp取1.0；当h大于等2000mm时，hp取0.9，其间按线性内插法取用；ft混凝土轴心抗拉强度设计值；h0基础冲切破坏锥体的有效高度；am冲切破坏锥体最不利一侧计算长度；at冲切破坏锥体最不利一侧斜截面的上边长，当计算柱与基础交接处的受冲切承载力时，取柱宽；当计算基础变阶处的受冲切承载力时，取上阶宽；ab冲切破坏锥体最不利一侧斜截面在基础底面积范围内的下边长，当冲切破坏锥体的底面落在基础底面以内（图8.2