某六层办公楼设计(含计算书、建筑结构设计CAD图)
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某六层
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某六层办公楼设计(含计算书、建筑结构设计CAD图),某六层,办公楼,设计,计算,建筑,结构设计,CAD
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摘 要在当今工程实际中，框架结构是多高层建筑常采用的一种结构体系。它的建筑平面布置灵活，墙体只起分隔和围护的作用，门窗开置的大小、形状都较为自由。因此，框架结构多适用于办公楼、教室、商场、住宅等房屋建筑。本毕业设计工程为鹤岗矿业集团办公楼，建筑面积为3971m2，主体建筑层数为六层，采用框架结构体系，抗震设防烈度为7度，结构抗震等级为三级。本文将对办公楼进行建筑设计和结构设计。建筑设计主要对本办公楼进行了平面、立面和剖面设计，根据建筑设计和相关规范条款给出合理的柱网布置图。结构设计主要在综合考虑了结构在各种恒载、活载、风荷载以及地震荷载作用下的情形后，详细的分析了结构在风荷载和地震荷载作用下横向的各种性能，具体计算了结构的梁、柱的弯矩、轴力、剪力，进行了相应的内力组合，并由此进行了截面设计，最后完成了筏板基础的有关计算。关键词：框架结构 办公楼 抗震设计 筏板基础 AbstractFrame Construction is a structure disposal type in the construction practices, which is used widely in the world recently. It needs a great deal of steel and cement and makes its cost higher than mixed construction.But it is of the advantages that one is beam and column bear the force, while the wall only divides the space and the other is the disposal for a room is flexible: it makes it freely to set the sizes and shapes of the windows and doors.The engeering project in the project for graduation is the He Gang of official building .The architecture area is 3971mm2 ,and the main body of the building is six stories. The building adopts system of frame structure and earthquake resistance design is 7, anti-earthquake grade of the structure is three rate.This title will do the architecture design for the office building and give some illuminetion， will tell of the disposal of structure and draw the reasonable columniation plan according to the architecture design and the correlative codes.It also researches the situations with permanent load, live load, wind load, and snow load and earthquake load acting on the designed structure, and analyzes the character of structure in horizontal with the wind load and earthquake load acting on it, and calculates the axial stress and shear of beams and columns of the structure, comb-ines the value of any load, and the resulting of cross-section design, at the end, accomplishes the calculation of the raft plank foundation of the structure.Key words: frame structure office building aseismic design raft plank foundation 131目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1设计依据及背景11.2设计内容及方法11.2.1设计内容11.2.2设计方法21.3 工程特点2第2章 建筑设计42.1概述42.2 工程简介42.3建筑总平面设计52.4建筑平面设计52.4.1房间布置52.4.2垂直交通设计62.5水平交通设计62.6建筑立面设计72.6.1建筑体型的组合72.6.2门的大小及位置的确定72.6.3窗的大小及位置的确定72.7建筑剖面设计72.8防水设计8第3章 结构设计93.1框架结构设计93.1.1工程概况93.1.2设计资料93.1.3 梁柱截面、梁跨度及柱高度的确定103.1.4框架侧移刚度计算143.1.5横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算173.1.6竖向荷载作用下横向框架的内力分析263.1.7截面设计473.2板的计算723.2.1设计资料723.2.2 楼面板723.2.3 屋面板733.3 楼梯设计793.3.1 计算简图及截面尺寸793.3.2 设计资料803.3.3 梯段板设计803.3.4 平台板计算813.3.5 平台梁计算823.4 基础设计833.4.1 设计资料833.4.2 基础底面积的确定833.4.3基础梁和板内力分析与截面设计85结 论94致 谢95参考文献96附录198附录2110第1章 绪论1.1设计依据及背景由于经济的发展需要，鹤岗矿业集团原来的办公楼已经远不能满足企业办公与管理的需求，已经成为制约鹤岗矿业集团发展的绊脚石。因此，经过集团领导班子的一致通过，并得到上级有关领导及相关部门的认可，鹤岗矿业集团决定投资兴建新的鹤岗矿业集团办公楼。本设计工程为鹤岗矿业集团办公楼，采用钢筋混凝土框架结构体系。建筑面积约3971，地上为6层，高度为27m左右，楼内设有办公室，会议室，接待室，资料室等服务房间，底层层高为4.2m，26层为3.8m, 抗震设防烈度按7度进行设计，场地类别为类，抗震设计分组为第组。本办公楼位于鹤岗市向阳区二马路旁，是鹤岗矿业集团的直属办公楼，它的建成将极大方便集团对整个企业的管理与建设，最大限度的发挥兄弟单位之间的协作与发展，同时也充分利用了办公空间，有效利用现有资源，将为集团的未来发展提供有利保障。本办公楼东面是鹤岗公园，西面是单位宿舍楼，南面是超市，北面是鹤岗设计院，在这里修建这座办公楼将给各单位带来极大的方便和效益。本办公楼不但能在功能上为鹤岗市的发展与建设发挥其不可估量的作用。同时，它的建筑形式也是新颖别致的，将为整个鹤岗市的城市面貌的美化作出贡献。1.2设计内容及方法本设计主要包括建筑设计和结构设计两大部分。建筑设计和结构设计分别按照各自的规范设计。1.2.1设计内容1.建筑设计部分(1)编写建筑设计说明书，基本内容如下：1)工程简介(包括建设地点、建筑性质、建筑总高度、层数、总占地面积、总建筑面积和建筑设计方案特点等)；2)建筑平面、立面设计与布置方案；(2)完成下列建筑施工图纸绘制1)建筑平面图；2)立面图； 3)楼梯剖面图；4)节点详图2.结构设计部分(1)提供结构设计计算书一份，基本内容如下：1)确定结构类型，进行结构布置，包括梁、板、柱的结构平面布置以及基础平面布置；2)确定梁、板、柱等基本承重构件的截面尺寸、材料强度等级等；3)荷载计算；4)水平地震、风荷载作用下框架的内力计算；5)竖向荷载作用下框架的内力计算；6)框架内力组合及截面配筋计算；7)楼板内力计算及配筋设计；8)楼梯及雨篷设计；9)基础设计；(2)结构部分应完成下列图纸绘制1)结构平面布置图(首层梁、板布置图和标准层梁、板布置图)；2)框架配筋图；3)楼面板配筋图；4)楼梯配筋图；5)基础施工图（平面布置图和详图）。1.2.2设计方法在不同的设计阶段，本课题的研究方法也不同。建筑设计过程中，主要运用房屋建筑学、人性化的理念以及规划方面的有关知识及研究方法；在结构设计过程中，主要运用二次分配法、D值法（改进反弯点法）、底部剪力法、“强柱弱梁”思想和抗震概念设计等。1.3 工程特点本工程为六层，主体高度为27m左右，属多层建筑。多层建筑采用的结构可分为钢筋混凝土结构、钢结构、钢-钢筋混凝土组合结构等类型。根据不同结构类型的特点，正确选用材料，就成为经济合理地建造多层建筑的一个重要方面。经过结构论证以及设计任务书等实际情况，以及本建筑自身的特点，决定采用钢筋混凝土结构。在多层建筑中，抵抗水平力成为确定和设计结构体系的关键问题。多层建筑中常用的结构体系有框架、剪力墙、框架-剪力墙、筒体以及它们的组合。多层建筑随着层数和高度的增加水平作用对多层建筑机构安全的控制作用更加显著，包括地震作用和风荷载，多层建筑的承载能力、抗侧移刚度、抗震性能、材料用量和造价高低，与其所采用的机构体系又密切的相关。不同的结构体系，适用于不同的层数、高度和功能。框架结构体系是由梁、柱构件通过节点连接构成，既承受竖向荷载，也承受水平荷载的结构体系。这种体系适用于多层建筑及高度不大的高层建筑。本设计采用的是框架机构体系，框架结构的优点是建筑平面布置灵活，框架结构可通过合理的设计，使之具有良好的抗震性能；框架结构构件类型少，易于标准化、定型化；可以采用预制构件，也易于采用定型模板而做成现浇结构，本设计为现浇结构。 由于本设计是办公楼设计，要求有灵活的空间布置，和较高的抗震等级，故采用钢筋混凝土框架结构体系。第2章 建筑设计2.1概述建筑业是我国国民经济建设中重要产业之一，近年来，我国建筑业发展十分迅速，框架结构以坚固耐用而著称，被广泛应用，其结构外表可以设计的多元化，既美观又实用，建筑平面布置灵活，使用空间大，延性较好。所以被广泛应用。由于社会发展现状使得办公楼在现阶段发展的很快，每个城市里基本上都有标志性的办公楼，还有数不清的中小办公楼，这些办公楼的建成很大程度上为城市的景观添了色，更使城市的经济得到了良好的发展。随着施工技术的推陈出新，科学技术的日益进步，使得多高层建筑在现代社会中发挥了巨大作用，因此也为施工人员提供了更广阔的空间。特别是现代社会人们生活水平不断提高，人口数量也不断增长。特别是近几年来随着旅游业的不断进步，城市流动人口数量不断增加，为满足人们生产和生活的需要，建筑多高层已成必须。而一个公司、一个企业为了企业的知名度的提高，从而占有更多的市场也不断的建设高层建筑。办公建筑是人们用于办公及社交的公共建筑。这作为社会中沟通生活和人际关系的桥梁，直接为人们提供了空间场所。因此，办公建筑在社会生活中发挥着重要作用。国内外很多专家都发现，有时候环境的压抑可产生工作的压力，如通风不畅，采光不好，及空间狭窄这些都容易降低工作效率，所以工作环境设计的好的话，可以把很多的问题调节了，这样可以大大的提高人们的工作效率，所以要把办公楼设计的更好更合理更美观。2.2 工程简介本工程为鹤岗矿业集团办公楼, 位于鹤岗市向阳区二马路旁，为多层钢筋混凝土框架结构,总建筑面积3971m2，占地778 m2，主体6层,无地下室,此建筑规模满足办公等要求。具体包括办公大厅、会议室、卫生间、服务用房等。耐火等级2级。基本风压0.35，基本雪压0.7，地面粗糙度为C类，抗震设防烈度为7度。框架的抗震等级为级,设计使用年限为50年。2.3建筑总平面设计1.本工程为鹤岗矿业集团办公楼, 本办公楼东面是鹤岗公园，西面是单位宿舍楼，南面是超市，北面是鹤岗设计院，所处地理条件优越。根据建筑物使用功能、经济性能要求及该地区建筑行业的发展水平,办公楼为六层钢筋混凝土框架结构，总建筑面积约为3971m2 。2.为创造一个良好舒适的环境,并且附近有居民区，所以在周围有一些适当的绿化和休闲设施的设计，与整个大的环境相适应，营造了现代建筑的气氛。为满足规划要求，以及满足使用要求，在办公楼的正面留有一定面积的停车场地。2.4建筑平面设计建筑平面设计是针对建筑的室内使用部分进行的，即有机地组合内部使用空间，使其更能满足使用者的要求，本设计是从平面设计入手，着眼于建筑空间的组合，结合办公楼的具体特点进行设计。本设计按照各基本单元空间的功能性质、使用顺序等进行功能分析和功能分区。处理好各建筑空间的关系，合理组织好交通流线，避免相互干扰，并布置良好的朝向，满足采光和通风条件。2.4.1房间布置（1）一层入口正对大厅，大厅采用开方式布局，美观又实用，能充分采光来改变视觉效果。入口右侧为接待室和文印室各一间，建筑面积分别为44.50 m2 、46.85m2 。正面设有会议室、准备室和活动室。建筑面积分别为66.75m2、22.25 m2、22.48 m2。另外右侧还设有男、女卫生间各一间,面积均为14.84 m2，男厕40人/个大便器，30人/个小便器，女厕20人/个大便器，40人/个洗手盆。卫生间主要供流动人口使用,以最大限为准设置，所以卫生间的男厕设三个大便器，三个小便器，女厕设六个大便器。考虑到防火要求在两个楼梯处各设1.82.1 m的疏散防火门,在西面也设了一道同样的疏散防火门。 （2）二层至六层主要是办公用房，根据面积可知，最多能容纳170人。设有休息室一间，面积为39.55 m2，供职员办公及休息用，卫生间与一层相同，采光符合办公室的规定系数1:6，会议室的系数1:8。2.4.2垂直交通设计根据人流出行和疏散的要求，有大厅的显著位置设置楼梯，依据建筑设计防火规范,设封闭楼梯间，且考虑到防火疏散，两个楼梯间距小于60m，楼梯的门是可以阻挡烟气入侵的防火门。考虑结构楼梯平面形式的选用，主要依据其使用性质和重要程度来决定。（1）楼梯形式的选择楼梯形式应便于疏散迅速、安全，尽量减少交通面积并有利于房间平面布置，根据办公楼的平面的布置、形状与尺寸，确定楼梯形式为两跑楼梯。（2）确定楼梯开间进深尺寸在满足各种功能要求的情况下将开间尺寸定为3900mm，则梯段宽度为1780mm；根据平台宽度大于等于梯段宽度的规定，底层和标准层平台板宽度均取1600mm。 （3）根据办公楼建筑设计规范中确定楼梯的踏步尺寸与楼梯段净宽：首层踏步数： 第一、二跑梯段踏步数为2100/150=14；标准层踏步数：第一、二跑踏步数为1900/146=13；即办公楼的楼梯踏步高度底层取150mm,宽度取300mm，单跑踏步数均为14。其它层楼梯踏步高度取146 mm，宽度取300mm，单跑踏步数均为13。首层梯段长度 （141）300=3900mm 标准层梯段长度：（131）300=3600mm 楼梯应布置均匀、位置明显、空间导向性强，有利于人员出行的疏散。本设计的楼梯入口设置在了大厅中央两侧，并满足防火间距的要求。2.5水平交通设计走廊是连结各个房间、楼梯和门厅等各部分，以解决建筑中水平联系和疏散问题。走廊的宽度应符合人流通畅和防火要求，通常单股人流的通行宽度约为550600mm。在通行人数较多的公共建筑中，应按其使用特点、平面组合要求、通过人流的多少及调查分析或参考设计资料确定走廊的宽度。对于办公建筑，建筑设计规范规定，走道长度大于40m办公建筑两面布房时走道净宽不小于1.8m，在本设计中，走道两边中柱轴线相距2.4m，走道净宽2.16m，走道两侧房间设高窗满足走道采光。2.6建筑立面设计2.6.1建筑体型的组合立面设计不仅能给人们提供工作、活动空间,满足使用要求,而且能够反映出建筑的主题思想。在满足使用要求的同时，再考虑到立面造型，本设计的的底层层高为4.2m，标准层的层高为3.8m。在立面设计中，主要强调建筑的简洁、典雅和亲和的特点，建筑形体采用规则矩形造型，不追求复杂的装饰，而是利用楼自身外墙材质塑造出色彩明快、富有动感的建筑形象。2.6.2门的大小及位置的确定规范规定办公室门洞口宽不应小于1000mm，高不应低于2m。本设计中根据人流的多少和搬进房间设备的大小，普通办公室及功能空间取1m宽单扇门，底层和标准层门高均为2.4m；厕所及其它办公室侧门宽适当取为1.0m，高与前面相同,按防火规范要求端部封闭楼梯间的门设为宽1.5m，高与其他相同,均为等宽双扇开启防火门，为便于疏散按防火规范规定门开启方向需与疏散方向一致；底层走道两端设等宽双扇玻璃门，宽1.5m高2.4m。主入口大厅门采用两个双扇双向玻璃门每个宽1.5m，高3.4m。2.6.3窗的大小及位置的确定房间中窗的大小和位置的确定，主要是考虑到室内采光和通风的要求，考虑规范要求，一般办公室窗地比，即窗的面积与房间地面的面积比值应大于1:6，会议室要求窗地比不应小于1:5。本设计中窗地比均满足办公建筑的使用要求。 外墙面用白色瓷砖贴条，楼两侧采用玻璃幕墙形式，内墙用白色抹灰。所有窗均采用塑钢窗,疏散处的门采用防火门,其余的为定制木门。2.7建筑剖面设计剖面设计的目的主要是确定内部空间的使用高度，以确保建筑空间的满足使用要求，考虑到办公楼是人流密集的公共建筑，要求有消防等设备高度及主梁的高度，吊顶等。所以确定底层层高为4.2m,以上每层层高为3.8m，经初步估算净高符合要求。本工程设计采用两跑，底层楼段踏步150300mm，标准层楼梯踏步，满足办公建筑楼梯踏步= 280340mm，=140160mm的规定。剖面上对窗的尺寸没有过多限制，因此窗的高度及窗台的高度依据立面造型确定。2.8防水设计办公楼采用钢结构雨篷上面找坡排水，屋面处采用有组织内排水管排至室外,屋面防水等级按二级处理，宜选用SBS高分子防水材料,并设置2-3道防水。第3章 结构设计3.1框架结构设计3.1.1工程概况本项目为6层钢筋混凝土框架结构体系，占地面积约为700m2，总建筑面积约为3200 m2；底层层高4.2m，26层为3.8 m平面尺寸为39m13.2m。采用肋梁筏板基础，基础埋深取2.5 m，肋梁高度取1.2 m，内地坪为0.000m，室内外高差0.6m。2框架平面图柱网布置如图3-1。图3-1 框架平面柱网布置框架梁柱现浇，屋面及楼面采用120mm厚现浇钢筋混凝土。3.1.2设计资料1.气象条件基本风荷载= 0.35kN/ m2;基本雪荷载为0.7kN/ m2。2.楼、屋面可变荷载标准值上人屋面均布活荷载标准值 2.0kN/m2楼面活荷载标准值 2. 0kN/m2屋面活荷载标准值 kN/ m2式中：为屋面积雪分布系数，取=1.0。 73.工程地质条件建筑物场地地形平坦，地基土成因类型为冰水洪积层。自上而下叙述如下：新近沉积层（第一层），粉质粘土，厚度0.51.0m，岩性特点，团粒状大孔结构，欠压密。粉质粘土层（第二层），地质主要岩性为黄褐色分之粘土，硬塑状态，具有大孔结构，厚度约3.0m, 。 粉质粘土层（第三层），地质岩性为褐黄色粉质粘土，具微层理，含铁锰结核，可塑状态，厚度3.5m，。粉质粘土层（第四层），岩性为褐黄色粉质粘土，具微层理，含铁锰结核，硬塑状态，厚度未揭露，。4不考虑地下水，。 13场地属于类二组Tg（s）=0.4s，64.屋面及楼面的永久荷载标准值屋面（上人）：30mm厚细实混凝土保护层 220.03=0.66 kN/m2SBS高分子材料防水层 0.4 kN/m220mm厚水泥砂浆找平层 200.02=0.4 kN/m2150mm厚水泥蛭石保温层 50.15=0.75 kN/m2120mm厚钢筋混凝土板 250.1=2.5 kN/m2V型轻钢龙骨吊顶 0.25 kN/m215层楼面： 瓷砖地面（包括水泥粗砂打底） 0.55 kN/m2120mm厚现浇钢筋混凝土楼板 250.1=2.5 kN/m2V型轻钢龙骨吊顶 0.25 kN/m23.1.3 梁柱截面、梁跨度及柱高度的确定1.初估截面尺寸柱截面尺寸可根据：估算。查建筑结构抗震设计可知该框架结构的抗震等级为三级，其轴压比限制=0.9；各层的重力荷载代表值近似取12kN/m2 。由图3-1可知边柱及中柱的负载面积分别为7.82.7 和7.83.9 。得第一层柱截面面积为：边柱中柱取柱的截面为正方形，则边柱和中柱截面高度分别为467和550。根据上述计算结果并综合考虑其它因素，本设计柱截面尺寸取值如下： 1层 650mm650mm 26层 550mm550mm梁截面高度一般取梁跨度L的1/121/8,宽度可取1/31/2梁高，因此，梁截面尺寸为： 16层 横梁 300mm550mm 纵梁 300mm800mm2.计算简图框架结构计算简图如图3-2所示。取柱顶的形心线作为框架柱的轴线；梁的轴线取至板底，36层柱高度即为层高，取3.8m;底层柱高度从基础顶面取至一层板底，即=4.2+0.8+2.5-1.2-0.12=6.18m。3.梁、柱、墙、窗、门重力荷载计算梁、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；对墙、门、窗等可计算出单位面积上的重力荷载。具体过程从略，计算 结果见表3-1。图3-2（a）纵向框架 图3-2（b）横向框架 图3-3 各质点的重力荷载代表值外墙体为370mm，内墙体为240mm厚粘土空心砖，外墙面贴白色瓷砖（0.5 kN/m2），内墙面为20mm厚抹灰，则外墙单位墙面重力荷载为：0.5+150.37+170.02=6.39kN/m2内墙单位墙面重力荷载为：150.24+170.022=4.28kN/m2女儿墙单位墙面重力荷载为：0.5+150.24+170.02=4.44kN/ m2 木门单位面积重力荷载为0.2 kN/ m2；铝合金窗单位面积重力荷载取0.4kN/ m2；钢门单位面积重力荷载取0.6 kN/ m2。4.重力荷载代表值集中于各层标高处的重力荷载代表值为计算单元范围内各层楼面上重力荷载代表值及上下各半层的墙、柱等重量。无论是否为上人屋面，其屋面上的可变荷载均取雪荷载，具体计算过程从略，计算结果见图3-3。 表3-1 梁、柱重力荷载标准值层次构件mmkN/mkN/mmkNkN1边横梁0.30.55251.054.3324.65022443.1644457.49中横梁0.30.55251.054.3321.6501178.626纵梁0.30.8251.056.3007.05020888.300柱0.650.65251.0518.9666.180263047.39726边横梁0.30.55251.054.3324.75022452.6942532.78中横梁0.30.55251.054.3321.7501183.391纵梁0.30.8251.056.3007.15020900.9柱0.550.55251.0511.0913.800261095.7917边横梁0.30.55251.054.3324.750361.731686.33中横梁0.30.55251.054.3322.650222.960纵梁0.30.8251.056.3007.1504180.180柱0.550.55251.0511.0913.80010421.4583.1.4框架侧移刚度计算1.横向框架侧移刚度计算混凝土采用C30，kN/ m2。在框架结构中，有现浇楼面或预制板楼面。而现浇板的楼面，板可以作为梁的有效翼缘，增大梁的有效刚度，减少框架侧移。为考虑这一有利作用，在计算梁的截面惯性矩时，对现浇楼面的边框架取=1.5（为梁的截面惯性矩）。对中框架取=2.0。若为装配楼板，现浇层的楼质点重力荷载值面，则边框架梁取=1.2，对中框架取=1.5。3 (1)横梁线刚度计算表3-2 横梁线刚度计算表类别层次N/mm/mmmmNmm1.5N mm2Nmm边横梁163.01043005504.1610954002.31110103.46510104.620101045002.77310104.110105.5461010走道梁163.01043005504.610924005.210107.810101.04101133003.78210105.67310107.5641010(2) 柱线刚度计算表3-3 柱线刚度计算表层次mmN/bxhmm/mmmm4Nmm16180310106506504.3510102.11210111638005505501.48810101.1751011柱的侧移刚度按计算，根据梁柱线刚度比的不同，按图3-1中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。计算结果见表3-4、表3-5和表3-6。 表3-4 中框架柱侧移刚度D值 （N/mm）层次边柱（7）中柱（6）260.3930.1641601140.4820.1941894322575610.2190.324215000.2680.33922496285476表3-5 边框架柱侧移刚度D值 （N/mm）层次A1A6，D1260.3490.149145490.2950.1291259615828210.1940.316209690.1640.30720372层次B6A2260.9590.324316370.4720.1911865010.530.408270740.2630.33722374167301层次1/A2C2261.1160.358349571.9370.3413329710.6210.428284020.5770.41827738 表3-6 楼梯间边框架柱侧移刚度D值 （N/mm）层次1/A1C1/5260.3490.149145490.3830.161057219364110.1940.316209690.2130.32221368层次D1/5，C1D6260.2950.129125960.1970.09878810.1640.307203720.1090.28919178128471层次C6260.8610.3012939110.4790.39526212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3-7。表3-7 横向框架层间侧移刚度D值 （N/mm）层 次123456581248477679477679477679477679477679由表3-7可见，/=581248/477679=1.010.7，故该框架为规则框架。92.纵向框架侧移刚度计算纵向框架侧移刚度计算方法和横向框架相同。柱在纵向的侧移刚度侧移刚度除与柱沿纵向的截面特性有关外，还与纵梁的线刚度有关。纵梁线刚度的有关。纵梁线刚度的计算过程见表3-8。计算过程见表3-8。表3-8 纵梁线刚度计算表类别层次N/mm/mmmmNmm1.5N mm2Nmm纵梁163.0104300x8001.28x101078004.923x10107385x10109.846x101039009.846x10101.477x10111.9691011300x5504.16x10939003.2x10104.8x10106.4x1010纵向框架柱亦可分为中框架中柱和边柱、边框架边柱和中柱等，其侧移刚度值分别见表3-9和表3-10。纵向框架各层层间侧移刚度值见表3-11。 表3-9 纵向中框架（1/A、B、C列）边柱框架柱侧移刚度D值 （N/mm）层次B6C6260.8380.295388051.2570.3863769151297110.4660.392260130.6990.44429463层次1/A，C1，1/A2C2260.6290.239233621.4660.4234130110.350.362240220.8160.46730990396630层次C1/5C5262.9330.595580992.5140.5575438911.6320.587389531.3980.55937095续表2-9层次中柱（5根）261.6760.45644520 表3-10 纵向边框架（A，D列）边柱框架柱侧移刚度D值 （N/mm）层次A1，A10，D1D5260.6290.239233621.8860.4854835843556610.350.362240221.0490.50833710391113层次中柱（7）D1/5261.2570.386376911.2570.3863768510.6990.444294630.6990.44429463层次D6260.4090.1171660010.2270.32649633 表3-11 纵向框架层间侧移刚度 （N/mm）层 次123456948537787743787743787743787743787743由表3-11可见，/= 948537/787743=1.050.7，故该框架为纵向规则框架。103.1.5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)横向自震周期计算按顶点位移法计算框架的自振周期。顶点位移法是求结构基本频率的一种近似方法。将结构按质量分布情况简化为无限质点的悬臂直杆，导出以直杆顶点位移表示的基本公式。19按式1将折算到主体结构的顶层，即kN结构顶点的假想侧移由式，计算。计算结果见表3-12，其中第6层的为与之和。按式计算基本周期，其中的量纲为m，取=0.7则。表3-12 结构顶点的假想侧移计算层 次/kN/ N/mm/mm/mm68558.908558.9047738617.9350.258329.0416887.9447738635.4332.348329.0425216.9847738652.8296.938329.0433546.0247738670.3244.128329.0441875.0647738687.7173.818152.6420027.7058124886.186.1（2）水平地震作用及楼层地震剪力计算本工程中，机构高度不超过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。机构总水平地震作用标准值按式计算，即kN=0.04842523.545=2041.13kN因1.4=1.40.4=0.56S=0.7S，所以应考虑顶部附加水平地震作用。顶部附加地震作用系数=0.080.7+0.01=0.066kN各质点的水平地震作用按式计算，即具体计算过程见表3-13。各楼层地震剪力按式计算，结果列入表3-13。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3-4。（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和定点位移分别按式，计算，计算过程见表3-14。表中还计算了各层的层间弹性位移角。14表3-13 各质点横向水平地震作用及楼层地震剪力计算表层次（m）（m）（kN）（kN）（kN）3.828.981695.88649146.780.063120.1120.163.825.186479.115161633.320.206392.7512.853.821.388329.042178074.920.227432.8945.643.817.588329.042146424.560.187356.51302.133.813.788329.042114774.200.146278.31580.423.89.988329.04283123.840.106202.11782.516.186.188152.64350383.330.065123.91906.4 图3-4（a）水平地震作用分布 (b)层间剪力表3-14 横向水平地震作用下的位移验算层次层间剪力(kN)层间刚度(N/mm)(mm)(mm)层高（m）层间相对弹性转角6512.84776791.0716.138001/35515945.64776791.9815.0338001/191941302.14776792.7313.0538001/139231580.44776793.3110.3238001/114821782.54776793.737.0138001/101911906.45812483.283.2861801/1884由表3-14可见，最大层间弹性位移角发生在第2层，其值为1/10191/550，满足式的要求，其中=1/550。（4）水平地震作用下框架内力计算以图3-1中4轴线横向框架内力计算为例，说明计算方法，其余框架内力计算从略。框架柱端剪力及弯矩分别按，、计算，其中取自表3-4，取自表3-7，层间剪力取自表3-13。各柱反弯点高度比y按式确定，其中由表查得。本工程中底层柱须考虑修正值，第2层柱考虑修正值和，其余柱均无修正。具体计算过程及结果见表3-15。梁端弯矩、剪力及柱轴力分别按式 、 、 、计算。其中梁线刚度取自表3-2，具体计算过程见表3-15。水平地震作用下框架的弯矩图、梁端剪力图及柱轴力图如图3-5所示。表3-15 各层柱端弯矩及剪力计算(kN)层间刚度(N/mm)边柱512.84776791601417.180.3930.19712.8654.42945.64776791601431.680.3930.34741.7778.611302.14776791601443.620.3930.40066.3099.451580.44776791601452.940.3930.45090.53110.641782.54776791601459.760.3930.500113.54113.541906.45812482150070.520.2140.930405.3130.51中柱y1894320.340.4820.24118.6358.66续表3-151894337.540.4820.35049.9392.721894351.690.4820.44186.62109.801894362.740.4820.450107.29131.131894370.770.4820.500134.46134.462249673.780.2680.848386.6569.31注：表中量纲为，量纲为kN。2.横向水平风荷载作用下框架结构的内力和侧移计算（1）风荷载标准值风荷载便准值按式计算。基本风压= 0.35 kN/ m2，由荷载规范第7.3节查得=0.8（迎风面）和=-0.5（背风面）。C类地区，H/B =24.7/39=0.633,由表1.15查得=0.404; =0.76S, ,由表1.12查得=1.38。由式：得：仍取图3-1中4轴线横向框架，其负载宽度为7.8m，由式得沿房屋高度的分布风荷载标准值根据各楼层标高处的高度由表1.11查取，代入上式可得各楼层标高处的，见表3-1沿房屋高度的分布见图3-6（a）。表3-16 地震荷载作用下梁端弯矩、剪力及轴力计算层次边 梁走 道 梁柱 轴 力边柱中柱654.4218.045.413.4240.6240.622.433.85-13.42-20.43591.4734.255.423.2877.1077.102.464.25-36.70-61.404141.2249.135.435.25110.60110.602.492.17-71.95-118.323173.9466.985.444.61177.41177.412.4147.84-116.56-221.552204.0774.365.451.56167.39167.392.4139.49-168.12-309.481144.0562.685.438.28141.09141.092.4117.58-206.4-388.78注：1)柱轴力中的负号表示拉力。左地震作用时，左侧两根柱为拉力，对应的右侧两根柱为压力。2)表中单位为，单位为kN，单位为kN，单位为m。（a）框架弯矩图（） （b）梁端剪力及柱轴力图（）图3-5左地震作用下框架弯矩图、梁端剪力及轴力图表3-17 沿房屋高度分布风荷载标准值层次/m/kN/m/kN/m625.181.0000.921.6073.2292.018521.380.8490.861.5512.9131.821417.580.6980.771.5062.5331.583313.780.5470.741.4122.2821.42629.980.3960.741.2992.0991.31216.180.2450.741.1851.9151.197荷载规范规定，对于高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋结构，应采用风震系数来考虑风压脉动的影响。本工程房屋高度H=25.18m30m，但H/B=25.18/13.2=1.911.5，由表2-17可见，沿房屋高度在1.1851.607范围内变化，即风压脉动的影响较大。因此，该房屋应考虑风压脉动的影响。 框架结构分析时，应按静力等效原理将图3-6（a）的分布风荷载转化为节点集中荷载，如图3-6(b)所示。例如，第5层的计算过程如下：（2）风荷载作用下的水平位移验算根据图2-6(b)所示的水平荷载，由式计算层间剪力，然后依据表3-4求出4轴线框架的层间侧移刚度，再按式，计算各层的相对侧移和绝对侧移。计算过程见表3-18。表3-18 风荷载作用下框架层间剪力及侧移计算层 数123456（kN）19.4212.9614.1615.7717.9219.61（kN）99.8480.4267.4653.337.5319.61（N/mm）879926991469914699146991469914（mm）1.131.150.960.760.540.28(mm)1.132.283.2444.544.821/54691/33041/39581/50001/70371/13571由表3-18可见，风荷载作用下框架的最大层间位移角为1/3304，远小于1/550，满足规范要求。 （a）风荷载沿房屋高度的分布（kN/m） (b)等效节点集中风荷载（kN）图3-6 框架上的风荷载（3）风荷载作用下框架结构内力计算风荷载作用下框架结构内力计算过程与水平地震作用下的相同，此处从略。图3-1中4轴线横向框架在风荷载作用下的弯矩、梁端剪力及柱轴力见图3-7。表3-19 风荷载作用下各层柱端弯矩及剪力计算（kN）层间刚度（N/mm）边柱19.6169914160144.490.3930.193.2413.8237.5369914160148.60.3930.39.822.8853.3699141601412.210.3930.3516.2430.1667.46699141601415.450.3930.4526.4232.2980.42699141601418.420.3930.4531.538.599.84879922150024.390.2140.89134.1516.58续表3-19中柱189435.310.4820.244.8415.341894310.170.4820.3413.1425.511894314.440.4820.3921.433.471894318.280.4820.4531.2638.211894321.790.4820.4537.2645.542249625.530.2680.83130.9526.82注：表中量纲为，量纲为kN。表3-20 风荷载作用下梁端弯矩、剪力及轴力计算层次边 梁走道梁柱轴力边柱中柱613.824.725.43.4310.6210.622.48.85-3.43-5.42526.129.345.46.5721.0121.012.417.51-10.00-16.36439.9614.345.410.0632.2732.272.426.89-20.06-33.19348.5318.345.412.3841.2741.272.434.39-32.44-55.2264.9223.635.416.4053.1753.172.444.31-48.84-83.11148.0819.725.412.5652.6252.622.443.85-61.4-131.95注：1)柱轴力中的负号表示拉力。左地震作用时，左侧两根柱为拉力，对应的右侧两根柱为压力。2)表中单位为，单位为kN，单位为kN，单位为m。3.1.6竖向荷载作用下横向框架的内力分析1.横向框架内力计算（1）计算单元取4轴线横向框架进行计算，计算单元宽度为7.8m，如图3-8所示。由于房间内布置有次梁，故直接传给该框架的楼面荷载如图中的水平阴影线所示，计算单元范围内的其余楼面荷载则通过次梁和纵向框架梁以集中力的形式传给横向框架，作用于各节点上。由于纵向框架梁的中心线与柱的中心线不重合，因此在框架节点上作用有集中力矩。8 （a）框架弯矩图（） （b）梁端剪力及柱轴力图（）图3-7风荷载作用下框架弯矩图、梁端剪力及轴力图图3-8 横向框架计算单元（2）荷载计算 1）恒载计算在图2-8中，、代表横梁自重，为均匀荷载形式。对于第6层 和分别为房间和走道板传给横梁的梯形荷载和三角形荷载，由图3-8所示几何关系可得： 、分别为由边纵梁、中纵梁直接传给柱的恒载，它包.括里梁自重、楼板重和女儿墙等的重力荷载，计算如下： 图3-9 各层梁上作用的恒载 集中力矩对于15层，包括梁自重合其上横墙自重，为均布荷载。其他荷载计算方法同第6层，结果为： 2）活荷载计算活荷载作用下各层框架梁上的荷载分布如图3-10所示。图3-10 各层梁上作用的活载对于第6层 同理，在屋面雪荷载作用下 对15层 3）竖向均布恒荷载的等效转化对于第6层对于15层 4）竖向均布活荷载的等效转化5）竖向均布雪荷载的等效转化6）各杆在恒载的固端弯矩为屋面： 楼面： 7)各杆在活载作用下的固端弯矩16层：8)雪荷载作用下各杆固端弯矩将上述计算结果汇总，见表3-21和表3-22。表3-21 横向框架恒载汇总表层 次64.3324.33221.29413.104186.49177.7922.381518.2424.33214.829.12189.65216.522.68表3-22 横向框架活载汇总表层 次67.8（2.73）4.8（1.68）28.08（9.828）43.92（15.372）3.37（1.179）157.84.828.0843.923.37注：表中括号内数值对应于屋面雪荷载作用情况（3）内力计算竖向荷载作用下框架的内力分析，除活荷载较大的工业厂房外，对一般的工业与民用建筑可以不考虑活荷载的不利布置。这样求得的框架内力，梁跨中弯矩较考虑活荷载不利布置法求得的弯矩偏低，但当活荷载在总荷载比例较大时，可在截面配筋时，将跨中弯矩乘1.11.2的放大系数予以调整。梁端、柱端弯矩采用弯矩二次分配法计算。由于结构和荷载均对称，故计算时可用半框架。弯矩计算过程如图3-11，所得弯矩图如图3-12。梁端剪力可根据梁上竖向荷载引起的剪力与梁端弯矩引起的剪力相叠加而得。 柱轴力可由梁端剪力和节点集中力叠加得到。计算柱底轴力还需要考虑柱的自重，如表3-23和表3-24所示。梁端剪力： 式中： 梁上均布荷载引起的剪力，； 梁端弯矩引起的剪力，。柱轴力： 式中： 梁端剪力 节点集中力及柱自重（A）雪荷载作用下的弯矩分配 （B）横荷载作用下的弯矩分配 （C）活荷载作用的弯矩分配 3-11横向框架弯矩的二次分配法（单位：）图3-12 竖向荷载作用下框架弯矩图（单位：） 表3-23 恒载作用下梁端剪力及柱轴力 （kN）层次荷载引起剪力弯矩引起剪力总剪力柱 轴 力AB跨BC跨AB跨BC跨AB跨BC跨A柱B柱647.0813.060.37047.4546.7113.06233.94276.09237.56279.71573.8810.670.29074.1773.5910.67536.91579.06580.47622.62473.8810.670.29074.1773.5910.67839.88882.03923.38965.53373.8810.670.29074.1773.5910.671142.851185.001266.291308.44273.8810.670.29074.1773.5910.671445.821487.971609.21651.35173.8810.670.25074.1373.6310.671751.751868.961952.652069.86 表3-24 活载作用下梁端剪力及柱轴力 （kN）层 次荷载引起剪力弯矩引起剪力总 剪 力柱 轴 力AB跨BC跨AB跨BC跨AB跨BC跨A柱B柱612.964.542.881.01-0.03-0.01012.934.5312.994.552.881.0141.0114.3659.7920.93512.962.880.02012.9812.942.8882.0755.42119.5380.67412.962.880.02012.9812.942.88123.1396.48179.27140.41312.962.880.02012.9812.942.88164.19137.54239.01200.15212.962.880.02012.9812.942.88205.25178.6298.75259.89112.962.880.02012.9812.942.88246.31219.66358.49319.63注：表中双行中下行数值为屋面作用雪荷载（0.7kN/），其它以向上为正。2.横向框架内力组合（1）结构抗震等级 结构的抗震等级可根据结构类型、地震烈度、房屋高度等因素，由显现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级表确定。由此表可知，本工程为三级抗震框架结构。 （2）框架梁的内力组合本工程考虑了四种内力组合，即。此外，对于本工程，这种内力组合与考虑地震作用的组合相比一般较小，对结构设计不起控制作用，故不予考虑。各层梁的内力组合结果见表3-25，表中、两列中的梁端弯矩为经过调幅后的弯矩（调幅系数取0.8）。下面以第一层AB跨梁考虑地震作用组合为例，说明各内力的组合方法。对支座负弯矩按相应的组合情况进行计算，求跨间最大正弯矩时，可根据梁端弯矩组合值及梁上荷载设计值，由平衡条件确定。由图3-13可得图3-13 均布和梯形荷载下的计算简图本工程中，梁上荷载设计值左震 说明306.791812.532502.213099.53271.071812.532029.553099.5300.47410100(0.68)410150(0.52)注：表中为换算至支座边缘处的柱端剪力。 14层取相同的箍筋，46层取相同的箍筋。（3）框架梁柱节点核芯区截面抗震验算第一层中节点。由节点两侧梁的受弯承载力计算节点核芯区的剪力设计值，节点两侧梁的高度，即 本框架为三级抗震等级，按二级抗震等级计算，应按式 计算节点的剪力设计值，其中为柱的计算高度，取节点上、下柱反弯点间的距离，即(左震)剪力设计值 因，故取及中的较大值，则 724.3kN满足要求。节点核芯区的受剪承载力按式计算，其中N取二层柱底轴力N=1997.34/0.8=2496.68kN和 二者中的较小者，故取N=2496.68kN设节点区配筋为410100，则 724.3kN故承载力满足要求。第一层边柱节点。由节点两侧梁的受弯承载力计算节点核芯区的剪力设计值，节点两侧梁的高度，即 按式计算节点的剪力设计值，其中为柱的计算高度，取节点上、下柱反弯点间的距离，即 (右震)剪力设计值因，故取及中的较大值，则 585.08kN满足要求。节点核芯区的受剪承载力按式计算， N取二层柱底轴力N=1689.02/0.8=2111.28kN和二者中的较小者，故取N=2111.28KN，设节点区配筋为48100，则 585.08kN故承载力满足要求。第六层中节点。由节点两侧梁的受弯承载力计算节点核芯区的剪力设计值，节点两侧梁的高度，即 按式计算节点的剪力设计值，其中为柱的计算高度，取节点上、下柱反弯点间的距离，即（右震）剪力设计值因，故取及中的较大值，则 276.92kN满足要求。节点核芯区的受剪承载力按式计算，其中取=243.14/0.75=324.19kN设节点区配筋为48150，则 276.92kN故承载力满足要求。第六层边柱节点。由节点两侧梁的受弯承载力计算节点核芯区的剪力设计值，节点两侧梁的高度，即 按式计算节点的剪力设计值，其中为柱的计算高度，取节点上、下柱反弯点间的距离，即(右震)剪力设计值因，故取及中的较大值，则 245.31kN满足要求。节点核芯区的受剪承载力按式计算，其中取=230.09/0.75=306.79kN 设节点区配筋为48150，则 245.31kN故承载力满足要求。 14层取相同的箍筋，46层取相同的箍筋。4.罕遇地震作用下弹塑性变形验算（1）罕遇地震作用下的楼层剪力仍取4轴线的框架进行计算。罕遇地震的地震影响系数最大值多遇地震作用下，罕遇地震与多遇地震的地震影响系数之比为0.5/0.08=6.25。将表3-13中多遇地震的层间剪力乘以6.25，得到罕遇地震作用下的楼层剪力，见表3-37。表中表示4轴线框架的层间剪力，指4轴线框架的刚度。5 表3-37 罕遇地震作用下的楼层剪力层次多遇地震作用下的楼层剪力/kN罕遇地震作用下的楼层剪力/kN6512.832050.146467.935945.659100.146862.8641302.18137.50.1461188.0831580.59878.130.1461442.2121782.511140.630.1461626.5311906.4119250.1511799.17（2）楼层受剪承载力计算1）构件实际正截面承载力按框架梁、柱的实际配筋面积及材料强度标准值（柱还包括对应于重力荷载代表值的轴向力），分别由式和来计算构件端部的实际正截面承载力。下面以框架底层为例进行说明，其中。AB跨梁：A端同理的B端 BC跨梁：A（B）端A柱 查表3-26，可求得 B柱 查表3-26，可求得 同理可求得其它层的构件实际正截面承载力六层：A柱： B柱： 五层：A柱： B柱： 四层：A柱： B柱： 三层：A柱： B柱： 二层：A柱： B柱： 各层计算结果见图3-16。第层柱的相对弹性线刚度式中为标准层柱的线刚度。此处以26层为标准层，设其线刚度为1，则1层。2）楼层受剪承载力计算采用简化的柱底塑性铰法计算。由式可以计算出各柱的受剪承载力，进而按式确定楼层的受剪承载力。计算过程见表3-38。表3-38 楼层受剪承载力计算 （kN）楼层123456边柱A、D202.97258.65242.92222.37158.91156.64中柱B、C226.83307.78307.78266.96180.56152.26859.61132.861132.86978.66678.94617.83）薄弱层弹塑性层间变形验算由式可以算出楼层的屈服强度系数，见表3-39。把这些值分别代入式：对于一般层：，对于底层：,对于顶层：以判断薄弱楼层的位置。经计算选1、3、5层为薄弱层，其弹塑性层间位移计算结果见表3-40。由表可见，最大层间弹塑性位移角发生在第5层，其，故满足要求。 一层：=0.478=0.696 （是）二层：=0.696（0.478+0.739）/2=0.609 （不是）三层：=0.739（0.696+0.824）/2=0.76 （是）四层：=0.824（0.739+0.787）/2=0.763 （不是）五层：=0.787（0.824+1.32）/2=1.072 （是）六层：=1.32=0.787 （不是）表3-39 楼层屈服强度系数楼层1234560.4780.6960.7390.8240.7871.32表3-40 弹塑性层间位移验算楼层5862.866991412.31.60419.71/19331442.216991420.61.71235.31/10711799.178799220.41.53331.31/197 图3-16 框架各构件实际正截面承载力（单位：）3.2板的计算3.2.1设计资料板按弹性薄板理论方法计算。取1m宽板为计算单元。混凝土采用C25，=11.9N/mm2，钢筋采用HPB235，=210N/mm2。173.2.2 楼面板楼面板的平面布置图，有关尺寸及计算简图如图3-17所示。图3-17 楼板（屋面板）平面布置图1.AD区格板的计算（1）荷载设计值活荷载活荷载标准值为2.0kN/，则荷载分项系数为1.4。恒荷载（2）计算跨度板厚=120mm,横梁，纵梁 内跨 ，为轴线间距离 边跨 ，为净跨，为梁宽各区格板计算跨度见表3-41。（3）弯矩计算跨中最大弯矩发生在活荷载为棋盘式布置时，它可以简化为内支座固支时作用下的跨中弯矩值，与当内支座铰支时作用下的弯矩值两者之和。支座最大负弯矩可近似按活荷载满布求得，即内支座固支时作用下的支座弯矩。在本工程中，楼盖边梁对板的作用是为固定支座。所有区格板按其位置与尺寸分为A、B、C、D四类。计算弯矩时，考虑泊松比的影响，取。查表“双向板按弹性分析的计算系数表”（见混凝土结构）对各区格弯矩进行计算。各区格板的弯矩计算列于表2-41。（4）截面设计截面有效高度：选用8钢筋作为受力主筋，则（短跨）方向跨中截面的=120-20=100mm（长跨）方向跨中截面的=120-30=90mm支座截面处均取为100mm。截面弯矩设计值：该板四周与梁整浇，故弯矩设计值应按如下折减： A区格不予折减； B区格的跨中截面与B-D支座截面折减10%（）； C区格的跨中截面与C-D支座截面折减20%（）； D区格的跨中截面与D-D支座截面折减20%。计算配筋量时，取内力臂系数。截面配筋计算结果及实际配筋列于表3-42。3.2.3 屋面板屋面板的平面布置图，有关尺寸及计算简图如图3-17所示。1.AD区格板的计算（1）荷载设计值活荷载活荷载标准值为2.0kN/，则荷载分项系数为1.4。表3-41 楼面板的弯矩计算区 格ABCDm3.9-0.15+0.3=4.053.9-0.15+0.3-0.15=3.92.4-0.06-0.06-0.3=1.982.4-0.06-0.06-0.3=1.98m5.4+（0.12/2）2+0.3=5.825.4+（0.12/2）2+0.3=5.823.9-0.15+0.06+0.3=4.113.90.70.670.480.51 （0.0321+0.20.0113）5.96+（0.0683+0.20.0296）1.4=5.06（0.0335+0.20.0509）5.96+（0.0723+0.20.0281）1.4=5.62（0.04+0.20.0038）5.96+（0.0965+0.20.0174）1.4=1.67（0.0397+0.20.0042）5.96+（0.095+0.20.0181）1.4=1.67（0.0113+0.20.0321）5.96+（0.0296+0.20.0683）1.4=2.73（0.0509+0.20.0335）5.96+（0.0281+0.20.0723）1.4=6.13（0.0038+0.20.04）5.96+（0.0174+0.20.0965）1.4=0.48（0.0042+0.20.0397）5.96+（0.0181+0.20.095）1.4=0.49-0.07357.36=-8.87-0.07547.36=-8.44-0.08297.36=-2.39-0.08267.36=-2.38-8.87-8.44-2.39-2.39-0.05697.36=-6.82-0.0577.36=-6.38-0.0577.36=-1.64-0.0577.36=-1.64-6.82-6.38-1.64-1.64恒荷载（2）计算跨度板厚=120mm,横梁，纵梁 内跨 ，为轴线间距离 边跨 ，为净跨，为梁宽各区格板计算跨度见表3-43。（3）弯矩计算跨中最大弯矩发生在活荷载为棋盘式布置时，它可以简化为内支座固支时作用下的跨中弯矩值，与当内支座铰支时作用下的弯矩值两者之和。支座最大负弯矩可近似按活荷载满布求得，即内支座固支时作用下的支座弯矩。在本工程中，楼盖边梁对板的作用是为固定支座。所有区格板按其位置与尺寸分为A、B、C、D四类。计算弯矩时，考虑泊松比的影响，取。查表“双向板按弹性分析的计算系数表”（见混凝土结构）对各区格弯矩进行计算。各区格板的弯矩计算列于表2-43。（4）截面设计截面有效高度：选用8钢筋作为受力主筋，则（短跨）方向跨中截面的=120-20=100mm（长跨）方向跨中截面的=120-30=90mm支座截面处均取为100mm。截面弯矩设计值：该板四周与梁整浇，故弯矩设计值应按如下折减： A区格不予折减； B区格的跨中截面与B-D支座截面折减10%（）； C区格的跨中截面与C-D支座截面折减20%（）； D区格的跨中截面与D-D支座截面折减20%。计算配筋量方法同前。截面配筋计算结及实际配筋列于表2-44。表3-42 楼面的配筋计算截 面配筋实有跨中A区格方向1005.062688150335方向902.731608200252B区格方向905.620.9=5.062978150335方向1006.130.9=5.522928150335C区格方向1001.670.8=1.34718200252方向900.480.8=0.38228200252D区格方向1001.670.8=1.34718200252方向900.490.8=0.39238200252支座A边支座(方向)100-8.874698100503A边支座(方向)100-6.8736310130387A-B100-8.8746910100503A-C100-6.8736310130387B边支座100-6.383388130387C边支座100-1.64878200252B-B100-8.4444710100503B-D100-6.380.8=-5.12708130387C-D100-1.640.8=-1.31698200252D-D100-1.640.8=-1.31698200252表3-43 屋面板的弯矩计算区格ABCDm3.9-0.15+0.3=4.053.9-0.15+0.3-0.15=3.92.4-0.06-0.06-0.3=1.982.4-0.06-0.06-0.3=1.98m5.4+（0.12/2）2+0.3=5.825.4+（0.12/2）2+0.3=5.823.9-0.15+0.06+0.3=4.113.90.70.670.480.51 （0.0321+0.20.01137.95+(0683+0.20.0296）1.4=0.95（0.0335+0.20.0509）7.95+（0.0723+0.20.0281）1.4=6.94（0.04+0.20.0038）7.95+（0.0965+0.20.0174）1.4=1.82（0.0397+0.20.0042）7.95+（0.095+0.20.0181）1.4=1.8（0.0113+0.20.0321）7.95+（0.0296+0.20.0683）1.4=3.3（0.0509+0.20.0335）7.95+（0.0281+0.20.0723）1.4=7.87（0.0038+0.20.04）7.95+（0.0174+0.20.0965）1.4=0.57（0.0042+0.20.0397）7.95+（0.0181+0.20.095）1.4=0.58-0.07359.35=-11.27-0.07549.35=-10.72-0.08299.35=-3.04-0.08269.35=-3.03-11.27-10.72-3.04-3.03-0.05699.35=-8.73-0.0579.35=-8.11-0.0579.35=-2.09-0.0579.35=-2.09-8.73-8.11-2.09-2.09表3-44 屋面板的配筋计算截 面M配筋实有跨中A区格方向1006.183278130387方向903.31948200252B区格方向906.940.9=6.253678130387方向1007.870.9=7.083758130387C区格方向1001.820.8=1.46778200252方向900.570.8=0.46278200252D区格方向1001.80.8=1.44768200252方向900.580.8=0.46278200252支座A边支座(方向)100-11.275968130604A边支座(方向)100-8.7346210100503A-B100-11.2759610130604A-C100-8.7346210100503B边支座100-8.114298100503C边支座100-2.091118200252B-B100-10.7256710130604B-D100-8.110.8=-6.493438130387C-D100-2.090.8=-1.67888200252D-D100-2.090.8=-1.678882002523.3 楼梯设计3.3.1 计算简图及截面尺寸采用现浇整体式钢筋混凝土结构，其结构布置如图3-18和图3-19。图3-18 梯段板模板图及计算简图图3-19 设计计算示意图 3.3.2 设计资料结构安全等级为三级，按二级计算， ，混凝土为C25，=11.9N/mm2，=1.27N/mm2。钢筋为：平台板或楼梯，采用HRB235，=210N/mm。楼梯梁采用HRB335，=300N/mm。按板式楼梯进行设计 ()。163.3.3 梯段板设计1. 确定板厚 梯段板的厚度为，取=120mm。2. 荷载计算 （取1m宽板计算） 恒荷载计算水磨石面层 踏步重 斜板重 20厚水泥砂浆找平层 恒载标准值 6.7411kN/m 恒载设计值 活荷载标准值 活荷载设计值 总荷载 3.内力计算计算跨度 跨中弯矩 4.配筋计算 受力筋的选用10140（=561 mm）分布筋选用8300 3.3.4 平台板计算1. 荷载计算（取1m宽板计算）恒荷载计算：水磨石面层 0.65 平台板自重（假定板厚100mm） 20厚水泥砂浆找平层 恒载标准值 恒载设计值 活荷载标准值 活荷载设计值 总荷载 2.内力计算计算跨度 跨中弯矩 3.配筋计算 受力筋的选用6200（=141 mm） 3.3.5 平台梁计算1.荷载计算（取1m宽板计算）梯段板传来 平台板传来 梁自重 （假定） =27.72kN/m2.内力计算计算跨度 ,取两者中较小者，。跨中弯矩 3.配筋计算 纵向钢筋（按第一类倒L形截面计算） 翼缘宽度 取受力筋的选用320（=941mm）箍筋计算箍筋按构造配置6200。3.4 基础设计采用肋梁式筏板基础。这种基础能减小地基单位面积上的压力，提高基础的整体刚度，减小不均匀沉降。3.4.1 设计资料该工程场区地势平坦,土层分布比较规律,地下水深6.0m左右，筏板厚取，梁高为柱距，通常梁高为,纵、横向肋梁取相同高度和宽度，即，基础外伸一般为边跨的1/41/3，肋梁两端伸出边柱轴线的距离均取，基础埋深为2.5m。kN/m，考虑基础宽度和深度修正，取，则地基承载力特征值。混凝土采用C25（，）,底板钢筋和基础梁纵筋采用HRB335级钢（）和HRB400级钢（），箍筋为HPB235级钢（）。11183.4.2 基础底面积的确定在竖向荷载作用下，如将坐标系原点置于筏基底板形心处，则基底反力可按下式计算：式中：、分别为竖向荷载对轴和轴的偏心距；、分别为片筏基础底面对轴和轴的惯性距；、分别为计算点的轴和轴坐标。由于本结构为对称结构，故竖向荷载作用下基底反力计算公式可简化为式中：为上部结构传至底层各框架柱底的轴向力标准值的总和；为包括底层墙重、地面恒载、活荷载等的重力荷载标准值，由前面已知条件可算得=9646.54kN；为基础及其上回填土的平均容重；为基础埋深。20柱底轴向力近似按5榀中框架的柱底轴力考虑，并由组合情况计算。查表3-26和3-27，得在水平地震作用下（图3-21），基底反力可按下式确定：地基承载力应满足： 其中，这里，则本工程中，A、B、C、D柱底的、标准值由表3-263-29查得，则 图3-21地震作用下的基底反力分布 则故地基承载力满足要求。3.4.3基础梁和板内力分析与截面设计非地震作用效应组合时，仍按组合进行计算，查表3-26和3-29，得1.基础底板计算底板区格划分如图3-22所示。对3、4区格，可按两端固定单向板计算。单位板宽内的分布荷载。支座弯矩 （3、4） （5）图3-22 竖向荷载作用下基础底板区格划分跨中最大正弯矩 （3、4） （5）对1、2（6、7、8按1区格配筋，因此，此处不进行计算），根据弹性理论，可求得单区格双向板在不同支撑条件下的内力，具体计算见表3-44。其中、为考虑泊松比影响而对跨内正弯矩的修正值，按下式计算： 式中，为内力系数，为和中的较小值。对混凝土材料，取。最后，对各跨内最大正弯矩乘以1.2的调整系数，得21 支座负弯矩的取值，为安全起见，可取相邻板块支座负弯矩的较大值，同时乘以0.8的调整系数，即 基础板四周从轴线外挑，则悬臂板固端弯矩2.基础梁计算基础梁分为边横梁、内横梁、边纵梁和内纵梁，这里仅以内横梁为例说明计算方法。梁上作用的荷载如图3-23所示。图3-23 内横梁上作用的荷载基础梁的内力可采用“倒梁法”计算，即以地基经反力作为荷载，以柱作为基础梁的铰支座，按多跨连续梁分析其内力，即仍采用力矩分配法进行内力分析，计算简图如图3-26和3-27所示，计算过程见表3-46，求得的弯矩图和剪力图如图3-26。表3-44 竖向荷载作用下各板块的内力计算板块支撑条件1两邻边固定，两邻边简支0.020.04-0.08-0.102三边固定，一边简支0.02037-0.07-0.09续表3-44板块支撑条件1两邻边固定，两邻边简支49.49109.65-195.43-251.7871.42119.552三边固定，一边简支50.7693.91-189.85-229.1969.54104.06地震作用效应组合时，由表3-263-29查得各柱底的、设计值，经计算得 则 (1)用弯距分配法计算基础弯距1)固端弯距计算边跨固端弯距为伸出截面梁弯距为 H截面(左)伸出弯距图3-24 基础梁计算简图图3-25 转化后的基础梁计算简图图（单位：）图（单位：kN）图3-26 基础梁内力图地基反力分布如图2-27所示。 图3-27 地基反力分布图（） 2)刚度计算表3-45 刚度值计算截面bh（）跨度（）惯性矩 （mm4）0.81.25.40.1150.81.22.40.115分配系数为：3)进行弯距分配表3-46 弯矩分配表ABCD01.00.3080.6920.6920.3081.0091.8-713.84622.04713.84311.02-315.66-709.2709.2-713.84-311.02315.66713.84-612.04-802.18-109.22354.6-245.38-354.6245.38109.22-37.79122.69-84.9-122.6984.937.7991.8-91.8562.19-562.19562.19-562.1991.8-91.8基础底板内力分析：在进行抗震承载力计算时，同样应引入承载力抗震调整系数，即应满足,对受弯构件，由于 =0.7594.19=70.6487.04，故地震作用效应组合引起的内力队正截面抗弯承载力计算不起控制作用，相应的内力分析这里省略。(2)基础梁计算由于基础梁尚应进行斜截面抗剪承载力计算，这时承载力抗震调整系数 =0.85，故不需进行内力分析。(3)基础剪力计算A截面左边的剪力为：取OC段为隔离体计算A截面的支座剪力 A截面右边(上标)的剪力 取CD作为隔离体见图3-30按跨中剪力为零的条件来求跨中最大负弯距 求得= 1.99m 所以： 2.5.4配筋计算 采用非地震效应组合时的底板内力进行配筋计算，计算时可近似采用公式 其中可取0.9。各板块的配筋结果见表3-47。悬臂板支座截面按照构造要求，纵横方向的支座钢筋应有1/21/3贯通全跨。而且配筋率不应小于0.15，跨中钢筋应按实际配筋全部连通。再参考工程经验，筏板上、下可采用双向、双排钢筋网片，故上排纵向钢筋，在两边跨内取14180，中间跨取14250，横向钢筋各跨均取18180。下排纵向钢筋，在两边跨内取18160，中间跨取14250，横向钢筋各跨均取18130。 3.基础梁配筋(1)正截面抗弯承载力计算：对AB跨和CD跨的内横梁，跨中可按T行截面计算，控制截面弯矩应取非地震效应组合和地震作用效应组合中的较大值，因此 因属第一类T形截面 选618，。因BC跨为下部受拉，故上不仅需按构造配筋，取322，。支座下部截面配筋按双筋矩形截面计算，同理，经比较取，这时，则表3-48 底板配筋计算结果位 置区格1跨间区格2跨间区格3，4跨间区格5跨间69067211551005303572应配钢筋12/14180（742）12/14180（742）应配钢筋16/18180（1266）16/18180（1266）14250（616）14250（616）续表3-48位 置支座a支座b支座e支座f1259122316221476应配钢筋16/18180（1266）16/18180（1266）应配钢筋18150 （1697）18170（1497 ）故近似取，则故取618，。按照构造要求，尚应有1/21/3的支座钢筋贯通全跨，故通长钢筋可取318。2）斜截面受剪承载力计算：对A，D支座，取 ，因，故只需按构造配筋，取410300，非加密区取410400。对B、C支座，取，选410，则箍筋间距可按构造设置，取410500，非加密区取410600。BC跨内剪力相对较小，全长可取410500。限于篇幅，其它基础梁的配筋计算从略。 结 论本结构设计主要是在建筑初步设计的基础上确定建筑的结构为钢筋混凝土框架结构。建筑部分包括工程简介、建筑平面、立面设计与布置方案。结构部分包括确定结构类型、进行结构布置（包括梁、板、柱的结构平面布置以及基础平面布置）、确定梁、板、柱等基本承重构件的截面尺寸、材料强度等级等、荷载计算、水平地震作用下框架的内力计算、水平风荷载作用下框架的内力计算、竖向荷载作用下框架的内力计算、框架内力组合及截面配筋计算、楼板内力计算及配筋设计、楼梯设计、基础设计。本设计完全根据新规范进行设计的，采用了当今最前沿的设计方法。主要目的是以满足各种功能为主，具有较强的适用性，在设计的全过程中采用了新工艺，新方法等，综合考虑了各种因素，务实地做到了经济，并宜就地取材，运用准确的设计方法，这是本设计中一个最显著的特点。建筑设计合理，能够满足公共建筑需要，体现出了时代精神，具有很好的适用性。结构设计考虑了便于施工，安全，经济合理等因素，具有较好的安全性，适用性及耐久性。从建筑设计到结构设计都运用了科学设计方法，合理的设计理论。在设计过程中，对结构设计进行了大量的理论验算，然后进行比较，取其合理的计算方法。致 谢经过近半年的忙碌和学习，本次毕业设计已经圆满结束，由于知识与经验的欠缺，在设计中难免有一些考虑不周全的地方，如果没有指导老师的指导，以及一起设计的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在这里我要首先感谢我的指导老师。他平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习，查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，整理草稿等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是老师仍然细心地纠正我设计中的错误与不足。除了敬佩他的专业水平外，他的严谨治学和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。因此，我要真诚的说一句：老师，您辛苦了！谢谢您！ 最后感谢建筑工程学院和我的母校黑龙江科技学院，四年来对我的大力培养。王海涛2007年6月30日参考文献1 丰定国，王社良.抗震结构设计.武汉：武汉理工大学出版社，2001：37-622 吴培明主编.混凝土结构.武汉：武汉理工大学出版社，2003：33-793 吕西林.高层建筑结构.武汉：武汉理工大学出版社，2003：25-764 杨位洸.地基及基础.北京：中国建筑工业出版社，1998：42-56 5 丰定国，王社良主编.抗震结构设计.武汉：武汉理工大学出版社，2003：35-436 方鄂华.多层及高层建筑结构设计.北京：地震出版社，1992：23-587 陈基发，沙志国主编.建筑结构荷载设计手册.北京：中国建筑工业出版社，2004：42-768 龙驭球，包世华主编.结构力学：上册.北京：清华大学出版社，2001：56-78 9 吴德安主编.混凝土结构设计手册.北京：中国建筑工业出版社，2001：43-78 10 中华人民共和国国家标准.混凝土结构设计规范（GB50010-2002）.北京：中国建筑工业出版社，2001：142-289 11中国建筑科学研究院.建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）.北京：中国建筑工业出版社，2002：143-28912 中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范（GB50011-2001）. 中国建筑工业出版社，1990：132-29013 中华人民共和国建设部.新版建筑工程勘察设计规范汇编.北京：中国建筑工业出版社，2002：201-321 14 闫月梅.多高层框架结构的整体稳定分析.西安科技大学学报. 2003,(04)：23-56 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E., and Durrani, A. J. (1989) Seismic response of connections in two-bay R/C frame subassemblies. J. Struct. Eng., 115(11), 28292844.21 erbe, H. E., and Durrani, A. J. (1990). Seismic response of connections in two-bay reinforced concrete frame subassemblies with a floor slab. ACI Struct. J., 87(4), 406415.附录1基于神经网络的桩群冲刷评估的应用土木工程系，印度理工学院，孟买邦，溥维区，孟买城400 076印度认可 2003年6月2日摘要：有桩建筑与海洋环境间的相互作用是相当复杂的。不管多么有实力的实验室,作为原始的研究评估冲刷程度，冲刷的几何形状到通用的、正确的都是很困难的。其中的一个不确定的原因是统计曲线的匹配技术的局限性，就是通常用来分析搜集到的数据的技术。因此，当前的工作是努力实现其他的数据挖掘技术神经网络分析来处理冲刷数据的分析。神经网络能够绘制一个随机的输入向量具有随机的输出向量在一个自由的模型里，不象原始的非线性变化方法。不同的网络模型被开发出来，用来预测冲刷坑的深度和宽度，这个是一群支撑码头的桩子，该码头位于日本的一个海岸，通过浪高，浪的周期，水深和桩的直径等输入参数，也有桩的Reynolds值，最大浪的质点运动速度，最大浪的切速度，保护物变量，和KeuleganCarpenter值。该网络依靠循环训练得到发展，通过回溯和迭代算法。测试结果显示，神经网络方法能提供一个更好的统计匹配处理办法。个别的输入参数比组合的输入参数产生更好的结果。冲刷的深度是可以预测的更准确比冲刷的宽度。一个权值矩阵列出了在任何给定的位置的使用。关键词：神经网络; 桩冲刷; 群桩; 冲刷数据分析; 群桩冲刷1.引言在海洋里安置的许多结构必须安装桩来支撑，因为海底的土壤是松散的，不稳固的。大部分的桩被放置在受侵蚀的海底，因此估算桩周围的冲刷是设计时的要点。冲刷能够引起建筑基础的损坏，导致整个建筑的垮塌。海床上的沉积物将被清除，如果它的重量不能够抵消流动的力类似摩擦力。当振荡波和水流被阻挡通过一个垂直的桩，就会带走桩周围的沉积物，在桩的周围形成一个倒圆锥的洞。越来越多的沉积物被移走，洞长大了，悬浮的沉积物被水流带到了凹陷的地方。时间的推移，形成的坑变的深远。达到最大的冲刷深度，准确的定位在各种问题，关于冲刷程度的评估。当两个或更多的桩在空间上很近的话，之间的距离超过3倍的直径的时候，形成的洞合并到一起，最终形成全部的侵蚀，一个倒圆锥的形状。水力冲刷垂直的圆柱体产生一个过来的研究话题。然而，最新的研究针对在诸如桥梁码头对应的单方向的河流的建筑物。研究垂直桩服从摆动波的冲刷运动是最近相关的内容。除了大部分的调查研究的实验。2.网络发展神经网络由相互连接的神经元组成。每个神经元或者节点是一个独立计算单位（图 1），使用以下方程式进行计算： 在这里，是输出的神经元；; 是输入值；; ; 是权值；是偏差值；是计算函数，代表的函数表达式如下：非典型的神经网络用在现场研究显示在图2。被称做FF类型的网络，只是正方向进行估算。神经元分为三层，即输入，隐藏和输出层。神经元的输出结果构成了网络的输出结果。链形线路拥有向后的连接有时提供好的知识。一个例子链形线路显示在图3，输出的形式神经元能够反作用到隐藏神经元通过前后关系。连接权值最初是选择的随机数，通过一段实践后再确定下来。选择性的实践过程需要用到，由于两个不同的计划，即BP和CC，目的是训练FF网络，来适应链形线路。任何练习运算法则的目的是最小化全局的错误；定义如下：此处的和是网络和目标输出到如何第个输出节点。总和计算完成遍历所有节点，遍历所有练习模式。一对输入，输出值建立一个训练模式。后传播运算法则计算错误作为平均值，分配它向后从输出节点到隐藏节点然后到输入节点。采用梯度下降原理在权值中的改变的做法是关注于错误梯度的负面。在此 是权值在任何两个节点之间；，是改变在第个权值和的反复；是动力要素和它的知识比率。知识比率管理权值变化的大小，作为每个结果在全部的错误里。动力要素是防止权值在反复训练时的振动，并且加速在平的错误表面上训练。此时研究这些值被选择的不同值直到集中到达，当更深的反复或者训练循环开始，没有导致全部错误的对比值。 瀑布关系训练法则时定位在展开一个最适宜的网络体系和它开始没有任何隐藏的节点。它遵循以下步骤完成训练。1）只用输入和输出。2）训练网络遍历训练数据通过设置梯度规则。3）添加一个新的隐藏节点。连接它到所有输入节点就像连接到其他已经存在的隐藏节点一样。训练这些节点，基于最大化的全部关系S给出在此，是样式的隐藏节点的输出；是所有样式的平均输出；是网络输出错误对于输出节点在样式下；是平均网络错误遍历全部的样式。通过一个个的训练数据，调整新输入节点的权值在每次训练之后，设置直到S不能稍微的改变。4）一旦完成新节点的训练，该节点被安装作为一个隐藏的网络节点。输入端权值被固定，和输出端权值不再次训练。5）到步骤3），并且重复该过程直到网络达到一个最小错误在一个给定的反复训练值中。反向算法可以被修改到Jordan-Elman scheme目的是训练正确的网络在以下的方法中。(1)初始化前后关系单位(2)执行以下步骤对于每一个训练样式； A）输入一个样式并向前传播它通过这个网络。B）计算误差通过比较计算输出和目标输出值。C)向后传播这个误差值。D）计算权值改变。只做在线训练权值。E）计算新的状态在上下文单位依照引入的。(3)只做离线训练，采集权值神经网络工作细节如同不同的训练法则的描述，可以在6和7中显示。执行发展的网络需要以下帮助，1）绘制一个估计目标值的离散表2）评估相关系数，给出在此是网络输出，是目标输出，是测试样式数量。(4)决定效率的系数，给出3.数据Bayram 和 Larsen写的报告关于冲刷桩的被用做一个很好的测试。这是因为他们详尽的观察和相称的直接原始观察在大量的基于实验的研究报告。数据聚集在一个200米长调查码头，在Ajigaura Beach日本的太平洋海岸上。码头被设计在由海岸到海里，并且被9群立柱，每群有4根立柱0.6米直径在2.67米在图4中显示。每一个桩群彼此之间距离是30米。一个群的冲刷洞大小是可用的环境参数通过56周测量从1984年8月到1989年9月。这立柱群在码头靠海的一端，远离断浪的影响，流行的摆动的浪。冲刷的尺寸与平衡状态相符，和浪高，浪的周期属于在前描述的周期平均值。沉积物的平均颗粒大小是0.2毫米。即使在桩群的中心到中心的距离比较大（在4.5倍的个体桩的直径），桩群有一个共同的冲刷洞，深度，高度在图表4（b）。通过研究冲刷流相关评估，冲刷流尺寸用几个可靠的不相关的群的个体参。他们是Reynolds数，Re；Keulegan数和 Carpenter数，遮蔽参数，；和Sediment值，。关于这些数的表达式如下： 在此 是最大水质点速度是浪的运动（取决于线状浪的理论），是桩的直径，是海水密度，是浪的周期，是相对于静止海床的速度，定义：是浪的摩擦因子，是沉积物比重；是重力加速度，是沉积物的二次平均直径。在此次研究中用的不同参数列表在表1中给出。通过早期的研究组成的这些参数的参数群来评估冲刷洞的尺寸，一些在神经网络的调查工作已经提前作出报告，使用特定的参数代替他们全部的参数产生更好的结果，因为增强了灵活性在那种方法适应完成。因此确定开发一个网络拥有输入变量，变量名是，；水深，；有时不同在一个给出的位置，也做；是保持确定的含义。无论以后注意到后来的恒量不匹配到成果，只用输入一个参数来代替：结果是所有的4个恒量可能包含在权值里，网络存在偏差。这可能导致在消除误差的网络训练里。更深地，冲刷流的尺寸一般不依赖沉积物的属性。网络由4个输入参数组成，名字是; ; 和，是第一个可以预报的冲刷深度，:作为每一个标准的实践，在训练中使用的80%的数据，而保留了20的雇佣测试。可以使用的SNNS软件是使用软件的发展的。4.冲刷深度预测冲刷深度的离散图，依靠不受约束的因数；; 和分别显示在表里，57。分布状态清晰的指出了非常无规律的，非线性变化的跟随; 和;证明了使用神经网络随机映射图技术目的是评估内在的关系。可以得出相同的结论在离散图，依靠; 和变量，分别显示在表810中提到关于冲刷深度预测的输入节点是依靠浪高，浪的周期，水深和桩的直径的。输出节点与估计的值适应的：几个拓扑实验被研究，目的是在准确的结果中找到最好结果。在前面的段落里，所有的相关实验使用了两种网络和三种训练方法。在每个过程里，选择隐藏节点，学习率，因数和循环次数通过实验给出，一直计算，直到没有增长的误差被发现为止。训练方法和测试样例的选择包括被随机选的，直到最好的结果出现。这里用到了46种训练样例和13种测试样例。训练用例不包括在网络测试中。最正确的结果关于Feed Forward Back Propagation：4-6-6-1显示在图2里。比较结果网络产生的值和目标值在图例已经给出了。因此，可以在使用四个因子的得到神经网络能够捕获值；能够反映出一个高的相关系数值0.99，低的平均误差值2.6%，高的令人满意的效率值0.98。训练权值矩阵在表2中给出。该表可以应用该网络到其他的使用通用回归方法的领域。附表A，给出了数学表达式，目的是使用该矩阵的帮助，得到冲刷深度的输出值。 表3给出了不同网络（随后的）的性能，这些网络是在处理不同的输入输出之间的研究使用的。它给出了最好的算法，网络拓扑，达到误差目标的循环数，学习率和因子值，还有，等。传统的输入输出参数的关系是通过多项式表述的，因此，通过有价值的探索怎样神经网络评估值对比统计的方法。内部的独立参数; 和变量的变化率，冲刷深度是因变量。因为桩的直径在现有资料里是一个常数，所以没有作为一个自变量使用。多项式如下：在此，是因变量，; ; 是自变量，; ; ; 是常数是通过二次方程式得到的。据此归纳出来。在此，是冲刷深度；是浪高；是浪周期；是水深； 上面等式的正确性在训练数据得到的，经过相关的测试数据测试验证的。这显示在一个表名值变化率的离散图表里，图12。表下注明是0.91， 是6%，效率系数是0.75，标志着相关的适用程度。一个定性的对照关于神经网络模型的表达式通过图11，图12，如同定性的对照关于;；等参数的，由此显示出该论文中提及的神经网络是比传统的表达式正确的。根本的原因是网络是一个自由模型途径，因此具有非常大的自由度，不象表达式有局限性。调查照例叙述冲刷深度对于必然的几个描述流体不同方面的参数。这包括; , 10。电子网络（详见表3）发展了从,和值中得到的方法。图1315给出的测试结果，分别连同相应的; 和值。图表显示了较差的表现能力，关于这些网络对比于图11。图11里值由; ; 值得到。在这3个图里。图1315中的值是从值得到的，合理的有建设性的依靠的值对比和变量：这在Bayram 和 Larsen方法里也得到了同样的数据。因此与的线性表达式如下；当这种关系被用关于测试数据设置测试后，产生一个对照表，如图16，该图显示等式16式不令人满意的。作为依靠产生的神经网络的值在当前研究里的是相当准确的。为了查看是否是使用全部的变量; , ;和加在一起提供一个更好的预测值；另一个神经网络因此发展起来。实验拓扑开始尝试使用。图17显示最好的测试结果在所有的实验之外根据离散图表。图下注释非常低，是0.71，是20.73，然而很高，是10.7%。如果我们比较这个网络基于所有参数，我们较早开发的一个使用变量; ; 和；我们发现新做的这个摇好的多，也是我们期望的。因此发现使用所有参数没有导致任何好处，对比于独立变量; ; 和的早期讨论。这表示出网络训练的灵活性付出的代价。5. 冲刷宽度预测与一个桩群周围的冲刷洞的深度一样，它的宽度是设计者们普遍需要了解得另一个参数。接下来的研究涉及无范围形式的冲刷洞的宽度的预测，例如，;应用; ; 和；为此目的发展起来的神经网络有一个输出点和四个输入点。像前面的冲刷深度网络类型的几个实验中，训练计划在调试网络的过程中形成。这仅仅是在相关系数不超过0.52时取得了有限的成功，并且不低于12.7%（这与拓扑图a4-10-1相对应，并且JordanElman算法的0：0001，见表3）图18显示了相对于价值目标的基本的网络产出。能够看出来与前面冲刷深度预测的例子不同，这里的冲刷洞的宽度不是最终依靠; ; 和因素。 为了预测令人满意的洞的的宽度可能需要另一个不可计量的因素像土壤特性和与其它码头临近。看下图810，显示了; 对于的变化程度，并且也暗示了这些变量之间的模糊的联系。Bayram 和Larson 5也在用统计曲线匹配估计中有相似的失败。它显示了冲刷洞的几何形状很难用任何一种数学模型来计算。 做过尝试来验证通过联合网络来更好地预测冲刷宽度（也可以是冲刷深度）是否可行，这种联合网络有四个输入点（; ; 和）和两个输出点（和）。应用了几个拓扑实验。这在给出估计价值（同时包括价值）的可以接受的准确程度方面也失败了。在这种情况下被调试的网络（涉及10，000个循环）有拓扑4-9-9-2, 0:005;这导致了0:76和 0.53同时 13.6%并且和13.6%. (见表3)。最后值得提到的是估计冲刷范围的更完全的网络应该涉及到许多其他的输入参数，这些参数控制着冲刷得进程，例如，柱的直径，沉淀物尺寸，水流，河床的形态特征，浪的方向，随意性，柱的间隔和他们的方位（见Ref. 10），但是，这需要意味着巨大成本支出的广泛的数据收集程序。6.结论前述章节提供了关于太平洋日本海岸的调查码头的立柱群的冲刷数据的分析介绍。1. 发现预报一个冲刷浪的程度，对于在海洋里的立柱，是可以改良的，如果神经网络被作为一个工具，在适当的位置处理矿业数据，通过传统的技术统计曲线相匹配。复杂的神经网络被比喻为衰退分析，因此被用来解决冲刷浪评估是必要的。表2中给出的权值矩阵连同图12一起可以用来预测无量纲的冲刷浪的程度，从输入的浪高，浪的周期，水深和立柱直径。2. 神经网络数据模型的灵活性在输入参数是排列组合的时候发现是痛苦的，胜于个别的，或者是毒药一个冲刷浪参数，通过一个简单的网络预测。3. 预测是比较困难的，甚至是使用了神经网络，同样是有价值的，通过考虑其他输入因子，比如当地情况，土壤特性和其他相近立柱之间的关系。4. 网络训练可以改良通过网络类型的适当选择（顺序的，或循环的），训练算法（回溯法或迭代法或JordanElman法）和网络内部的控制参数（学习率，因子）附录A.该表达式得到冲刷深度1.输入节点权值求和：在此是第个隐藏节点的和，是输入节点的总数，是输入节点的和隐藏节点的关系，是第个输入节点的变量。2.转换输入权值：在此是第个隐藏节点的输出值。3.隐藏节点求和：在此，是第个节点的总和，是隐藏节点的总数，是第个隐藏节点和第个输出节点的关系。4.转换总和权值：在此是第个输出节点的输出值。附录2Estimation of pile group scour using neural networksA.R. Kambekar, M.C. Deo*Department of Civil Engineering, Indian Institute of Technology, Bombay, Powai, Mumbai 400 076, IndiaAccepted 2 June 2003AbstractThe interaction between ocean environment and pile structure is so complex that despite considerable laboratory as well as prototype studies estimation of scour depth and its geometry in a generalized and accurate form are still difficult to make. One of the reasons underlying this uncertainty could be the limitation of the statistical curve fitting technique, commonly employed to analyze the collected data. The present work therefore attempts to carry out scour data analysis using another technique of data mining: neural networks. Neural networks have ability to map a random input vector with the random output vector in a model-free manner unlike the model oriented non-linear regression methods. Different networks were developed to predict the scour depth as well as scour width for a group of piles supporting a pier situated at a coastal location off Japan using the input of wave height, wave period, water depth and pile diameter as well as pile Reynolds number, maximum wave particle velocity, maximum shear velocity, Shields parameter and KeuleganCarpenter number. The networks were of feed forward as well as recurrent type trained using back propagation and cascade correlation algorithms. The testing results showed that the neural network could provide a better alternative to the statistical curve fitting. Individual input parameters yielded better results than their grouped combinations. The depth of scour was predicted more accurately than its width. A matrix of weights is specified for use at any given location. 2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.Keywords: Neural networks; Pile scour; Pile groups; Scour data analysis; Pile group scour1. IntroductionMany structures installed in the ocean are required to be supported by piles because of the weak and unconsolidated soil conditions commonly encountered below the sea. A majority of the piles are located on eroding bottoms and hence estimation of scour around the piles is essential in design. Scouring can cause failure of the structure toe, giving rise to collapse of the entire structure.A sediment particle at the sea-bed is removed from its position if its weight is unable to counteract the dislodging forces of fluid drag and lift as well as the skin friction. When oscillating waves and currents are obstructed by a vertical pile complex turbulent flow accompanied by vortex formations around the pile give rise to the removal of sediment such that a hole resembling that of an inverted cone starts forming around the pile. As more and more sediments are removed and the hole grows new suspended sediments are also brought in by the flow and dropped into the pit. With passage of time a state of equilibrium is reached and further scouring is inhibited. This state corresponds to the maximum scouring depth, which is aimed at in any problem of scour depth estimation. When two or more piles are closely spaced with their spacing greater than about three times the individual diameters, the holes around the piles merge culminating into a global scour having the same shape as that of the inverted cone 1.Hydraulic scour around vertical cylindrical objects had been an old topic of study. However earlier studies were aimed only at structures like bridge piers facing the unidirectional river flows. Investigation of scouring action on vertical piles subjected to oscillatory waves is relatively recent. Out of these works most pertain to laboratory based investigations. Experiments in labs attempted to relate scour depth and its geometry to flow and sediment characteristics expressed in terms of dimensionless parameters like wave steepness, and relative water depth 2, Reynolds number, KeuleganCarpenter number, Shields parameter and sediment number 3. While laboratory works carried out under controlled conditions provided a useful insight into the mechanism of oceanic scour, applicability of these results to the field has always remained doubtful. This is due to the failure to simulate real sea conditions like random waves, multi-directionality of waves and interaction with currents as well as the difficulties in converting laboratory results to prototype.Field studies oriented towards scour estimation are therefore highly desirable. But they are very few and almost non-existing in respect of vertical piles. Exceptions to this include Palmer 4 and Bay ram and Larsen 5. The latter study pertains to scour depth estimation for groups of piles supporting a pier off Japanese coast. The present investigation uses the same data-base to estimate scour but employs a different tool of analysis: neural networks. Its motivation stems from the observation that all past works have used the technique of regressionlinear as well as non-linearto analyze and synthesize the collected data. Regression techniques are model-oriented and hence rigid in that they first assume some kind of fixed relationship between the input and the output beforehand. On the contrary neural networks are data-oriented and flexible and come up with their own dependency structure in between the input and the output. It was therefore thought worthy to examine if substitution of the conventional statistical curve fitting by the network, results in obtaining more accurate estimation of scour in the field.2. Development of the networksA neural network basically consists of interconnected neurons. Each neuron or node is an independent computational unit (Fig. 1), which works as per the following equation, where, y is output from neuron; x1; x2; x3;are input values; w1;w2;w3; areconnection weights; is bias or threshold value; f is transfer function, typically sigmoid function given by,Atypical neural network used in the present study is shown in Fig. 2. This is called Feed Forward (FF) type of network where computations proceed along the forward direction only. There are three layers of neurons, namely input, hidden and output layer. The output obtained from the output neurons constitutes the network output.Recurrent networks with backward connections some times provide good learning. An example of such a recurrent network is shown in Fig. 3, where the output form the output neuron can be fed back to the hidden neurons through a context unit. The connection weights are initially chosen as random numbers and then fixed by following a training process. Alternative training processes are available, out of which the present study utilized two popular schemes, namely Back-propagation (BP) and Cascade Correlation (CC) in order to train the FF network and JordanElman algorithm to cater to the recurrent network.The goal of any training algorithm is to minimize the global (average sum squared) error E; defined below:where on and are network and target output for any nth output node. The summation has to be carried out over all output nodes and over all training patterns. A pair of input and output values constitutes a training pattern.The Back-propagation algorithm calculates the error E as per Eq. (3) and distributes it backward from the output to hidden and then to the input nodes. This is done using the steepest gradient descent principle where the change in weight is directed towards negative of the error gradient, i.e.Where w is weight between any two nodes; are changes in this weight at nth and en 2 1Tth iteration; is momentum factor and his learning rate.The learning rate hgoverns the size of the weight change as per the effect of the weight on the total error. The momentum factor a prevents weight oscillations during training iterations and also accelerates the training on flat error surfaces. In the current study these values were selected by varying them till convergence was reached, i.e. when further iteration or training cycles did not result in reduced value of the total error.The Cascade Correlation training algorithm is aimed at evolving an optimum network architecture and it starts without any hidden nodes. It follows following steps to complete the training.(1) Start with inputs and outputs only. (2) Train the network over the training data set by the gradient rule. (3) Add a new hidden node. Connect it to all input nodes as well as to other existing hidden nodes. Training of this node is based on maximization of overall correlationS given by:Where Vp is output of the new hidden node for pattern p; V is average output over all patterns; is network output error for output node o on pattern p; and is average network error over all patterns. Pass the training data set one by one and adjust input weights of the new node after each training set until S does not change appreciably. (4) Once training of the new node is done, that node is installed as a hidden node of the network. The input side weights are frozen, and the output side weights are trained again. (5) Go to step (3), and repeat the procedure until the network attains a prespecified minimum error within a fixed number of training iterations.The Back-propagation algorithm can be modified into the Jordan-Elman scheme in order to train the recurrent network in the following way.(1) Initialize the context units, (2) Execute the following steps for each training pattern: (a) Input the pattern and propagate it forward through the network. (b) Calculatethe error by comparing the computed output and the target output. (c) Back propagate the error. (d) Calculate the weight changes. (d)Doonly on-line training, i.e. weight adoption. (e) Calculate the new state of the context units according to the incominglinks. (3)Doonly off-line training, weightadoption.Details of working of neural networks as well as description of various training algorithms can be seen in Refs. 6,7 .Performance of the developed network was tested with the help of (1) drawing a scatter diagram of estimated versus target values (2) evaluating correlation coefficient, r given bywhere Xn is network output, Xt is target output, n is number of test patterns.(4) Determining coefficient of efficiency given by:3. DataThe observations reported by Bayram and Larsen 5 on the pile scouring are used for training as well as testing. This is because they are relatively exhaustive and pertains to direct prototype observations while most of the reported studies are based on laboratory experiments. The data were gathered at a 200 m long research pier constructed at Ajigaura Beach on the Pacific coast of Japan. The pier projected out from the shore into the sea and was supported by nine groups of vertical piles, each having four piles of 0.6m diameter placed at 2.67m c/c as shown in Fig. 4(a). Each pile group was 30m apart from each other. Dimensions of the scour hole around a pile group were available along with corresponding environmental parameters through 56 weekly surveys made during the period of August 1984 to September 1989. This pile group was located at the seaward end of the pier, away from the action of breaking waves and where oscillatory waves prevailed. The scour dimensions corresponded to the equilibrium state and wave height and period values belonged to preceding weekly averages. The average grain size of the sediment was 0.2 mm. Even though the centre to centre distance between the piles in the group was larger (around 4.5 times the individual pile diameter) the group had a common scour hole of dimension s (depth) and L w (width) as shown in Fig. 4(b).Past studies on scour 3 involved evaluation of the scour dimensions using certain dimensionless groups of individual parameters. They are Reynolds number, Re; Keulegan and Carpenter number, Kc, Shields parameter, u; and, Sediment number, Ns. The expressions for these numbers are given below:where U is maximum water particle velocity induced by the wave motion (determined by the linear wave theory herein), D is pile diameter, V is kinematics viscosity of the sea water, T is wave period, V is undisturbed bed shear velocity given by:is wave friction factor, S is specific gravity of the sediment; g is acceleration due to gravity, is mean diameter of the sediment. The ranges of different parameters involved in this study are given in Table 1.Although previous studies incorporated these dimensionless group of parameters to evaluate scour hole dimensions, some investigators working on neural networks 8 have earlier reported that use of constitutive raw parameters in place of their groups yields better results because of the increased flexibility in fitting achieved in that way. It was therefore decided to develop a network with input of causative raw variables, namely, H; T; and, water depth, d; which vary from time to time at a given location and also that of D; S; f; and, f; which remain fixed. It was however subsequently noticed that the latter constants do not contribute much to the outcome and instead of that it is sufficient to account for them by inputting only a single parameter D: The effect of all four constants might have been indirectly present in the weights and bias of the network. Also this might have resulted in avoiding overfitting errors during network training. Further, the scour dimensions are generally found to be independent of the sediment properties 5. A network consisting of four inputs, namely, H; T; d; and, D was therefore first considered to predict the dimensionless scour depth, S/D:As per the standard practice eighty percent of the data was used for training while remaining twenty percent was employed for testing. The available SNNS software was utilized for network development (SNNS 9).4. Scour depth predictionScatter plots of scour depth, S/D against the independent causative factors of H; T; and d are shown in Figs. 57, respectively. The figures clearly indicate a highly irregular and non-linear variation of S/D with H; T; and d; justifying application of the random mapping technique of neural networks in order to evaluate the underlying relationship. The same conclusion can be drawn from the scatter plots of Lx/D against H; T; and d as in Figs. 810, respectively.As mentioned above the input nodes in the case of depth prediction belonged to wave height, wave period, waterdepth, and pile diameter. The output node pertained to the estimated value of S/D: Several trial topologies were studied in order to arrive at the best one in terms of result accuracy. All these trials involved use of the two types of networks and the three training algorithms mentioned in the previous section. In each case the choice of hidden nodes, learning rates, momentum factors and number of iterations were made by trials, which were continued till no further gain in inaccuracy was noticed. The choice of training and testing patterns included random selection till best results were realized.There were 46 training patterns and 13 testing patterns. The training patterns were not involved in network testing. It was found that the most accurate results involved use of the Feed Forward Back Propagation architecture of configuration: 4-6-6-1 shown in Fig. 2. The resulting comparison between network yielded S/D values and target S/D values is given in Fig. 11 It thus may be seen that the neural network is certainly able to capture the dependency of S/D with causative factors of H; T; d and D: This is reflected in a very high value of 0.99 of the correlation coefficient and low value of Mean Absolute Error of 2.6% and a highly satisfactory value of the coefficient of efficiency of 0.98. The matrix of trained weights is given in Table 2. This can be used to apply the network to any other site in the same way as that of a regression equation. Appendix A gives the mathematical expressions in order to arrive at the scour depth output with the help of this matrix.Table 3 gives the performance of the different networks (explained subsequently) used in this study for processing different inputs-outputs. It also gives the best performing algorithm, network topology, number of cycles taken to reach the error goal, learning rate and momentum factor values together with those of r and MAE.Traditionally the inputoutput parameters are related through a multiple regression model and hence it was thought worthy to explore how the neural network estimation of S/D values compares with the statistical approach. The regression included individual parameters of H; T; and d as independent variables and scour depth (S/D) as a dependent variable. Because the pile diameter was constant for all available data values, it was not included as an independent variable. The basic multiple regression model was given by:where y is dependent variable, x1; x2; x3 are independent variables, a; b1; b2; b3 are constants obtained by using the least squares method. Eq. (12) thus reduces towhere y is dimensionless scour depth, S/D; x1 is wave height, H; x2 is wave period, T; and, x3 is water depth, d:Accuracy of the above equation derived on the basis of training portion of data was tested with respect to testing set of data. This is shown in a scatter diagram of regressionyielded against observed S/D as in Fig. 12. The underlying value of r was 0.91,that of MAE was 6%, while the coefficient of efficiency was 0.75, indicating relatively inadequate fit.A qualitative comparison of the neural network model with the regression method through Figs. 11 and 12 as well as the quantitative comparison in terms of r; MAE and CE thus show that the neural network approach proposed in this thesis is more accurate than the traditional regression one. The underlying reason could be that the network is a model-free approach and hence has a very large degree of freedom unlike the regression technique.Investigators have conventionally related scour depth to certain dimensionless group of parameters representing different flow conditions. These include Re; KC, u 10. Neural networks (as detailed in Table 3) were developed to derive S/D values from Kc, Re and u values. The testing results are given in Figs. 1315, respectively along with the corresponding r; MAE and CE values. The figures show poor performance of these networks compared to the o
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