框架结构设计

第一章：工程概况和结构设计方案

2.1工程概况

2.1.1设计依据：

(~)工程设计运用年限：本工程设计运用年限为50年。

(-)自然条件：

1.基本风压：^)(KN/m2)=0.45

2.地面粗糙程度：B类。

3.基本雪压：0.65KN/m\

4.工程地质见下表：

表2-1拟建场地工程地质状况

稠混凝土预制桩人工挖孔灌注桩

密

岩土度/地基承载

土层深度

层名风力

(m)

(kpjqP»i(kp;1)qs«(kp“)qpa2(kp.,)

称化fak(Kpa)

程

度

(1)0~2.0稍32

粉质密

粘土

(2)2.0~5.0稍13050

粘土密

(3)5.0'9.0可20040

粉质塑

粘土

(4)9.5'12.0硬18055

粉土塑

(5)12.0"硬200603300

粉土塑

夹粉

砂

地下水状况：

无侵蚀性，最高水位距地表-2.0m。

2.1.2设计要求：

(一)本工程主体为钢筋混凝土框架结构，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第I分组，基本地震加

速度为0.10g，场地类别为III类，现浇框架抗震等级为三级。层高4.5米。楼盖及屋盖均采纳现浇钢筋

混凝土结构，板厚120m%

(二)设计荷载：

(1)不上人屋面活荷载0.5KN/nf

(2)屋面雪荷载0.65KN/m2

(3)车间活荷载标准值为3.5KN/m\

(4)楼面永久荷载3.80KN/m2

(5)屋面永久荷载3.98KN/m2

2.2结构设计方案

2.2.1柱网布置

图2T框架结构的计算简图

图2-2纵向框架组成的空间结构

本方案中，依据纵向的平面框架进行计算。

2.2.2梁柱截面尺寸的初步确定

梁截面尺寸估算

梁截面高度一般取梁跨度的"12〜1/8进行估算，梁宽取梁高的1/3〜1/2。由此估算的框架梁

的截面尺寸如下：

主框架梁：bXh=300mmX750mm

次梁：bXh=250mmX600mm

表2-2梁截面尺寸(mm)

层次混凝土强度等级框架梁次梁

广5C30300mmX750mm250nunX600mm

柱截面尺寸估算依据

(-)依据柱的轴压比限值按下列公式计算：

1.柱组合的轴压力设计值N=BFgEn

注：6考虑地震作用组合后柱轴压力增大系数。

F按简支状态计算柱的负载面积。由图二可知边柱及中柱的负载面积分别为7.2X3.5和m，和7.2X6.8

m2«

gE折算在单位建筑面积上的重力荷载代表值，可近似的取12KN/m2„

n为验算截面以上的楼层层数。

2.Ac^N/uNfc

注：uN为框架柱轴压比限值，本方案为三级抗震等级，查《抗震规范》可知取为0.9。

fc为混凝土轴心抗压强度设计值，对C30,查得14.3N/nm2。

由公式可得柱截面面积为

3

1.3X7.2X3.5X12X10X52

边柱A>=130778mm

c0.9x16.7

中柱

1.25X7.2X6.8X12X1Q3X5

A>=244311mm2

c0.9x16.7

取截面尺寸：500mmX500mm。

表2-3柱截面尺寸（mm）

层数混凝土强度等级bXh

「5C35500mmX500mm

第三章：结构计算

3.1荷载计算

3.1.1屋面及楼面的永久荷载标准值

屋面（不上人）：

20厚水泥砂浆找平层20X0.02=0.4KN/m2

现浇混凝土屋面板25X0.12=3KN/m2

40厚挤塑保温板0.5X0.04=0.02KN/m2

40厚C20细石混凝土14X0.04=0.56KN/m2

合计3.98KN/012

广4层楼面:

瓷砖地面（包括水泥粗砂打底）0.55KN/rtf

120厚钢筋混凝土板25X0.12=3KN/m2

V型轻钢龙骨吊顶或20厚水泥砂浆0.25KN/m2

合计3.80KN/m2

3.1.2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0.5KN/m2

车间楼面活荷载标准值3.5KN/m2

2

屋面雪荷载标准值Sk=/zr-S0=1.0x0.65=0.65KNm-

3.1.3梁、柱、墙、窗、门重力荷载计算

（-）梁自重

主框架梁：25X0.3X(0.75-0.12)=4.725KN/m

次梁：25X0.25X(0.6-0.12)=3KN/m

（二）柱自重

柱25X0.5X0.5=6.25KN/m

抹灰层17X0.01X4X0.5=0.34KN/m

合计6.59KN/m

（三）墙自重

外墙体为240厚KP1砖,内墙体为240厚加气混凝土砌块。

1.外纵墙自重（KP1砖）

纵墙19X(1-15%)X1X0.24=3.876KN/m

铝合金窗0.35X1.7=0.595KN/m

外墙面帖瓷砖0.5X(4.5-1.7-0.8)=1KN/m

内墙面20厚抹灰17X0.02X(4.5-1.7-0.8)=0.68KN/m

合计6.151KN/m

2.内墙自重及横墙自重

纵墙（横墙）5.5X(4.5-0.6)=5.148KN/m

抹灰厚（两侧）17X(4.5-0.6)=2.652KN/m

合计7.8KN/m

3.女儿墙自重

墙重及压顶重19X(1-15%)X0.9X0.24+25X0.24X0.3=5.676KN/m

外帖瓷砖0.5X1.2=0.6KN/m

水泥粉刷内面0.36X1.3=0.468KN/m

合计6.744KN/m

3.2框架内力计算

3.2.1采纳结构设计软件PKPM进行计算

（-）执行PMCAD主菜单1,输入结构的整体模型

首先。依据建筑平、立、剖面图输入轴线。结构图中尺寸是指中心线尺寸，而非建筑平面图中的外轮

廓尺寸，依据上一层建筑平面的布置，在本层结构平面图中适当增设次梁，只有楼层板、梁、柱等构件布

置完全一样（位置、截面、材料），并且层高相同时，才能归并为一个结构标准层。

再估算（主、次）梁、板、柱等构件截面尺寸，并进行构件定义。对于梁，抗震规范第6.3.6条规定

宽度200mm,主梁高度取跨度的1/8〜1/12,宽度取高度的1/3〜1/2；次梁的高度取跨度的1/12〜1/16,

宽度取高度的1/3〜1/2。对于框架柱，抗震规范第6.3.1条规定，矩形柱长和宽都要大于300mm,同时限

制柱的轴压比。对于板，单向板楼板厚取跨度的1/40-1/45,且大于60mm；双向板楼板厚取跨度的1/50〜

1/45,且大于80mm。

接着选择各标准层进行梁、柱构件布置。柱只能布置在节点上，主梁只能布置在轴线上，考虑外轮廓

平齐实行偏心。

然后在荷载定义下输入楼、屋面恒、活荷载

最终依据建筑方案，将各结构标准层和荷载标准层进行组装，形成结构整体模型，并且确定总信息、

地震信息、风荷载信息等等。

（二）执行PMCAD主菜单2,布置次梁楼板

此处次梁是指未在主菜单1布置过的次梁，对于已将其当作主梁在主菜单1布置过的梁，不得重复布

置。对楼梯间进行全房间开洞，对个别房间板厚发生改变的，依据设计实际作局部修改，对有悬挑板的梁

上布置悬挑板。依据实际状况须要，拷贝前层的楼板开洞、修改板厚、设悬挑板、次梁布置等信息。

（三）执行PMCAD主菜单3,输入荷载信息

对个别房间进行楼面荷载修改，如板厚有改变的房间的楼面恒载、厕所的楼面恒载及门厅、走道、楼

梯间的楼面活荷载等。对梁承受的非板传来的荷载（如填充墙等）进行输入，留意，对梁承受填充墙荷载

的需考虑窗洞、楼梯间全房间开洞的须依据实际状况计算梯段传至楼层梯梁的均布恒（活）载、梯段及休

息平台经平台梯梁（梯柱）传至下层框架梁的集中恒（活）载。程序能对梁的自重、板的导荷进行自动计

算，这些荷载都不能在此处重复计算，荷载的输入是指程序不能计算和导算的外加荷载，肯定要依据实际

状况进行计算输入，不得多输，更不能漏掉荷载。此外，依据实际状况选择前面已经布置好的随意一层作

荷载拷贝，还可依据实际状况选择是否拷贝楼面荷载、梁间荷载、节点荷载等信息。

（四）ST—8计算

对所建模型进行导荷及配筋，依据实际状况调整软件的各种参数，以符合实际状况及平安保证，假如

从前所建模型不满意要求，就可以通过计算出的各种图形看出，可以通过对计算出的受力图，内力图，弯

矩图等等对电算结果进行分析，找出模型中的不足并加以调整，反复至电算结果满意要求为止。

3.2.2纵向框架侧移刚度计算纵梁线刚度（D值法）

表2-4纵梁线刚度与计算表

层

类别

次

纵梁广53.0xlO4300X7501.055x10'072004.396x10'°6.594xlO108.792xlO10

表2-5柱线刚度入计算表

层

次

P545003.15X104500X5005.208xlO93.646x1010

柱的侧移刚度D值按下式计算：。依据梁柱线刚度比K的不同，柱可分为中框架中柱和边柱、边框架中柱

和边柱等，计算结果如下：

表2-6（BCDEF列）中框架柱侧移刚度D值（N.mm）

层B-1B-7（9根）中柱（24根）B-2

次DilDi3

K%K4Di2K4K4

2~51.8090.475102632.4110.547118184.8230.707152754.220.68

11.8090.606130902.4110.660142604.8230.780168534.220.76

表2-7（AG）列边框架柱侧移刚度D值mm"）

层A-1A-7（3根）A-2A3（9根）

次Di3

DilDK«c

KKi2K­

2~51.2060.37681241.8090.475102633.0140.601129853.620.6413914

11.2060.532114941.8090.606130903.0140.701151463.620.7315837

层次中框架ZDj边框架ZDj

2~5497874177124

00

将上述不同状况下同层框架侧移刚度相加，即得框架各层层间侧移刚度ZDj见下表

表2-8各层层间侧移刚度ZD,

层次12345

7354998674998674998

由表可见，ZD,/ZD2=735401/674998=1.089>0.7,故该框架为纵向向规则框架。

#算法举例：(BCDEF歹D中框架柱侧移刚度D值

(底层)

1.B

K=6.594/3.646=1.809ac=(0.5+K)/(2+K)=0.606

Dil=acX12Xic/h2=0.606X12X3.646XIO10/54002=13090

2.B-7C-lC-7D-lD-7E-lE-7F-lF-7(9根)

K=8.792/3.646=2.411ac=(0.5+K)/(2+K)=0.660

102

—Di2=acX12Xic/h2=0.660X12X3.646XIO/5400=14260

3.646

3.中柱(D-6)

K=(8.792+8.792)/3.646=4.823ac=(0.5+K)/(2+K)=0.780

Di3=acX12Xic/h2=0.780X12X3.646X1O10/54002=16853

8.7928.792

3.646

4.B-2

K=(8.792+6.594)/3.646=4.220ac=(0.5+K)/(2+K)=0.606

6.5948,792,

2

Di4=acX12Xic/h2=0.759X12X3.646X10/5400=16399

3646

ZDj=13090+14260X9+16853X24+16399=562301

(2~5层)

3B-l

K=6.594/3.646=1.809ac=K/(2+K)=0.475

102

Dil=acX12Xic/h2=0.475X12X3.646XIO/4500=10263

3.646

S.594

3B-7C-lC-7D-lD-7E-lE-7F-lF-7

8.792K=8.792/3.646=2.411ac=K/(2+K)=0.547

2

Di2=acX12Xic/h

3.646

=0.547X12X3.646XIO10/45002

=11818

8.792

3中柱（D-6）

K=(8.792X2)/3.646=4.823ac=K/(2+K)=0.707

*12*

Di3=acX12Xic/h

8.7928.792

=0.707X12X3.646XIO10/45002

3.646=15275

8.7928.792

3B-2

K=(8.792+6.594)/3.646=4.220ac=K/(2+K)=0.678

2

Di4=acX12Xic/h

=0.678X12X3.646X1O10/45002

O.U374O./7C

=14649

3.646

6.594g.792

皿=10263+11818X9+15275X24+14649=497874

(AG)列边框架柱侧移刚度D值

底层

1.(A-l)

K=4.396/3.646=1.206ac=(0.5+K)/(2+K)=0.532

2

Dil=acX12Xic/h=0.532X12X3.646X10'0/5400=l1494

4.396

3.646

2.(A-7,GT,G-73根)

K=6.594/3.646=1.809ac=(0.5+K)/(2+K)=0.606

210

Dil=aCX12Xie/h=0.606X12X3.646XIO/5400=13090

3.(A-2)

K=(6.594+4.396)/3.646=3.014ac=(0.5+K)/(2+K)=0.701

2*10

Di3=aCX12Xic/h=0.701X12X3.646XIO/5400=15146

K=(6.594+6.594)/3.646=3.617ac=(0.5+K)/(2+K)=0.733

2102

Di3=acX12Xic/h=0.733X12X3.646XIO/5400=15837

6.5946.594

3.646

3.646

SDj=11494+13090X3+15146+15837X9=173100

2~5层：

1.(A-l)

K=(4.396+4.396)/(2X3.646)=1.206ac=K/(2+K)=0.376

Di1=acX12Xic/h2=0.376X12X3.646XIO10/45002=8124

4.396

3.6464.396

2.(A-7,G-l,G-73根)

K=(6.594+6.594)/(2X3.646)=1.809ac=K/(2+K)=0.475

Di2=acX12Xic/h2=0.475X12X3.646XIO10/45002=10263

6.594

3.646

6.594

3.(A-2)

K=(6.594+4.396)/(3.646)=3.014ac=K/(2+K)=0.601

102

Di3=aCX12Xic/h2=0.601X12X3.646XIO/4500=12985

4.3966.594

3.646

4.3966.594

4.(A3-6,G2飞9根)

K=(6.594+6.594)/(3.646)=3.617ac=K/(2+K)=0.644

Di4=acX12Xic/h2=0.644X12X3.646XIO10/4500=13914

6.5946.594

3.646

6.5946.594

ZDj=8124+10263X3+12985+13914X9=177124

3.2.3重力荷载代表值的计算

(-)屋面及楼面可变荷载标准值

1.屋面永久荷载标准值3.98KN/m2

2.楼面永久荷载标准值3.80KN/rtf

(~)屋面及楼面可变荷载标准值

1.不上人屋面均布活荷载标准值0.5KN/m2

2.车间楼面活荷载标准值3.5KN/m2

3.屋面雪荷载标准值Sk=4•S。=1.0x0.65=0.65KN-m<

（三）墙，门窗重力荷载计算：

1.外墙240Kpi砖19X（1-15%）=16.15KN/m3外墙面瓷砖0.5KN/m，外墙面20厚抹灰，则外墙

单位墙面的重力荷载为：

0.5+0.24X16.15+17X0.02=40716KN/m2

2.内墙240厚加气混凝土砌块（5.5KN/m3）双面抹灰各20mm，则内墙的重力荷载为：

5.5X0.24+17X0.02X2=2KN/m2

3.铝合金门窗单位面积的重力荷载为：0.35KN/nf

4.梁柱计算：

梁柱重力荷载计算：

表2-9梁柱重力荷载计算表

层次构件bXhYBgLiN（根）Gi(Kn)E

(KN/m3)(KN/m)(m)Gi(Kn)

横梁300X750251.055.9066.1351260.9

1

横梁300X750251.055.9066.57268.72

2

纵梁300X750251.055.9066.7421661.9

广5横次250X600251.053.9386.17530729.524079

梁1

横次250X600251.053.9386.5756155.35

梁2

柱500X500251.106.8574.5491515.938

（四）各层墙（外墙）自重标准值计算：

1.女儿墙重：总长L=（43.2+40）X2=166.4m

总重Gkl=6.744Kn/mX166.4m=1122.2KN

2.标准层墙重：总长L=166.4-24X5=154.4m

总重Gkl=6.151Kn/mX154.4m=949.71KN

（五）板重力荷载标准值：

表2-10板重力荷载标准值计算表

&<KN/m2)GM.KNSGi/KN

层数板面积（nf）

楼面1627.743.86185.416306.37

广5楼梯25.24.8120.96

屋面17283.986877.446877.44

（六）各层自重标准值的计算:

1.首层（墙+梁+板+柱）

GK=949.71/2KN+4079.47KN+6306.37KN+1515.938KN=12376.63KN

2.标准层（墙+梁+板+柱）

GK=949.71KN+4079.47KN+6306.37KN+1515.938KN=12851.49KN

3.顶层（墙+梁+板+柱）

GK=949.71/2KN+1122.2KN+4079.47KN+6877.44KN+1515.938KN=14544.758KN

（七）重力荷载代表值的计算：

重力荷载代表值G取结构和构件自重标准值和可变荷载组合值之和，各可变荷载组合值系数取

为a.雪荷载：0.5b.屋面活荷载：0.0c.按等效均布荷载计算的楼面荷载:0.5.

1.首层（墙+梁+板+柱）

G02376.63+0.5X（1627.74+25.2）X3.8=15517.22KN

2.标准层（墙+梁+板+柱）

G.=12851.49+0.5X（1627.74+25.2）X3.8=15992.08KN

3.顶层（墙+梁+板+柱）

Gs=14544.76+0.65X1728X0.5=15106.36KN

（A）等效总重力荷载代表值的计算：

本设计抗震设防烈度7度，设计地震分组为第一组，场地类别为HI类，差得〃=0.45s,amax=

0.08s,取阻尼比为0.05。

结构的总重力荷载代表值为：

=15517.22+15992.08X3+15106.36=78599.82KN

结构的等效总重力荷载代表值为:

Geq0.85=66809.847KN

Ms

・5

图2-3荷载示意图

3.2.4纵向水平地震作用下框架的内力计算

(-)结构顶点假象位移的计算

(一)表2T1结构顶点假象位移的计算表

层次G,(KN)VGi(KN)ED,(N/mm)△uj(mm)Ui(mm)

515106.3615106.3667499822.4344.5

415992.0831098.4467499846.1322.1

315992.0847090.5267499869.8276

215992.0863082.667499899.3206.2

115517.2278599.82735401106.9106.9

L基本自振周期T1(s)可按下式计算：

Tl=l.7巾T(uT)1/2

注：uT假想把集中在各层楼面处的重力荷载代表值Gi作为水平荷载而算得的结构顶点位移。

力T结构基本自振周期考虑非承重砖墙影响的折减系数，取0.6。

uT按以下公式计算:

VGi=£Gk

(△u)i=VGi/EDij

uT=S(Au)k

注：EDij为第i层的层间侧移刚度。

(Au)i为第i层的层间侧移。

(△u)k为第k层的层间侧移。

s为同层内框架柱的总数。

Ti=l.7X仁=1.7X0.7XVO.3445=0.70s

2.水平地震作用及楼层地震剪力的计算：

a}=amax=X0.08=0.054

FEK=X0.85X=0.054X66809.847=3607.73KN

由于1.4Ti=1.4X0.45=0,63s＜「=0.7s所以要考虑顶部附加水平地震作用

按规范查的0.08T1+0.01=0.066.

△尼=0.066X3607.73=238.11KN

各质点水平地震作用按下式计算：

蚌=FEK(1-^n)

表2T2各质点纵向水平地震作用及楼层地震剪力计算表

K次IL(m)G.(KN)GH(KN)F((KN)匕(KN)

522.515106.36339893.10.3211081.651081.65

41815992.08287857.40.272916.541998.19

313.515992.08215893.10.204687.402685.59

2915992.08143928.70.136458.273143.86

15.415517.2269827.490.066222.393366.25

XGM=1057399.83

Fi=3607.73(1-0.66)=3369.62

3.纵向水平地震作用下位移的计算：

依据《建筑抗震设计规范》GBJ11-89的要求，本结构须进行多遇地震作用下的抗震变形验算，要

对结构的变形加以限制，使其层间弹性位移以及结构顶点位移不超过肯定的限值。

AU_L

对于砌体填充墙的框架结构，其层间弹性位移限值为丁W550。

本结构变形计算如下表所示：

表2-13结构变形计算表

层刚度Ui

剪力Vi层间位移AUihi0e

次卜

51081.656749981.6017.784500

16.18

41998.19679982.964500%522

32685.596749983.9813.224500X131

23143.866749984.669.244500%65

13366.257354014.584.585400X179

AU；1

由上表可知，结构层间相对位移「均小于」一，故其层间弹性位移满意要求。

hj550

4.水平地震作用下框架内力的计算（B轴）

图2-7B-B剖面图

底部剪力法计算出来的每层的地震剪力，依据每桶框架的刚度比值安排到每桶框架上，而每桶框架

的地震剪力按柱的刚度比值安排到每一根柱上，最终以反弯点法求结构的内力。现以KJ-C为例，其

内力的计算如下：

Vij=DijVi/EDij

Mbij=Vijyh

Muij=Vij(1-y)h

y=y0+yl+y2+y3

注：1.yO框架柱的标准反弯点高度比。

2.yl为上下层梁线刚度改变时反弯点高度比的修正值。

3.y2、y3为上下层层高改变时反弯点高度比的修正值。

4.y框架柱的反弯点高度比。

表2-14各层柱端弯矩及剪力计算表

了hi4£Dij边柱B-l

次(m(Kn)(DiViKYMbilMuil

治)

)((Kn(m((

/nm)))

54.51081.6749981026316.41.80.328.8745.16

655099

44.51998.6749981026330.31.80.461.5275.19

198095

34.52685.6749981026340.81.80.490.0393.70

593099

24.53143.6749981026347.81.80.5107.55107.55

860090

15.43366.7354011309059.91.80.6175.2794.37

252095

层hiV/EDij中柱B-3~6

(“nm)

次(m)(Kn)Di2Vi2KYMbi2Mui2

(/nm)

(Kn)(in)(KN(KN•m)

54.51081.656749981572524.484.8230.4549.5758.09

44.51998.196749981572545.224.8230.50101.7597.58

34.52685.596749981572560.774.8230.50136.73131.13

24.53143.866749981572571.144.8230.50160.06153.52

15.43366.257354011685377.144.8230.55190.92152.02

层hiV/£Dij边柱B-7

次(Kn)(九nDilKY(m)MbilMuil

m)(^/inm

)(KN•m(KN・m

)))

54.6749981181818.92.410.4235.8049.43

541

44.6749981181834.92.410.4773.9883.43

581

34.6749981181847.02.410.50105.810