毕业设计多层钢筋混凝土框架结构设计.doc

结构设计计算一、设计题目本组结构设计题目为多层钢筋混凝土框架结构设计，框架柱平面布置图如图2所示(其中a=6000mm，b=3000mm，c=6000mm)。此钢筋混凝土框架结构的建筑层数为4层，每层层高为3.4m，建筑总高度13.6m。二、设计条件1）工程地质勘探资料地表填土为0.6m，填土下为2.5m厚的亚粘土层，承载力设计值为245KN/m2；再下层为1.8m中砂层，承载力设计值为320KN/m2；再往下为砾石层，承载力设计值为400KN/m2。不考虑地下水位的影响。冻土深度按照附表说明中实际建设区域的情况确定。2）气候条件云南大理市基本风压 0.45 kN/m23）结构设计资料1、工程情况抗震设防烈度按不小于7度设防，设计地震分组为第一组，建筑场地土类别为类，场地特征周期为0.35s，设计基本地震加速度值为0.10g。基本风压为W0=0.35kN/m2。地面粗糙程度为C类。2、设计标高室内设计标高±0.000，室内外高差0.450m。3、楼面做法40mm厚水磨石面层，20mm厚水泥砂浆找平层，80mm厚钢筋混凝土板，20mm 厚水泥砂浆板底抹灰。 4、屋面做法 20mm厚细石混凝土保护层，40厚C20细石混凝土刚性防水，三毡四油铺小石子柔性防水，聚苯乙烯板隔热层2%找坡，20mm厚1：3水泥砂浆找平层，80mm厚钢筋混凝土板，20mm厚1：3水泥细砂浆板底抹灰。5、墙体做法外墙和内墙采用实心砖。6、活荷载楼面2.5 kN/m2，走廊2.5 kN/m2，不上人屋面0.5 kN/m2。7、上部结构方案本工程采用现浇楼板，现浇框架承重体系。由于是空间的现浇框架，采用现浇楼板，荷载由板传到次梁，由次梁传给主梁，再由主梁将荷载传到柱上，最后传到基础上。8、下部结构方案该工程采用钢筋混凝土柱下独立基础，基础顶面到第一层楼板顶面的距离为5.20m。三、结构计算1、构件材料选用：混凝土：强度等级采用C45（f=21.1n/mm2，ft=1.80n/mm2）；钢筋：梁、柱纵向受力钢筋均采用HRB335，箍筋及其他用筋采用HPB235；2、构件截面初估：梁截面高度估算，尺寸见表2.1：表2.1 梁截面尺寸（mm）层次混凝土强度等级横梁纵梁C45300×400300×500柱截面尺寸可根据式估算，因为抗震烈度为7度，总高度，查表可知该框架结构的抗震等级为三级，其轴压比限值；各层的重力荷载代表值近似取12，由公式可得第一层柱截面面积为：边柱 中柱 取柱截面为正方形，根据上述计算结果并综合考虑其它因素，本设计框架柱截面尺寸取值均为。表2.2柱截面尺寸（mm）层次混凝土等级b×h14C45400×4003、框架结构计算简图框架结构计算简图如图2所示，取顶层柱的形心线作为框架柱的轴线；梁轴线取至板底，24层柱高度即为层高，取3.4m，底层柱高为5.2m。横向框架组成的空间结构纵向框架组成的空间结构4、框架侧移刚度的计算由于楼面板与框架梁的混凝土一起浇筑，对于中框架梁取，边框架I=梁线刚度计算过程见表一、二；柱线刚度计算见表三。一、 横梁线刚度i b的计算：类别Ec（N/mm2）b×h（mm×mm）I0（mm4）l（mm）EcI0/l（N·mm）1.5EcI0/l（N·mm）2EcI0/l（N·mm）AB跨、CD跨3.35×104300×4001.6×10960000.89×10101.34×10101.78×1010BC跨3.35×104300×4001.6×10930001.78×10102.67×10103.56×1010二、 纵梁线刚度i b的计算：类别Ec（N/mm2）b×h（mm×mm）I0（mm4）l（mm）EcI0/l（N·mm）1.5EcI0/l（N·mm）2EcI0/l（N·mm）17跨3.35×104300×5003.13×10960001.75×10102.63×10103.50×1010三、 柱线刚度i c的计算：I=bh3/12层次hc（mm）Ec（N/mm2）b×h（mm×mm）Ic（mm4）EcIc/hc（N·mm）2634003.35×104400×4002.14×1092.11×1010152003.35×104400×4002.14×1091.38×1010令：，则其它各杆件的相对线刚度为：（如图所示）四 荷载计算1、 竖向荷载作用（1） 恒荷载标准值计算1.屋面（不上人） 保护层：20mm厚细石混凝土保护层 防水层：（刚性）40厚C20细石混凝土 防水层：（柔性）三毡四油铺小石子 找平层：20mm厚1：3水泥砂浆找平层 找坡层：聚苯乙烯板隔热层2%找坡 结构层：80mm厚钢筋混凝土板 抹灰层：20mm厚1：3水泥细砂浆板底抹灰 合计 5.042. 各层楼面40mm厚水磨石面层 20×0.04=0.820mm厚水泥砂浆找平层 80mm厚钢筋混凝土板 20mm厚水泥砂浆板底抹灰 合计 3.54 3.梁类别净 跨（mm）截 面（mm）密 度（KN/m3）体 积（m3）数 量(根)单 重（KN）总 重（KN）横梁6000300×400250.7214182523300300×400250.4071070纵梁6000300×500250.92422.55404.柱类别计算高度（mm）截 面（mm）密 度（KN/m3）体 积（m3）数 量（根）单 重（KN）总 重（KN）标准层柱3400400×400250.552813.75385底层柱5200400×400250.832820.755815.横墙：AB跨、CD跨墙：墙厚240mm，计算长度6000-400=5600mm，计算高度3400-400=3000mm。单跨体积：0.24×5.6×3=4.032m3单跨重量：4.032×5.24=21.13KN数量：14总重：21.13×14=295.79KNBC跨墙：墙厚240mm，计算长度3300-400=2900mm，计算高度3400-400=3000mm。单跨体积：2.9×3×0.24=2.088m3单跨重量：2.088×5.24=10.94KN数量：2总重：10.94×2=21.88KN6.纵墙：墙后180mm单个体积：2.9×5.6×0.18=2.92 m3单个重量：2.92×5.24=15.32KN数量：24总重：15.32×24=367.62KN（2）屋面、楼面可变荷载标准值及基本风压不上人屋面均布荷载标准值 0.5 楼面活荷载标准值 2.5 走廊活荷载标准值 2.5屋面活荷载与雪荷载不同时考虑，两者取较大值。基本风压 0.7根据建筑结构荷载规范恒荷载分项系数取1.2，因楼面活荷载标准值大于4.0 kN /m²，其变异系数一般较小，此时从经济上考虑，活荷载分项系数取1.3。（3）竖向荷载作用下框架受荷总图1、 （）轴间框架梁屋面板传给梁的荷载（板传梯形或至梁上的三角形荷载可等效为均布荷载）： 恒载： 活载： 楼面板传给梁的荷载 恒载： 活载： 梁自重标准值： 3.00（）轴间框架梁均布荷载为：屋面梁：恒载=梁自重 + 板传荷载 = 3 + 18.9= 21.9 活载 = 板传活载 = 1.88楼面梁：恒载=梁自重 + 板传荷载 = 3 + 13.28= 16.28 活载 = 板传活载 = 18.752、 轴间框架梁屋面板传给梁的荷载 恒载： 活载： 楼面板传给梁的荷载 恒载： 活载： 梁自重标准值： 3轴间框架梁均布荷载为：屋面梁：恒载=梁自重 + 板传荷载 = 3 + 6.62= 9.62 活载 = 板传活载 = 0.66楼面梁：恒载=梁自重 + 板传荷载 = 3 + 4.65= 7.65 活载 = 板传活载 = 6.573、 A（D）轴框架柱纵向集中荷载的计算顶层柱：女儿墙自重：（做法：墙高900 mm，100 mm的混凝土压顶） 0.24×0.9×18+25×0.1×0.24+（1×2+0.24）×0.55.61 kN/m顶层柱恒载女儿墙自重+梁自重+板传荷载 5.61×6+3×（6-0.4）+6.62/2×670.32 kN 顶层柱活载板传活载 0.66/2×61.98kN15层柱恒载墙自重+梁自重+板传荷载 （21.13+15.32）/2+3×（6-0.4）+7.65/2×657.98kN 15层柱活载板传活载 6.57/2×619.71kN4、 B（C）轴框架柱纵向集中荷载的计算顶层柱恒载女儿墙自重+梁自重+板传荷载 5.61×3.3+3×（3.3-0.4）+6.62/2×3.334.50 kN 顶层柱活载板传活载 0.66/2×3.31.09kN15层柱恒载墙自重+梁自重+板传荷载 21.13+15.32/2+3×（3.3-0.4）+7.65/2×3.350.11kN 15层柱活载板传活载 6.57/2×3.310.84kN框架在竖向荷载作用下的受荷总图如图4.3所示（图中数据均为标准值,由于是对称结构，图中只标出一半，括号里为活荷载），由于A、D轴的纵梁中轴线与柱中轴线相交，故此A、D轴上的竖向荷载作用于柱轴心，框架柱轴心受压。图4.3 框架在竖向荷载作用下的受荷总图（4） 竖向荷载作用下框架的内力计算1、 恒载作用下的内力计算恒载为对称荷载，利用结构的对称性，取半榀框架进行计算，计算简图如图4.5所示，右端为定向支座。对于一端固定一端为定向支坐，在均布荷载作用下的杆端弯距为：（如图4.4所示）图4.4 有定向支坐杆端弯距 ，采用分层法计算，计算前对二层以上各柱线刚度乘以0.9的系数，二层以上各层柱弯距传递系数取为，荷载作用下的计算简图如图所示：将各计算单元的弯距图叠加，得出最后的弯距图图4.13所示（节点不平衡弯距较大时，再分配一次）；根据弯距与剪力的关系算出各杆件剪力，根据剪力与轴力的平衡，算出各柱的轴力，计算结果于表4.1所示。图4.13 竖向恒荷载作用下框架弯矩图表4.1 恒荷载作用下梁端剪力及柱轴力层次总剪力柱轴力AB跨BC跨A柱B柱VA=VBVB=VCN顶N底N顶N底665.715.87136.02149.77116.07129.82548.8412.62256.59270.34198.93212.68448.8412.62377.16390.91281.79295.54348.8412.62497.73511.48364.65378.4248.8412.62618.3632.05447.51461.26148.8412.62738.87759.62530.37551.122、 活载作用下的内力计算活荷载作用下的框架内力计算方法同恒荷载作用的计算方法，此处计算过程略。最后的弯距图图4.13所示（节点不平衡弯距较大时，再分配一次）；剪力、轴力计算结果于表4.2所示。图4.13 活荷载作用下的框架弯距图（单位KN·M）表4.2 活荷载作用下梁端剪力及柱轴力层次总剪力柱轴力AB跨BC跨A柱B柱VA=VBVB=VCN顶N底N顶N底65.641.097.6221.377.8221.57556.2510.8497.33111.0899.5113.25456.2510.84187.04200.79191.18204.93356.2510.84276.75290.5282.86296.61256.2510.84366.46380.21374.54388.29156.2510.84456.17476.92466.22486.972、 横向风荷载作用（1）风荷载标准值的计算基本风压o=0.70kN/；风载体型变化系数s=0.5；风振系数z=1.0（因H=20.85m<30m）；风载高度变化系数z按C类地区，查表可得结果见表2.5.1。表2.5.1 风荷载高度变化系数离地面高度(m)510152030Z0.740.740.740.841.00表2.5.2 柱顶风荷载标准值 层次H（m）A（M2） （kN/）（kN）61.00.520.850.840.7010.20.2943.0051.00.517.450.740.7020.40.2595.2841.00.514.050.740.7020.40.2595.2831.00.510.650.740.7020.40.2595.2821.00.57.250.740.7020.40.2595.2811.00.53.850.740.7021.750.2595.63一、 风荷载作用下结构计算简图（2）风荷载作用下的位移验算1、侧移刚度D的计算 计算结果见表4.4、4.5如下：（一榀框架）表4.4 横向26层D值的计算构件名称=A（D）轴柱0.306546B（C）轴柱0.5512001表4.5 横向底层D值的计算 构件名称= =A（D）轴柱0.507514B（C）轴柱0.6910370（3）风荷载作用下框架侧移计算水平荷载作用下框架的层间侧移可按下面公式计算：框架在风荷载作用下侧移的计算如下表4.6：表4.6 风荷载作用下框架楼层层间位移与层高之比计算层次（KN）（KN）(KN/m)/m/h63.003.00370940.000081/1200055.288.28370940.00021/450045.2813.56370940.00041/250035.2818.84370940.00051/200025.2824.12370940.00061/150015.6329.75357680.00081/1250侧移验算：风荷载作用下，框架结构楼层层间最大位移与层高之比的限值为：1/550。由上表4.6可见，本框架层间最大位移与层高之比在底层，为1/1250。满足：1/1250 1/550。满足规范要求。（4）风荷载作用下框架的内力计算框架柱端剪力及弯矩分别采用公式各柱反弯点高度比y按式确定为框架柱标准反弯点高度比为上下层梁线刚度变化时反弯点高度比的修正值、为上下层层高变化时反弯点高度比的修正值底层考虑修正值，二层考虑修正值，其余柱均无修正，具体计算过程见表表2.5.12 各层柱端弯矩及剪力计算层次/m/kN/(N/mm)边柱63.43.003709465460.5290.850.320.571.2253.48.283709465461.460.850.401.992.9843.413.563709465462.390.850.453.664.4733.418.843709465463.320.850.455.096.2223.424.123709465464.260.850.516.228.2515.229.753576875146.250.960.7121.7710.72层次/m/kN/(N/mm)中柱63.43.0037094120010.972.400.471.551.7553.48.2837094120012.682.400.504.554.5543.413.5637094120014.392.400.527.767.1633.418.8437094120016.102.400.5511.409.3323.424.1237094120017.802.400.5514.5911.9415.229.7535768103708.632.720.6026.9117.94梁端弯矩，剪力按柱轴力。表2.5.10 梁端弯矩、剪力及柱轴力计算层次AB跨（CD跨）梁BC跨梁柱轴力边柱中柱61.220.8160.340.940.943.30.57-0.34-0.2353.552.3760.993.743.743.32.27-1.32-1.5146.464.3161.797.417.413.34.49-3.12-4.2039.886.5962.7410.5010.503.36.36-5.86-7.82213.348.8963.7114.4414.443.38.75-9.57-12.87116.9411.2964.7121.2421.243.312.87-14.27-21.033、 水平地震作用1重力荷载代表值的计算 屋面处的重力荷载代表值 = 结构和构配件自重标准值 + 0.5雪荷载标准值楼面处的重力荷载代表值 = 结构和构配件自重标准值 + 0.5楼面活荷载标准值其中结构和构配件自重取楼面上、下各半层层高范围内（屋面处取顶层一半）的结构和构配件自重（1）、屋面处的重力荷载代表值的计算： （2）、其余各层楼面处的重力荷载代表值的计算： （3）、底层楼面处的重力荷载代表值的计算： （4）、屋顶雪荷载标准值的计算：（5）、楼面活荷载标准值的计算：（6）、底层楼面处的重力荷载代表值的计算：（计算简图如图所示）屋面处： = 屋面处结构和构配件自重 + 0.5雪荷载标准值 = 5154.58 + 0.5×285.74 = 5297.45标准层楼面处： = 楼面处结构和构配件自重 + 0.5活荷载标准值 = 4597.46 + 0.5×2857.4 = 6026.12顶层楼面处： = 楼面处结构和构配件自重 + 0.5活荷载标准值 = 4698.26 + 0.5×2857.4 = 6126.962地震作用下框架结构内力（1）、结构的基本自振周期 表2.5.6 结构自震周期计算层次（kN）（kN）D i（N/mm）(m)(m)65297.455297.45370940.14283.331856026.1211323.57370940.30533.189046026.1217349.69370940.46772.883736026.1223375.81370940.63012.416026026.1229401.93370940.79261.785916126.9635528.89357680.99330.9933按顶点位移计算，考虑填充墙对框架刚度的影响，取基本周期调整系数=0.6,计算公式为=,式中为顶点位移（单位为m）（2）、水平地震作用下位移验算：（框架楼层层间位移计算结果见表4.10）设防烈度按7度考虑，设计地震分组为第一组，场地土为类，查表得：特征周期Tg=0.35s ，水平地震影响系数最大值。 Tg< T1 <5Tg则： 1.4 Tg = 0.49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为：一榀框架结构总水平地震作用标准值为：由：，可得一榀各层水平地震作用标准值为： 同理可算得:、 、故顶层水平地震作用为： + = 14.51+116.44=130.95KN表4.10 水平地震作用下框架楼层层间位移计算表层次Hi（m）Fi（KN）Vi （KN）622.2116.44116.44370940.00307518.829.88146.32370940.00386415.437.50183.82370940.0048531239.37223.19370940.0058928.635.49258.68370940.0069715.226.36285.04357680.00797楼层最大位移与楼层高之比：满足位移要求。（4）、水平地震作用下框架内力计算：（还是以2轴线一榀框架进行内力计算，水平地震作用下框架结构内力计算过程与风荷载作用下的相同）框架柱端剪力及弯矩按式: ； ； 各柱反弯点高度比， 本设计中底层柱需考虑修正值y2，第二层柱需考虑修正值y3，其余柱均无修正。由所求的查表可知： =0、=0。 柱端弯距及剪力计算结果见表4.11,由于结构对称，表中只算出A轴柱和B轴柱柱端剪力和弯距，弯距C轴柱同B大小相同，D轴柱同A大小相同。表2.5.12 各层柱端弯矩及剪力计算层次/m/kN/(N/mm)边柱63.4116.4437094654620.550.850.3222.3647.5153.4146.3237094654625.820.850.4035.1252.6843.4183.8237094654632.440.850.4549.6360.6633.4223.1937094654639.390.850.4560.2673.6523.4258.6837094654645.650.850.5179.1676.0515.2285.0435768751459.880.960.71221.0890.30层次/m/kN/(N/mm)中柱63.4116.44370941200137.672.400.4760.2067.8853.4146.32370941200147.342.400.5080.4880.4843.4183.82370941200159.472.400.52105.1597.0633.4223.19370941200172.212.400.55135.03110.4823.4258.68370941200183.692.400.55156.50128.0515.2285.04357681037082.642.720.60257.84171.89梁端弯矩，剪力按柱轴力。表2.5.10 梁端弯矩、剪力及柱轴力计算层次AB跨（CD跨）梁BC跨梁柱轴力边柱中柱647.5131.67613.2036.2136.213.321.95-13.20-8.75575.0350.02620.8490.6590.653.354.94-34.04-42.85495.7863.85626.60113.68113.683.368.90-60.64-85.143123.2882.19634.25133.43133.433.380.87-94.89-131.772136.3190.88637.86172.20172.203.3104.36-132.75-198.271169.46112.97647.07215.42215.423.3130.56-179.82-281.75五 横向框架内力组合本结构的抗震等级根据结构类型、地震烈度、房屋高度等因素查表得，本住宅框架结构为三级抗震。按照框架结构合理的破坏形式，在梁端出现塑性铰是允许的，为了便于浇捣混凝土，也往往希望节点区的负钢筋放少些，因而在进行框架结构设计时，一般均对梁端弯矩进行调幅，对于现浇框架，调幅系数一般取0.70.8，本设计中取0.8。梁端弯矩调幅计算过程如表2.5.16表2.5.16梁端弯矩调幅表层次恒载调幅前恒载调幅后活载调幅前活载调幅后6A-43.26-34.608-7.91-6.328B左-64.63-51.704-6.72-5.376B右-40.92-32.736-1.02-0.8165A-44.93-35.944-46.18-36.944B左-49.3-39.44-55.01-44.008B右-20.51-16.408-26.12-20.8964A-42.19-33.752-48.66-38.928B左-48.66-38.928-55.89-44.712B右-21.8-17.44-24.36-19.4883A-42.19-33.752-48.66-38.928B左-48.66-38.928-55.89-44.712B右-21.8-17.44-24.36-19.4882A-42.54-34.032-49.07-39.256B左-48.58-38.864-55.8-44.64B右-21.94-17.552-24.53-19.6241A-38.56-30.848-44.49-35.592B左-46.21-36.968-53-42.4B右-14.05-11.24-15.28-12.224梁端调幅后，在相应荷载作用下的跨中弯矩必将增加，这时应根据静力平衡条件求跨中弯矩。,且/2调幅后梁跨中弯矩；简支梁作用下跨中弯矩；,调幅后梁支座弯矩。注意：我国有关规范规定，弯矩调幅只对竖向荷载（包括恒载和活载）作用下的内力进行，且在内力组合前进行。1）AB跨中弯矩：（计算简图见前面）恒荷载：顶层：=98.55kN.m kN.m中间层：=73.26kN.m 五层： kN.m三、四层： kN.m二层： kN.m一层： kN.m活荷载：顶层： =8.46kN.m kN.m中间层：=84.38 kN.m 五层： kN.m三、四层： kN.m二层： kN.m一层： kN.m2）BC跨跨中弯矩 恒载下：M=1/8×9.62×3.3=13.10kN.m 六层： -32.74+13.10=-19.64kN.m恒载下：M=1/8×7.65×3.3=10.41kN.m五层： -16.41+10.41=-6.00kN.m三、四层：-17.44+10.41=-7.03kN.m二层： -17.55+10.41=-7.14kN.m一层： -11.24+10.41=-0.83kN.m活载下：M=1/8×0.66×3.3=0.90kN.m 六层： -0.82+0.90=0.08kN.m活载下：M=1/8×6.57×3.3=8.94kN.m五层： -20.90+8.94=-11.96kN.m三、四层：-19.49+8.94=-10.55kN.m二层： -19.62+8.94=-10.68kN.m一层： -12.22+8.94=-3.28kN.m表2.5.17 框架梁内力组合表表2.5.18 框架柱边柱（A、D轴柱）内力组合表表2.5.19 框架柱中柱（B、C轴柱）内力组合表表2.5.20 柱剪力组合柱端弯矩设计值的调整：1、A柱：第6层，按抗震规范，无需调整。第5层，柱顶轴压比uN = N/Ac fc=444.17×103/21.1/4002=0.13<0.15，无需调整。 柱底轴压比uN = N/Ac fc=479.92×103/21.1/4002=0.14<0.15，无需调整。 第4层，柱顶轴压比uN = N/Ac fc=714.45×103/21.1/4002=0.212>0.15。 可知，一、二、三、四层柱端组合的弯矩设计值应符合下式要求： Mc=cMb 注：Mc为节点上下柱端截面顺时针或逆时针方向组合的弯矩设计值之和，上下柱端的弯矩设计值可按弹性分析分配。 Mb为节点左右梁端截面顺时针或逆时针方向组合的弯矩设计值之和。 c柱端弯矩增大系数，取1.1。2、B柱：第6层，