四层框架结构设计计算书(毕业设计)剖析.doc

框架结构课程设计任务书一、设计题目某商业批发楼二、工程概况某商业批发楼为三层全现浇框架结构，建筑面积为1582m2。三、设计条件1、地质情况：地基土由素填土，砂砾石，弱风化基岩组成，第一层土为素填土，层厚1.51.7m，地基承载力标准值为120KN/m2，第二层为砂砾石，层厚8.58.8m，地基承载力标准值为250KN/m2，第三层为弱风化基岩，地基承载力标准值为350KN/m2，场地类别为类，场地地下15.00m深度范围内无可液化土层。地下水位标高为690m，水质对砼无侵蚀性。拟建场地地形平缓，地面绝对标高700.00m。2、抗震设防为：8度、0.2g、第一组。3、楼面活荷载标准值为3.5KN/m2。4、基本风压w00.60KN/m2（地面粗糙度属B类），基本雪压S00.8KN/m2（n50）。5、材料强度等级为：砼强度等级为C25，纵向钢筋为HRB335级，箍筋为HPB235级。6、屋面作法：（自上而下）SBS防水层（0.4KN/m2）,30厚细石砼找平（24KN/m3）,陶粒砼找坡（2%、7KN/m3）,125厚加气砼块保温（7KN/m3）,150厚现浇钢筋砼板（25KN/m3）,吊顶或粉底（0.4KN/m2）。7、楼面作法：（自上而下）水磨石地面（0.65KN/m2），150厚现浇钢筋砼板(25KN/m3)，吊顶或粉底（0.4KN/m2）。8、门窗作法：均采用铝合金门窗。9、墙体：外墙为250厚加气砼块，外贴面砖内抹灰；内墙为200厚加气砼块，两侧抹灰。10、室内外高差450mm，初定基础底面标高为-2m，初估基础高度为1m，底层柱高5.5m。四、设计内容1、 结构布置及截面尺寸初估；2、 荷载计算；3、 内力及侧移计算；4、 内力组合及内力调整；5、 截面设计。第二节框架结构课程设计指导书及实例一、设计资料规范：混凝土结构设计规范 GB500102002 简称砼设计规范建筑结构荷载规范 GB500092001简称荷载规范建筑结构抗震设计规范 GB500112001简称抗震规范 手册：静力计算手册 砼结构计算手册 抗震设计手册 图集：建筑抗震构造图集97G329（一）（九）二、结构方案（一） 结构体系考虑该建筑为商业批发楼，开间进深层高较大，根据抗震规范第 6.1.1条，框架结构体系选择大柱网布置方案。（二）结构抗震等级根据抗震规范第 6.1.2条，该全现浇框架结构处于8度设防区，总高度12.84m，因此属二级抗震。（三） 楼盖方案考虑本工程楼面荷载较大，对于防渗、抗震要求较高，为了符合适用、经济、美观的原则和增加结构的整体性及施工方便，采用整体式双向板交梁楼盖。（四）基础方案根据工程地质条件，考虑地基有较好的土质，地耐力高，采用柱下独立基础，并按抗震规范第6.1.14条设置基础系梁。三、结构布置及梁柱截面初估 1、结构布置 2、各梁柱截面尺寸初估：（1）框架梁根据抗震规范第6.3.1条，梁宽不小于200mm，梁高不大于4倍梁宽，梁净跨不小于4倍的梁高，又参考受弯构件连续梁 ，梁高h=（1/81/12）L，梁宽b=（1/21/3）h 。（2）框架柱根据抗震规范第6.3.6条，柱截面宽度b不小于300mm，柱净高与截面高度之比不宜小于4，抗震规范第6.3.7条，二级抗震等级框架柱轴压比限值为0.8 。 框架梁，柱截面尺寸板初估。KL h=（1/81/12）L=（825550）mm b=（1/21/3）h=(412275)mm故取梁截面尺寸（300×600）mm柱KZ N=1.25PkF=1.25×12×6.6×6×4=2376KN A=N/0.75fc=189700mm2故柱截面尺寸b×h=600×600mm板厚 h=(1/401/45) ×6000=150133mm故取板厚h=150mm框架梁的计算跨度以柱形心线为准，由于建筑轴线与柱形心线重合，而外墙面与柱外边线齐平，故轴，轴，A轴，C轴梁及填充墙均为偏心125mm，满足抗震规范6.1.5条规定。四、 荷载计算1、屋面荷载标准值SBS防水层 =0.40KN/m230厚细石砼找平层 24×0.03=0.72KN/m2陶粒砼并找坡 0.03+(0.03+0.02×7.8)/2×7=0.0.756KN/m2125厚加气砼块保温 7×0.125=0.875KN/m150厚现浇钢筋砼板 25×0.15=3.75KN/m2吊顶 =0.40KN/m2屋面恒载标准值小计 =6.91KN/m2屋面活荷载标准值雪荷 =0.80KN/m22、楼面荷载标准值：地板砖地面 =0.60KN/m2150厚现浇砼板 25×0.15=3.75KN/m2吊顶 =0.40KN/m2楼面恒载标准值 =4.75KN/m2楼面活载标准值 =4.50KN/m23、楼面自重标准值 包括梁侧、柱侧抹灰，有吊顶房间梁不包括抹灰。例： L1：b×h=0.3×0.6 净长 6m均布线荷载为25×0.3×0.6=4.5KN/m; 重量为4.5×6 =27KNZ1：b×h=0.6×0.6 净长4.2m;均布线荷载25×0.6×0.60.02×4=9.08KN/m;Z1重量为 4.2×9.08=38荷载汇集计算公式构件四层（屋面）1/2层高=2.1m荷载柱0.6×0.6×（2.1-0.6）×25×24+0.02×（0.64×2+0.6×2）×（2.1-0.6）×20×24359.7屋盖13.2×38×7.6513837梁5.4×0.3×（0.6-0.15）×25+0.4×15+3.4×0.3×（0.6-0.15）×25+0.4×6+6×0.3×(0.6-0.15) ×25+0.4 ×16683.1女儿墙0.9×0.1×（13.2+38）×2×25230.4墙0.25×2.1×（4×2+6×5）-0.6×8×2+(6.6×2-0.6×3)×2×7327.8可变荷载屋面可变荷载组合系数 0.5×0.8×13.2×38200.64G4359.7+3837+683.1+230.4+327.8+200.645638.6三层 二层层高4.2m柱0.6×0.6×（4.2-0.15）×25×24+0.02×（0.64×2+0.6×2）×（4.2-0.15）×20×24971屋盖13.2×38×5.52759.8梁5.4×0.3×（0.6-0.15）×25+0.4×15+3.4×0.3×（0.6-0.15）×25+0.4×6+6×0.3×(0.6-0.15) ×25+0.4 ×16683.1墙0.25×4.2×（4×2+6×5）-0.6×8×2+(6.6×2-0.6×3)×2×7655.6可变荷载屋面可变荷载组合系数0.5 13.2×38-(0.6×0.6×24)×4.5×0.51117.7G3G2971+2759.8+683.1+655.6+1117.76187.2一层 1/2层高=2.25柱0.6×0.6×（2.25+2.1-0.15）×25×24+0.02×（0.64×2+0.6×2）×（2.25+2.1-0.15）×20×241007.2屋盖13.2×38×5.52758.8梁5.4×0.3×（0.6-0.15）×25+0.4×15+3.4×0.3×（0.6-0.15）×25+0.4×6+6×0.3×(0.6-0.15) ×25+0.4 ×16683.1墙0.25×(2.25+2.1）×（4×2+6×5）-0.6×8×2+(6.6×2-0.6×3)×2×7679可变荷载屋面可变荷载组合系数0.5 13.2×38-(0.6×0.6×24)×4.5×0.51109G11007.2+2758.8+683.1+679+11096237总和G1+G2+G3+G4=5638.6+6187.2+6187.2+6237242504、墙体自重标准值外墙体均采用250厚加气砼块填充，内墙均采用200厚加气砼块填充。内墙抹灰，外墙贴面转，面荷载为：250厚加气砼墙： 7×0.25+17×0.02+0.5=2.59KN/m2200厚加气砼墙： 7×0.2+17×0.02×2=2.28JKN/m2240厚砖墙砌女儿墙： 18×0.24+17×0.02+0.5=5.16KN/m2五、内力及侧移计算一水平地震作用下框架的侧移计算1、 梁、柱的线刚度因本例采用现浇楼盖，在计算框架梁的截面惯性矩时，对边框架梁取I=1.5 I0I0为矩形梁的截面惯性矩；对中框架梁取I=2.0I0，采用C30混凝土，Ec=3.00×104N/mm2 C40混凝土 Ec=3.25×104N/mm2I0=bh3=×0.3×0.63=5.5×10-3m4Ib=2.0I0=2×5.4×103=10.8×103m4梁的线刚度为：Kb=ECIb/L=（3.25×104×10.8×103）/6.6=5.3×104KNm 横梁线刚度计算见表74。表7-4 横梁线刚度计算表梁号截 面b×h跨 度m砼标号惯性矩I0m4边框架梁中框架梁Ib=1.5I0Kb=EIb/LIb=2I0Kb=EIb/LKJL10.3×0.66C405.5×1038.25×1034.4×10411×1035.9×104KIL20.3×0.64C405.5×1038.25×1036.7×10411×10-38.9×1042柱的线刚度 柱的线刚度计算见表7-5。表7-5柱的线刚度表柱号截面 bh(m2)柱高(m)惯性矩Ic=bh3（m4）线刚度Kc(KNm)KZ10.6×0.64.5×0.6×0.63=10.8×10-36.05×10KZ20.6×0.64.2×0.6×0.63=10.8×10-38.3×102.横向框架柱侧向刚度横向框架柱侧向刚度计算见表76。表7-6 横向框架柱侧向刚度D值计算层柱类型一般层 (底层) 一般层(底层) (KN/M)根数二 三四层边框架边柱(4.4×2)/(2×8.3)=0.50.5/(2+0.5)=0.211.3×103 4边框架中柱(4×4.4)/(2×8.3)=1.061.06/（2+1.06）=0.34619.5×1032中框架边柱(2×5.9)/(2×8.3)=0.710.71/(2+0.71)=0.528.2×10312中框架中柱(4×5.9)/(2×8.3)=1.421.42/(2+1.42)=0.4280×1036D 902×103底层边框架边柱4.4×2/6.05=1.45(0.5+1.45)/(2+1.45)=0.5620×1034边框架中柱4.4×4/6.05=2.9(0.5+2.9)/(2+2.9)=0.6924×1032中框架边柱2×5.9/6.05=1.9(0. 5+1.9)/(2+1.9)=0.6121×10312中框架中柱4×5.9/6.05=3.9(0. 5+3.9)/(2+3.9)=0.7426×1036D 536×1033、横向框架自振周期按顶点位移法计算框架的自振周期式中: 考虑填充墙影响的周期调整系数,取 0.60.7,本工程中横墙较少取0.6 ；-框架的顶点位移。横向框架顶点位移的计算见表77。表7-7 横向框架顶点位移计算层次Gi(KN)GiD层间相对位移iGi/D4563956399.02×1050.0620.12336187118269.02×1050.0130.05826187180139.02×1050.0190.04516237242505.36×1050.0260.0264. 横向地震作用由抗震规范5.1.4条查得，在类场地，8度区，结构的特征周期Tg和地震影响系数为：（S） 因为 所以 因为，所以 n=0.顶部附加地震作用为：=0.12×0.85×32985=2473.5KN各质点的水平地震作用标准值、楼层地震作用、地震剪力及楼层间位移计算过程见表78。表中： 表7-8 、和的计算层次hi（m）Hi（m）GiGiHi（KNm）Fi（KN）vi（kn）Due（m）44.217.1563996426.9923.99923.999020000.00134.212.9618779812.3764.781688.779020000.00224.28.7618753826.9515.782204.559020000.00314.54.5623728066.5268.942473.495360000.00524250258132.62473.49横向框架各层水平地震作用地震剪力分布见图7-6。5、横向框架抗震变形验算首层 e=ue/hi=0.01/5.8=1/1160e=1/550层间相对位移的限制满足规范要求同理可进行纵向框架变形验算，在此略（二）水平地震作用下，横向框架的内力计算 以轴横向框架为例进行计算。在水平地震作用下，框架柱剪力及弯矩计算采用D值法，其计算结果见表79。表7-9 水平地震作用轴框架剪力及弯矩标准值柱号层次层高层间剪力Vi层间刚度Di各柱刚度 DimKyM下M上hA柱44.2933902000282000.031 28.92 0.710.4554.6566.834.21689902000282000.03152.36 0.710.4292.36127.5524.22205902000282000.031 68.36 0.710.47134.94152.1714.52473536000210000.03996.45 1.90.55238.71195.31B 柱44.2933902000800000.08882.1 1.420.45155.17189.6534.21689902000800000.088 148.631.420.45 280.9343.3424.22205902000800000.088 194.041.420.5407.48407.4814.52473536000260000.048118.73.90.55293.78240.37注：表中 Vik第I层第K号柱的剪力 y反弯点高度系数，y=y0+y1+y2+y3 ，y0、y1、y2、y3均查表求得，y值计算见表710。 M下-柱下端弯矩，M下=Vikyh M上-柱上端弯矩。M上= Vik（1-y）h表7-10 y值计算柱号层次Ky01Y12Y23Y3y40.710.4510-100.45边柱30.710.4210-100.4220.710.4710101.3100.4711.90.55-0.7640-0.5541.420.4510-100.45中柱31.420.4510-100.4521.420.510101.3100.513.90.55-0.7640-0.55表 7-11 地震力作用下框架梁端弯矩，剪力及柱轴力层次AB跨BC跨柱轴力L（m）M左(KNm)M右(KNmVb(KN)L（m）M左(KNm)M右(KNm)Vb （kN）NA（kN）NbNc（kN）46.668.543.215.456.649.558.2113.58-10.59016.4836.689.6660.422.746.660.489.6622.74-22.74022.7426.6201.414151.886.6140.9201.451.88-74.62074.6216.6319205.379.446.6205.331979.44-154.060154.06 注：轴力拉为，压为。（三） 恒载作用下的内力计算恒载作用下的内力计算采用弯矩二次分配法，由于框架梁上的分布荷载由矩形（gi）和梯形荷载（gi“）两部分组成，根据固端弯距相等的原则，先将梯形荷载化为等效均匀荷载，等效均匀的计算公式见静力计算手册。计算简图见图7-8。1.框架梁上梯形荷载化为等效均布荷载qid=(1-22+3)q; =a/L=4/6.6=0.455四层q3d=g3+（1-2×2+3）g3”=4.06+（1-2×0.4552+0.4553）×41.7=32.46KN/m三层q2d=g2+（1-2×2+3）g2”=4.06+（1-2×0.4552+0.4553）×28.8=23.64KN/m二层q2d=g2+（1-2×2+3）g2”=4.06+（1-2×0.4552+0.4553）×28.8=23.64KN/m一层q1d=g1+（1-2×2+3）g1”=23.64KN/m2、恒载作用下的杆端弯矩本工程框架结构对称，荷载对称，故可利用对称性进行计算。 (1)固定端弯矩的计算MFA3B3=- MFB3A3=-1/12q3dL2=-1/12×32.46×6.62=-117.83KNmMFA2B2=- MFB2A2=-1/12q2dL2=1/12×23.64×6.62=-85.81KNmMFA2B2=- MFB2A2=-1/12q2dL2=1/12×23.64×6.62=-85.81KNmMFA1B1=- MFB1A1= MFA2B2=-85.81KNm （2）分配系数： 分配系数计算见表7-12。 表7-12 分配系数 节点A3A2A1杆件A3A2A3B3A2A3A2B2A2A1A1A2A1B1A1A0Si=4i4×0.715=2.864×1=44×0.715=2.864×1=44×0.715=2.864×0.546=2.1864×1=44×0.546=2.186Si6.869.728.3720.4170.5830.2940.4110.2940.3160.4420.242（3） 杆端弯矩计算（计算过程见图7-9）（4） 恒载作用下的框架弯矩图欲求梁跨中弯矩，则需根据求得的支座弯矩和各跨的实际荷载分布（如图8a）按平衡条件计算，而不能按等效分布荷载计算简支梁：均布荷载下跨中弯距qL2/8=4.06×6.62/8=22.11KNm梯形荷载下跨中弯距qL2/24（3-42）=41.7×6.62(3-4×0.4552)/24=164.22KNm合计跨中弯距164.2222.11186.33KNm四层：MAB=-56.5×0.8=-45.44KNm; MBA=148.5×0.8=-118.8KNm跨中弯距186.33-（45.44+118.8）/2=186.33-82=104.33KNm同理：二、三层跨中弯距71.08KNm; 一层跨中弯距73.62KNm3 、梁端剪力计算恒载作用下梁端剪力计算过程见表713。表7-13 恒载作用下梁端剪力计算层次qdKN/MLMqdKNM/LKN总剪力KNVA=-M/LVB=+M/L432.466.6107.1211.1296118.24323.646.678.013.3274.6981.33223.646.678.013.3274.6981.33123.646.678.015.8872.1383.89注：b为柱截面高度4、柱轴力计算柱轴力计算见表7-14。表7-14 恒载作用下柱轴力计算柱号层次截面横梁剪力纵梁传来柱自重N柱轴力NA柱C柱4柱顶96112.6929.61208.69208.69柱底29.61238.33柱顶74.6994.9829.61189.57408柱底29.61437.582柱顶74.6994.9829.61169.67408柱底29.61437.581柱顶72.1394.9838.78167.11604.7柱底38.78643.47B柱4柱顶118.2×2=236.48147.3829.61383.86383.86柱底29.61413.473柱顶81.33×2=162.66108.6829.61271.34684.81柱底29.61714.422柱顶81.33×2=162.66108.6829.61271.34684.81柱底29.61714.421柱顶83.89×2=167.78108.6838.78276.46990.88柱底38.781029.66（四）活荷载作用下的内力计算1、活荷载作用下的弯矩计算因本工程为商业批发楼，活荷载分布比较均匀，所以活荷载不利分布考虑满布法，内力计算可采用弯矩二次分配法，但对梁跨中弯矩乘1.11.2的增大系数。（1）将框架梁上梯形荷载化为等效均匀活荷载四层： q3d=（1-22+3）q3=（1-2×0.4552+0.4553）×4.5=3.06KN/m一 二 三层: q1d=q2d=（1-22+3）q1=（1-2×0.4552+0.4552）21=14.28KN/m（2） 固端弯矩计算四层： MF=-q3dL2=-×3.06×6.62=-11.1KNm一 二 三 层：MF=-q1dL2=-×14.28×6.62=-14.28KNm（3）杆端弯矩计算杆端弯矩计算过程见图7-11。（4）.活荷载作用下的框架梁跨中弯矩计算；M4跨中=1.2-0.8*(5.85+10.98)/2+1/24×4.51×6.62×（3-4×0.45452）=11.94KNmM3跨中=1.2-0.8*(10.29+16.27)/2+1/24×21×6.62×（3-4×0.45452）=86.59KNmM2跨中=1.2-0.8*(10.29+16.27)/2+1/24×21×6.62×（3-4×0.45452）=86.59KNmM1跨中=1.2-0.8*(8.9+16.98)/2+1/24×21×6.62×（3-4×0.45452）=87KNm注:0.8*为弯距调幅系数。2、活荷载作用下的梁端剪力计算活荷载作用下的梁端剪力计算过程见表715。 表7-15 活荷载作用下剪力计算过程层次qd（KN/m）L（M）qL/2（KN）M/L（KN）剪力（KN）VA=qL/2-M/LVB左 =qL/2+M/L43.066.610.11.193/0.959.1511.29314.286.647.120.906/0.7346.3948214.286.647.120.906/0.7346.3948114.286.647.121.22/0.9846.1448.34注： 表内剪力按调幅前、后的大者取用。3、活荷载作用下柱轴力计算活荷载作用下A柱轴力计算见表7-16。表7-16 活荷载作用下A柱轴力计算表柱号层次截面横梁剪力纵梁传来柱重N（kN）柱轴力（KN）AC柱4柱顶9.156.75115.915.9柱底015.93柱顶46.3931.5077.8993.79柱底093.792柱顶46.3931.5077.8993.79柱底093.791柱顶46.1431.5077.64171.43柱底0171.43B柱4柱顶11.29×2=22.5813.5036.836.08柱底036.083柱顶48×2=96630159195.08柱底0195.082柱顶48×2=96630159195.08柱底0195.081柱顶48.34×2=96.68630159.68354.76柱底0354.76活荷载作用下的内力图见图712。六、内力组合及调整<一>框架梁的内力组合在恒载和活荷载作用下，跨间MMAX可近似取跨中的M代替。MMAX=qL2-（M左+M右）/2式中M左、M右-梁左右端弯矩。跨中M若小于ql2，应取M=ql2在竖向荷载与地震力组合时，跨间最大弯矩MGE采用数解法计算。如图713所示。图中：MGA，MGB-重力荷载下梁端的弯矩；MEA，MEB-水平地震作用下梁端弯矩；RA，RB-竖向荷载与地震荷载共同作用下的梁端反力。对RB作用点取矩，RA=qL/2-1/L（MGB- MGA+ MEA+ MEB）x处截面弯矩为：M=RAx-qx2/2-MGA+ MEA由dM/dx=0。可求得跨间MMAX的位置为x1=RA/q将X1代入任一截面x处的弯矩表达式，可求得跨间最大弯矩为MMAX=MGE=RA2/2q-MGA+MEA=qx2/2-MGA+MEA当右震时，公式中MEA、MEB反号。 MGE及x1的具体数值见表717。表7-17 MGE及Xi值计算跨层1.2（恒+0.5活）1.3地震qlRAXiMGEMGAKNmMGBKNmMEAKNmMEBKNmKN/MM左震KN右震KN左震M右震M左震KNm右震KNmA B457.34148.511678.5240.796.691.2150.42.2373.69161.3103.8368.597.67262183.236.946.650.1184.91.3555227.2131.4268.597.67262183.236.946.650.1184.91.3555227.2131.4155.6106.1415266.936.946.611217.50.2975.89360170.5注：当x1>L或x1<0时，表示最大弯矩发生在支座处，应取x1=L或x1=0，用M=RAx-qx2/2-MGA±MEA计算MGE；表中恒载和活荷载的组合，梁端弯距取调幅后的数值；表中q值按1.2（恒0.5活）计算。梁内力组合见表718。（二）框架柱内力组合框架柱取每层柱顶和柱底两个控制截面，A柱内力组合见表719。B柱内力组合见表720。表7-18 框架梁内力组合层次位置内力荷载类别竖荷组合竖向荷载与地震力组合恒载活载地震1.2+1.41.2（+0.5）±1.34A4右M-45.44-4.68±89.66-61.0832.32-147V968.922.74127.66143.2897.8B4左M-118.8-10.98±60.4-157.93-88.75-209.6V118.2411.2922.74157.69171.4125.92跨中MAB104.3311.94141.912161.28103.83A2右M-48.09-5.24±105.8-70.2585.74-182.65V8929.538.2159.72157.6484.51B2左M-85.77-12.5±82.98-128.25-58.24-248.55V94.2838.538.59160.58175.2587.26跨中MAB82.9557.64182.51205.47128.252A2右M-52.97-8.23±201.45-75.086132.95-269.95V74.6946.2151.88154.32169.2365.47B2左M-74.89-13±140.94-108.07-43.27-238.6V81.334851.88164.8178.374.52跨中MAB71.0886.59206.52227.23131.431A1右M-42.77-7.12±318.97-61.3263.37-374.57V72.1345.979.04150.8193.1435.06B1左M-81.59-13.58±205.3-116.9299.25-311.37V83.8948.3479.04168.34208.750.63跨中MAB73.6286.916210.03360170.5表7-19 A柱内力组合层次位置内力荷载类别竖向荷组合竖向荷载与地震力组合恒载活载地荷1.2+1.41.2（+0.5）±1.34柱顶M56.55.854±89