教学实验楼框架结构设计.doc

1、教学实验楼框架结构设计1. 工程概况工程名称：建筑用地面积： 725.76 建筑面积： 3792.05 m 2建筑层数：五层层高：地上一层层高3.6m，标准层层高 3.6m。建筑总高度： 18.0m建筑形状：一字形结构形式：框架结构体系场地情况：场地平坦、无障碍物。地质情况：地基土为粘性土为主，建筑场地类别为类，容许承载力f k=180kPa。基本雪压： 0.45kN/m2。基本风压： 0.40kN/m2。地震烈度：按7 度近震设防。设计基本地震加速度为0.2g ，建筑场地类别为，类 ，设计地震分组为第一组。建筑耐火等级：二级。建筑耐久年限： 50 年。建筑物重要性类别：丙类，安全等级为二级。

2、2. 结构布置与计算简图2.1 结构选型采用现浇钢筋混凝土框架结构体系。基础采用柱下条形基础。2.2 结构布置结合建筑的平面立面和剖面布置情况，结构平面布置如图1；根据结构布置，本建筑平面除走廊板区格为单向板外，其余均为双向板。双向板的板厚 hl/50(l为双向板的短向计算跨度) 。本建筑楼面板和屋面板的厚度均取 120mm。本建筑的材料选用如下：混凝土 C30（f C=14.3MPa ，Ec=3.0104 MPa）钢筋：纵向受力筋采用HRB335级钢筋，其余采用HPB235级钢筋墙体：蒸压粉煤灰加气混凝土砌块。窗：铝合金窗门：木门图 1 框架的计算单元2.3 框架计算简图及梁柱线刚度本结构是

3、三维空间的。但由于建筑结构的质量、刚度都比较均匀，故选用一榀框架进行计算与配筋，其余框架可参照此框架进行配筋。现以轴线为例进行计算。2.3.1 梁柱截面尺寸估算框架梁： h / l6900/8 6900/12 900 600, mmh，b=h/2=300mm.取梁尺寸： =600mm框架柱：建筑总高度按18.60m 算，小于 30m的现浇框架结构，设防烈度 7 度近震，查抗震设计规，该框架为三级抗震，最大轴压比0.9。假定采用 C30混凝土，查得fc14.3N / mm2 ，假定每平方米荷载为 14kN/m2，则柱子最大轴压力N=1.25 147.2 4.2 5=2646kN.则柱子轴压比即b

4、hN2646000205594.4 mm2fc14.3 0.9取柱子截面形状为正方形。即b=h453.4mm。为了简化施工，各柱截面从底层到顶层不改变，即取柱子尺寸为 500mm500mm。 2.3.2 确定框架计算简图（ KJ-7 ）框架的计算单元如图1-1 所示。假定框架柱嵌固与基础顶面，框架梁与柱刚接。由于各层柱截面尺寸都不变，故梁跨取柱截面形心线间距离。底层柱高从基础顶面算至二层楼面。室外高差为0.45m，基础顶面至室外地坪取为0.5m，故底层柱高取 3.6m+0.45+0.5m=4.55m，其余各层柱高均为3.6m。由此框架的计算简图如图2 所示。2.3.3 框架梁柱的线刚度计算混凝

5、土 C30，EC 303.0104N / mm23.010 7 kN / m 2，现浇框架结构梁惯性矩中框架梁 I2I 0 ，线刚度 iEI/ l左跨梁： iEI / l3.010710.30(0.6)3/6 5.4104kN m左跨梁212图 2计算简图及相对线刚度中跨梁： i 中跨梁 EI / l3.0 107210.30(0.6) 3 / 2.413.5104 kNm右跨梁： i 右跨梁 i12左跨梁EI / h3.01071(0.5)4 / 4.553.410 4 kNmAB轴底层柱： i 底层柱12EI / h3.01071(0.5) 4 / 3.64.3104 kN mAB轴其余层

6、柱： i 其余层柱12令余柱线刚度为1.0 ，则其余各杆件的相对线刚度为：ii左跨梁5.4104 /(4.3104 )1.25中跨梁13.510 4 /(4.3104 )3.14i 底柱3.4104 /(4.3104 )0.79框架梁柱的相对线刚度如图 （2）所示，作为计算各节点杆端弯矩分配系数的依据。3. 荷载计算便于力组合，荷载计算宜按标准值计算3.1 恒载标准值计算屋面 :三毡四油 ,铺绿豆砂刷冷底子油一道石油沥青卷材防水屋面 20厚1:2.5 水泥砂浆找平层 2.26 kN/m2 不上人 ?有保温层20厚( 最薄处 )1:8 水泥加气混凝土碎渣找2%坡干铺 100厚加气混凝土砌块结构层

7、：120 厚现浇钢筋混凝土板0.1232m25KN/m=3.0KN/m抹灰层：20 厚混合砂浆0.0232m17KN/m=0.34KN/m合计=5.6kN/m2标准层楼面、各层走廊楼面12厚1:2 水泥石子磨光素水泥浆结合层一遍0.65kN / m2水磨石地面18厚1:3 水泥砂浆找平层素水泥浆结合层一遍结构层：120 厚现浇钢筋混凝土板0.1232m25KN/m=3.0 kN/m抹灰层：20 厚混合砂浆0.0232m17KN/m=0.34kN/m合计3.99kN/m2梁自重bh=300mm600mm自重250.3 (0.6 -0.12)=3.6kN/m抹灰层：20厚混合砂浆0.02(0.6

8、- 0.12) 217=0. 33kN/m合计3.93kN/mbh=250mm 500mm自重250. 25(0. 5-0.12)=2.38KN/m抹灰层20厚混合砂浆0.02(0. 5- 0.12) 17=0. 26KN/m合计2.64kN/mbh=200mm 400mm自重250. 2(0. 4-0.12)=1.4kN/m抹灰层 20厚混合砂浆0.02 (0. 4- 0.12) 217 =0. 19kN/m合计1.59kN/m柱自重bh=500mm500mm自重250.5 0.5=6.25 kN/m抹灰层： 20 厚混合砂浆0.020.5 417=0. 68kN/m合计6.93kN/m外纵

9、墙自重标准层：纵墙0.90.25 5.5=1.24kN/m铝合金窗0.4 2.1=0.84kN/m外墙面贴瓷砖(3.6-2.1 ) 0.5=0. 75kN/m墙面 20mm厚混合砂浆抹灰0.02 (3.6 -2.1 ) 17=0.65kN/m合计3.34kN/m底层：纵墙(4.55-2.1-0.6) 0.25 5.5=2.4kN/m铝合金窗0.4 2.1=0.84kN/m外墙面贴瓷砖(4.55-2.1-0.5-0.6) 0.5=0. 68kN/m墙面 20mm厚混合砂浆抹灰0.02 (3.6 -2.1 ) 17=0.51kN/m合计4.44kN/m外横墙自重标准层：横墙(3.6- 0.6) 0

10、.2 55.5=4.13kN/m外墙面贴瓷砖0.5 3.6=1.8 kN/m墙面20mm厚混合砂浆抹灰0.02 3.6 17=1.3kN/m合计7.15kN/m底层：横墙(4.55-0.6) 0.2 55.5=5.5kN/m外墙面贴瓷砖0.5 (4.55 -0.5-0.6)=1.73 kN/m墙面20mm厚混合砂浆抹灰0.02 3. 6 17=1.3kN/m合计8.53kN/m横墙自重标准层横墙墙面合计20mm厚抹灰(3.6-0.6) 0.2 5.5=3.3kN/m(3.6- 0.6) 0. 022 17=2.04kN/m5.34kN/m底层：横墙(4.55-0.6) 0.2 5.5=4.4k

11、N/m墙面 20mm厚抹灰(3.6- 0.7) 0. 022 17=2.04kN/m合计6.44kN/m女儿墙自重 (100mm的混凝土压顶 )自重0.250.5 5.5+25 0.25 0.1=1.45kN/m顶面0.520.13kN/m外墙面贴瓷砖0.5 25=0.6=0.6 kN/m2.18kN/m3.2 活荷载标准值计算屋面活荷载标准值不上人屋面0.5 kN/m2楼面活荷载标准值走廊2.5 kN/m2办公室2.0 kN/m2r 1.0雪荷载So=0.45kN/m2Skr SO1.00.450.45kN / m屋面活荷载与雪荷载不同时考虑两者中取大值3.3 竖向荷载下框架受荷载图图 3

12、板传荷载示意图确定板传递给梁的荷载时 , 一个区格板一个区格板地考虑 . 确定每个区格板的荷载传递时 , 先区分板是单向板还是双向板 . 若为单向板 , 沿板的短跨方向作中线 , 将板上的荷载平均分给两长边的梁 ; 若为双向板计算，从四角出 45o 平分线，区格板被分为四个小块，每小块荷载传给与之相邻的的梁，见板传荷示意图。板传至梁上的三角形或梯形荷载等效为均布荷载。A-B 轴间框架梁屋面恒载： 2 5.6 1.8 1 - 2（ 1.8/6.0） 2+（ 1.8/6.0） 3=17.08kN/m活载： 0.5 1.8 21 - 2（ 1.8/6.0） 2+（ 1.8/6.0） 3=1.52 k

13、N/m楼面板传给梁的荷载恒载： 23. 991.8 1 - 2（ 1.8/6.0） 2+（1.8/6.0） 3=12.2kN/m活载： 2.0 1.8 21 - 2（ 1.8/6.0） 2+（ 1.8/6.0） 3=6.10 KN/m横梁自重标准值： 3.93kN/mA-B 轴间框架梁均布荷载为屋面梁恒载：梁自重 +板传荷载 =3.93kN/m+17.08kN/m =21.01kN/m活载：板传荷载 =1.52KN/m楼面梁恒载：梁自重 +板传荷载 +墙体重 =3.93kN/m+12.2kN/m+5.34 kN/m =21.47kN/m 活载：板传荷载 =6.10kN/mB-C 轴间框架梁由于

14、 B-C 轴间板为单向板 , 故板传荷载为零 .则 B-C 轴间框架梁均布荷载为：屋面梁恒载：梁自重 +板传荷载 =3.93+0 =3.93kN/m活载：板传荷载 =0kN/m楼面梁恒载：梁自重 +板传荷载 =4.67+5.73 =10.40KN/m活载：板传荷载 =0kN/mC-D 轴间框架梁 ( 完全同 A-B 轴间框架梁 )A 轴柱纵向集中荷载的计算顶层柱女儿墙自重2.18kN/m顶层柱恒载 =女儿墙自重 +梁自重 +板传荷载=2.18 7.2+ （ 7.2-0.5 ） 3.93+17.08 6.0/4+5.6 1.8 5/8 （ 3.6+3.6 ）/2+2.64 6.0 2/4=98.

15、26kN顶层柱活载 =板传活载 =1.52 6.0/4+0.5 1.8 5/8 （ 3.6+3.6 ） /2=4.31kN 标准层柱恒载 =墙自重 +梁自重 +板传荷载=3.4 3(7.2 -0.5)+3.93 (7.2 -0.5)+12.2 6.0/4+3.99 1.8 5/8 （3.6+3.6 ） /2+(2.64+5.34)62/4=107.11kN标准层活载 =板传活载 =6.1 6.0/4+21.85/8（3.6+3.6 ）/2=17.25kNB 轴柱纵向集中荷载的计算顶层柱恒载 =梁自重 +板传荷载=3.93 (7.2 -0.5)+17.086.0/4+5.61.85/8（3.6+

16、3.6 ）/2+5.63.61.22/2+2.646.02/4=94.65 kN顶层柱活载 =板传活载 =1.52 6.0/4+0.5 1.8 5/8（3.6+3.6 ）/2+0.53.61.22/2=6.47kN标准层柱恒载 =墙自重 +梁自重 +板传荷载=5.34 (7.2 -0.5)+3.93(7.2 -0.5)+12.26.0/4+3.99 1.8 5/8 （3.6+3.6 ）/2+(2.64+5.34)62/4+3.993.61.2=137.75kN标准层柱活载 =板传活载=6.1 6.0/4+21.8 5/8（3.6+3.6 ）/2+2.5 3.6 1.2=28.05kNC 轴柱纵

17、向集中荷载的计算( 同 B 轴柱纵向集中荷载的计算)D 轴柱纵向集中荷载的计算( 同 B 轴柱纵向集中荷载的计算)4 水平地震作用下力计算该建筑物高度为 18.6m40m，以剪切变形为主，且质量和刚度沿高度分布比较均匀，故可采用底部剪力法计算水平地震作用。4.1 重力荷载代表值计算屋面重力荷载代表值 =屋面上下半层围结构或构件自重标准值+0.5 雪载标准值；楼面重力荷载代表值 =楼面上下半层围结构或构件自重标准值+0.5 活载标准值；其中，结构和构配件自重取楼面上、下各半层层高围的结构及构配件自重( 屋面处取顶层的一半 ) 。4.1.1屋面处的重力荷载标准值的计算女儿墙的重力荷载代表值的计算

18、282.53kN女儿墙 2.18G(50.4 14.4) 2G梁250.3 (0.60.12)6.0 0.5162.40.58250.3 (0.60.12)屋面板结构层自重标准值： 5.6 4247.1kNG屋面0.5(50.9 14.9)(0.50.12)6147.228250.251246.38 kN顶层的墙重：G墙13.347.2 0.51415.347.20.51317.15 60.5422217.152.40.5215.3460.51215.34615.347.20.322242740.18kNG顶层G女儿墙G 屋面板G 梁G 柱G 墙282.534247.11246.38483.8

19、4740.187000.03kN4.1.2 其余各层楼面处重力荷载标准值计算G 墙740.1815.34 6 7 852.32 kN2G 楼面板3.9950.9 14.93026.06kNG 梁250.3(0.60.12)6.00.5162.4 0.5 87.2 0.5 28250.25(0.50.12)614250.2(0.40.12)(7.20.3)1256.04 kNG柱250.50.53.60.12321002.24kNG标准层G墙G楼板G梁G柱=3026.06+1256.04+1002.24+852.32=6136.67kN4.1.3 底层楼面处重力荷载标准值计算图 4竖向受荷总图注

20、： 1、图中梁端各值单位为kN；梁跨中各值单位为kN/m；2、图中数值均为标准值G墙（ 3.6/2+4.55/2-0.6）852.32=987.27k N（3.6 0.6）G楼板3026.06kNG梁1256.04kN3.64.550.12G柱1002.24 23.621139.04kN0.12G底层G墙G楼板G梁G柱=987.27+3026.06+1256.04+1139.04=6408.4kN4.1.4 屋顶雪荷载标准值计算Q 雪q雪s0.45 (50.9 14.9)341.28kN4.1.5 楼面活载标准值计算Q 楼面 q教室 s教室 q走廊 s走廊=2.0（ 50.912.5 ）+2.

21、5（50.92.4 ）=1577.9kN4.1.6 总重力荷载代表的计算G屋面处结构和构件自重+0.5雪荷载标准值屋面处：EW=7170.67kN楼面处：G Ei楼面处结构和构件自重+0.5活荷载标准值=6136.67+0.51577.9=6925.62kN底层楼面处：G Ei 楼面处结构和构件自重 +0.5 活荷载标准值=6408.4+0.51577.9=7197.35kN4.2 框架柱抗侧刚度D 和结构基本自振周期计算4.2.1 横向 D 值的计算表 1横向 2-5 层 D值的计算构件名称ibciD 12 c ic / h2 ( kN / m)i(2i)2icA、D轴柱25.41041.2

22、50.38515328（16 个）25.4104B、C轴 柱2(5.410413.5 104)0.68727352（16 个）24.31044.39D153282735216682880kN表 2 横向底层D值的计算构件名称ib / 2ic(i0.5)2iD 12cic / h(kN / m)ci )(2A、D轴柱5.41041.590.58211470（16 个）3.4104B、C轴 柱(5.4413.540.801157861010 )5.56（16 个）3.4104D114701578616436096 kN4.2.2 结构基本自振周期计算结构基本自振周期计算方法有多种，下面分别用假想定

23、点位移法、能量法和经验公式进行计算用假想定点位移U T 计算结构基本自振周期计算公式为： T1 =1.7TU T列下表计算假想点位移表 3层次Gi (kN )Gi (kN )D (kN / m)im57170.677170.676828800.01050.183446925.6214096.296828800.02060.172936925.6221021.916828800.03080.152326925.6227947.536828800.04090.121517197.3535144.884360960.08060.0806结构基本自振周期考虑非结构墙影响折减系数T0.6 ，则结构的基本

24、自振周期为： T1 =1.7TU T =1.70.60.1834 =0.44 S4.3水平地震作用计算（多遇）由于该工程所在地区抗震设防烈度为7 度近震设防， 场地类别为 II类，0.15g 为设计基本地震加速度，设计地震分组为第一组，由表知，水平地震影响系数最大值max0.12(多遇），特征周期 Tg0.35s 。等效重力荷载Geq0.8535144.88 29873.15kN由于 Tg T1 5Tg 故1 (Tg / T1)2 max式中：衰减指数，在 TgT15Tg 的区间取 0.9 ，2 阻尼调整系数，除有专门规定外，建筑结构的阻尼比应取0.05 ，相应的 2=1.0。Tg0.90.9

25、纵向地震影响系数：0.350.0921T1max0.120.44T10.44s 1.4Tg0.49 s所以，不需要考虑顶部附加水平地震作用的影响；附加水平地震作用系数：n 0对于多质点体系 , 结构底部总纵向水平地震作用标准值:图 5楼层水平地震作用标准值FEK1Geq0.1190735636.744243.27kN附加顶部集中力：Fnn FEK 0FEK0FiGi H iFEK1nGi H iFEKnnG j H jG j H jj1j1质点 i 的水平地震作用标准值，楼层地震剪力及楼层层间位移的计算过程见下表：表 4层次Gi (kN )H i mGi H iGi H iFi (kN )Vi

26、 ( kN )Di (m)57170.6718.95135884.2412760.3905.17905.176828800.001346925.6215.35106308.3412760.3708.151613.326828800.0023636925.6211.7581376.1412760.3542.072155.396828800.0031626925.628.1556443.8412760.3375.992531.386828800.0037117197.354.5532747.9412760.3218.442749.524360960.00631楼层最大位移与楼层层高比：i0.006

27、311所以，满足要求。h4.551/ 5507214.4 地震力作用下框架力计算( 以左震为例 )水平地震作用下，框架柱剪力、柱端弯矩计算采用D 值法，计算过程见表5、6、表 7、表 8。其中 , 反弯点相对高度值在表中求得框架分析原则为取隔离体，平衡分析。如取梁，节点等。框架杆端弯矩、轴力，梁端弯矩、剪力按下式计算：M c上Vim（1y) hM c下Vim yh中柱ib左( M c下j 1M c上 j )M b左ji b左i b右M b右 ji b右(M c下j 1M 上)注：左边式子中的量值有正jib左ib右c负边柱M b总jM c下j 1M c上j之分，要根据所取隔离体分析。Vb( M

28、b左M b右 ) / lnN cVC左 bVC右b ) ij i表 5 A(D) 轴框架柱反弯点位置层号h/m_y0y1y 2y3yi53.61.250.360000.3643.61.250.410000.4133.61.250.460000.4623.61.250.51000.0160.5314.551.590.6600.004400.66表 6 B(C)轴框架柱反弯点位置层号h/m_y 0y1y2y3yi53.64.390.450000.4543.64.390.450000.4533.64.390.450000.4523.64.390.450000.4514.555.560.550000.

29、55表 7 横向水平地震荷载作用下A(D) 轴框架柱剪力和柱端弯矩的计算层号Vi ( kN )DDimDim / D Vim ( kN )y(m) M C上（ kN gm）M C下（ kN gm）5905.17682880153280.02220.320.3646.8226.3341613.32682880153280.02236.210.4176.9153.4532155.39682880153280.02248.380.4694.0580.1222531.38682880153280.02256.820.5396.14108.4112749.52436096114700.02672.320

30、.6688.52171.83表 8横向水平地震荷载作用下中柱框架柱剪力和柱端弯矩的计算层号Vi ( kN )DDimDim / D Vim ( kN )y(m)M C上（ kN gm）M C下（ kN gm）5905.17682880273520.0436.260.4571.7958.7441613.32682880273520.0464.620.45127.95104.6832155.39682880273520.0486.330.45170.93139.8522531.38682880273520.04101.390.45200.75164.2512749.52436096157860.0

31、3699.530.55161.24197.07横向水平地震作用下的弯矩图、剪力图、轴力图如下图所示：图 5横向水平地震作用下左地震弯矩图（ kNgm）图 6横向水平地震作用下左地震轴力图图 7横向水平地震作用下左地震剪力图5 力计算5.1 恒荷载作用5.1.1 恒载标准值在屋面处引起的固端弯矩：顶层：边跨 (A-B) 梁： M F1ql 2121.016263.03kN m ；1212中跨 (B-C) 梁： M F1ql 21 3.93 2.421.89kN m ；112112其他层：边跨梁： M Fql 221.476264.41kNm ；1212中跨梁： M F1ql 213.932.42

32、1.89 kNm ；1212图 8恒载代表值作用下M图单位： (kN m）图 9恒载代表值作用下M图单位： (kN m）图 10 恒载剪力图（单位：kN）图 11恒载轴力图（单位：kN）5.1.2 恒载标准值引起的力（见表9 ）表 9恒载标准值下AB跨梁端剪力计算层次q(kN / m)l (m)ql / 2(kN )M / l (kN ) VFqlMqlM2(kN ) VE2( kN )ll521.01663.03-3.8766.959.16421.47664.41-1.4865.8962.63321.47664.41-1.766.1162.71221.47664.41-1.6666.0762

33、.75121.47664.41-2.4266.8361.99表 10恒载标准值下BC跨梁端剪力计算层次q( kN / m)l (m)ql / 2(kN )qlMqlMM / l (kN ) VF(kN ) VE2(kN )2ll53.932.44.7204.724.7243.932.44.7204.724.7233.932.44.7204.724.7223.932.44.7204.724.7213.932.44.7204.724.72表 11恒载标准值下边柱轴力计算层次截面横梁传纵墙重纵梁重纵梁板纵梁板柱重N (kN )柱轴力剪力传荷载传活载51 166.915.726.3322.6833.5

34、4165.15165.152 222.3824.95212.48212.483 3150.62363.1465.8922.3826.3316.1642.2424.954 4197.95410.435 5150.84561.2736 666.1122.3826.3316.1642.2424.95608.6198.1727 766.0722.3826.3316.1642.24150.8759.48 824.95806.73198.1319 966.8326.3316.1642.24151.56958.2931.5410 10183.1989.83表 12 恒载标准值下中柱轴力计算右横层次 截面梁左横梁纵墙重 纵梁重纵梁板传 纵梁板传柱重N (kN ) 柱轴力传剪传剪力荷载活载力51159.1635.7826.3339.9233