十层三跨框架结构计算书

目录

1建筑设计部分..............................................................1

1.1建筑方案设计............................................................1

1.2平面设计................................................................2

1.3立面设计................................................................2

1.4剖面设计................................................................3

1.5交通防火设计............................................................3

1.6建筑装饰材料............................................................3

2结构设计部分..............................................................4

2.1工程概况................................................................4

2.2结构布置及计算简图......................................................4

2.3重力荷载计算...........................................................9

2.4横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算.............................12

2.5纵向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算............................20

2.6横向框架内力计算.....................................................24

2.7截面设计...............................................................52

2.8罕遇地震作用下弹塑性变形验算..........................................60

2.9楼梯设计...............................................................63

2.10楼板设计..............................................................66

2.11基础设计..............................................................69

1建筑设计部分

1.1建筑方案设计

1.1.1结构选型

任何结构形式的建筑在使用时都会同时受到垂直荷载和水平荷载的作用。对于高

层建筑来说，随着建筑高度的增加，水平作用的影响不断增大，并逐渐成为主要

的控制因素。同时，垂直作用的影响虽然也相对减小，但侧向位移迅速增大，使

高层建筑的设计不仅要求结构有足够的强度，而且更重要的是要求结构有足够的

刚度，把水平作用所引起的侧向位移限制在一定范围内，确保建筑物的安全。

本工程选用框架结构体系，框架是由柱子和与柱子相连的横、纵梁所组成的承重

骨架。其优点是建筑平面布置灵活，可以形成较大空间，能满足各类建筑不同的

使用功能和生产要求。对于刚度较小的框架结构体系，其高宽比宜小于4。本建

筑的体型采用传统的矩形棱柱体，从几何观点来看，该体型对侧移颇为敏感，但

是由于它的几何形体所具有的固有强度，使结构更为有效或者造价可能更低，而

房屋又能建造地更高。因此它是比较经济的体型。

1.2平面设计

本例为框架结构,体型仍采用传统的矩形棱柱体，从几何观点来看对侧移颇为敏

感，而由于它的几何形体所具有的固有强度，使结构更为有效或者造价更可能降

低，而房屋又能建得更高，总之，它是较为经济的体型。

平面布置采用核心式，对于高层办公楼来说是比较经济和功能合理的。结构左右

对称，电梯间置于中心。高层办公建筑的主要垂直交通是电梯，对于电梯的选则

及其在建筑物中的分布，将决定高层办公楼的合理使用，提高效率和降低造价。

因此在平面设计中，主要考虑以下几个方面：一是集中，电梯是出入建筑物被常

使用的交通工具，所以设置在容易看到的地方，从运行效率，缩短候梯时间以及

降低建筑费用来考虑，电梯应集中设置。二是使用方便，电梯间要有足够的前室,

以免造成人流拥挤。三是分隔，电梯布置在建筑物的中间，在两侧还有疏散楼梯,

免去人流高峰时相互影响，这也是较重要的。

办公楼的布局方式常见的有以下四种，单间办公室、成组式办公室、开放式布局、

“景观”办公室和综合型办公室。本例的办公用房，主要是单间式办公用房。房

间的采光基本是采用自然采光，辅以人工采光。

1.3立面设计

建筑立面是由许多部件组成的，这些部件包括门窗、墙柱、雨蓬、勒脚等。立面

设计就是恰当地确定这些构件的比例关系和尺寸大小以及材料色彩等。通过节奏

的韵律、形的变换、面的虚实对比、线的方向变化等，求得外形的变化与统一和

内部空间与外形的协调统一。

1.4剖面设计

剖面设计表示建筑物在垂直方向房屋各部分的组合关系，主要分析建筑物各部分

的高度、建筑层数，建筑空间的组合和利用，以及建筑剖面中的结构，构造关系

等，它和房屋的使用，造价和节约用地等有密切关系。

采光和通风的设计也影响到剖面设计的效果，室内光线的强度和照度是否均匀，

和平面中窗户的高度和位置有关外，还和房间里光线的照射有关。房间里光线的

照射深度，主要是靠侧窗的高度解决，本例中大部分都是自然采光，辅助以人工

采光。

1.5交通防火设计

本设计中每一层都按防火规范进行了设计，在高层建筑中要有固定的灭火装置的

设备室。通风，空调机房•等应采用耐火极限不低于3.00小时的隔墙和2.00小

时的楼板与其它部位隔开。隔墙的门应采用甲级防火门。电梯井内严禁敷设可燃

气体和易燃，可燃液体管道，也不应敷设与电梯无关的电缆，电线等。电梯井壁

除开设电梯门洞和通气孔洞外，不应开设其它洞口，电梯门不应采用栅栏门。管

道井等竖向管的井壁应为耐火等级限不应低于L00小时的非燃体。井壁上的检

查门应采用丙级防火门。用于疏散楼梯间的防火门，应采用单向弹簧门，并应向

疏散方向开启。

本例中设有消防电梯，前室面积不小于6平方米，并设防烟，排烟设施，通向前

室和楼梯间的门均应设乙级防火门，应向疏散方向开启。消防电梯与客梯兼用，

但符合消防电梯的要求。

1.6建筑装饰材料

装饰是建筑物不可缺少的有机组成部分，具有使用功能和装饰性能两重性，装饰

的功能主要有以下几个方面：保护建筑物的各种构件；利用材料纹理、色彩改变

空间观感。

办公楼中所用的装饰材料：外墙墙面采用水刷石材料，具有强度高、耐

蚀性好，品种多等特点。地面石专采用强度大、硬度高、耐磨性好的材料，不易

起尘的，质地密实、密实，吸水性一般较小，抗冲击韧性高。玻璃幕墙是一种新

型非承重外墙，赋予建筑物的最大好处是将建筑美学，建筑功能和建筑结构等因

素有机的结合。玻璃幕墙建筑效果较好，自重轻，从不同的角度和时间进行观察,

会呈现出不同的色调变化，给人以动态的美。

2结构设计部分

2.1工程概况

1.工程名称:XXX某高层住宅设计，建筑面积12837.56m）位于抗震设防烈度，7

度区，场地类别为II类，设计地震分组为第二组。基本雪压So=0.4KN/m2,基本

风压为Wo=O.45KN/m2,地面粗糙度为C类，该房屋为丙类建筑。

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④

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2.2结构布置及计算简图

根据该房屋的使用功能及建筑设计的要求，进行了建筑平面、立面及剖面设计，

其标准层建筑平面和结构平面示意图分别见图1和2„主体结构共10层，1楼层

高为3.9m,其他层均为3.3m。楼电梯出屋面，层高3.0m。

2.2.1框架结构杆件截面尺寸初估

楼板厚100mm。梁截面高度取梁跨度的1/12-1/8,梁宽为梁高的1/2-1/3,表

1.1中给出了各层梁、柱和板的截面尺寸混凝土强度等级。设计强度：

2222

C40(^=19.IN/rnm,C=l.71N/mm),C35(£=16.7N/mm,ft-1.57N/mm)o

表1.1梁截面尺寸(mm)及各层混凝土强度等级

纵梁

混凝土强横梁(6X力次梁

层次(6X力)

度等级(6XA)

①、⑧轴②-⑦轴A、D轴B、C轴

2~

C35400X600300X600400X600300X600250X400

10

1C40400X600300X600400X600300X600250X400

该框架结构的抗震等级为二级，其轴压比限值[AV]=0-8；各层的重力荷载代表

2

值近似取14kN/mo

22

边柱：B=l.3A=7.2X3=21.6mn=10.fc=19.IN/mm

3

,N1.3x21.6xl4xlOxl()…“2n

A>-T—=------------------------；------=0.257mma=0.507m

T限上0.8xl9.13

中柱：B=l.25A=6+2,*72=3132/上〃2

2

I/、1.25x7.8x5.1xl4xl0^xlO2，八°,2

匚日柱Ac------------------------=455596mm-n=10,f=19.1NImm'

0.8x19.1c

如取柱截面为正方形，则边柱和中柱截面高度分别为600mm和700mm。

板最小厚度不应小于80m按双向板跨度的1/50考虑板厚〃2360%0=72皿〃考虑

到保证结构的整体性初选h-100mm顶板取150mm。

2.2.2计算简图及刚度参数

1层层高3.9m,2-10层柱高度均为3.3m。建筑下设地下室基础选用箱型基础

基础高4.2m,埋深4.2-0.6=3.4m

0

0

C-6-

幻

6

X

0

0

8

8

三:.

777JT

,6000?70Q6000..7200.7200.

A8CDAi®

(a)横向框架(b)纵向框架

图4框架结构计算筒图

2.2.3横向侧移刚度计算

横向框架梁柱刚度计算分别见表2.1,2.2

表2.1横梁线刚度i”计算表

"X

/°x

层10,bXhIL5EJ。"

类别10"

次/(N/mm2/mmXmm/m/Nmm/Nmm/Nmm

/mm1

)

400X5.85X

13.257.23.9X1O107.8X1O10

边横梁600IO10

6

①⑧2-1400X3.78X5.67X

3.157.27.56X10'°

060010'°IO10

300X2.925X4.388X

13.255.45.85X1O10

边横梁②-600IO10IO10

6

⑦2-1300X2.835X4.25X

3.155.45.67X1O10

0600IO10IO10

400X8.667X17.333X

13.257.213X1O10

走道梁①、6002.IO10IO10

⑧2-1400X712.6X

3.157.28.4X10'°16.8X1O10

0600IO10

300X9.75X

13.255.42.6.5X1O1013X1O10

走道梁②-600IO10

7

⑦2-1300X9.45X

3.155.46.3X10'°12.6X1O10

0600IO10

表2.2柱线刚度i,计算表

类别层次儿E，bXh/()山。〃

/mm/(N/mm2)/mmXmm/mm1/N.mm

边柱139003.25X104600X6001.O8X1O109.OX10'°

2〜

33003.15X104600X6001.O8X1O1010.3X1O10

10

中柱139003.25X104700X7002.OXIO1016.67X10'°

2-1033003.15X104700X7002.OXIO1019.O9X1O10

根据梁柱线刚度比产的不同，图2中的柱可分为中框架中柱和边柱、边框架中

柱和边柱以及楼电梯间柱等。现以第2层C-6柱的侧移刚度计算为例，说明计算

过程，其余柱的计算过程从略，计算结果分别见表5〜7。

第2层B-6柱及与其相连的梁相对线刚度如图6所示，图中12.65.67

数据取自表3和4。可得梁柱线刚度比丘为

19.09

后_12.6+5.67+13+585

=0.972

八2x19.09

135.85

0.972

=0.327

2+0.972

图2.2C-6柱及与其相连

12x19.09x10'°梁的相对线刚度

D=0.327x=68787N/mm

33002

表2.3中框架柱侧移刚度D值(N/mm)

边柱(9根)中柱(10根)

层次

K4K%

3~

0.600.216245400.9570.32468083901690

10

20.690.218247670.9720.32768787911053

10.650.434308171.1310.52168501962363

表2.4边框架柱侧移刚度D值(N/mm)

A-l,A-8,D-l,D-8B-l,B-8,C-l,C-8

层次

K%AKa.Di2

3~

0.60.216245400.9570.19064568356432

10

20.690.218247670.9720.32793554374216

10.650.434308171.1310.52168521397352

表2.5楼、电梯间框架柱侧移刚度D值(N/mm)

C-2,C-5D-2,D-4,D-5

层次X。

K%%K见

3~

0.7180.264555550.4130.17119422169376

10

20.7290.267561930.2550.11312835150783

10.8480.473622550.4880.39728197209101

表2.6横向框架层间侧移刚度(N/mm)

层次123-10

156881614360521427498

由表2.6知，汇乌/办=1436052/1568816=0.915>0,7,故该框架为规则

框架。

2.2.4纵向框架侧移刚度计算

纵向框架侧移刚度计算方法与横向框架相同。柱在纵向的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L,的计算过程见表2.70

结构中柱为正方形纵、横向柱线刚度相同。

表2.7纵梁线刚度。计算表

E,

层bXh/。lEJ。"15EJo”2纥/。〃

类别/(N/mm2

次/mmXmm/mm1/m/N•mm/Nmm/Nmm

)

3.15X400X7.2X3.15X

14.73X1O106.3X1O10

纵梁10,6001091O10

A.D2-13.0X400X7.2X

3.OX1O104.5X1O106.0X10'°

010'6001097.

纵梁3.15X300X5.4X24.725X

12.363.54X1O10

B.C10'6001091O10

2-13.0X300X5.4X3.375X

2.254.5X10'°

010,60010910'°

表2.8纵向中框架（B、C列）柱侧移刚度D值（N/mm）

B-l,B-8（4根）C-5

层次

K见AKDi2

3〜

0.4360.179203340.3540.1531597112933

10

20.4470.183207900.3620.15332260115420

10.5250.406288240.4250.38150151165447

中柱（7根）C-2,03、C-4、C-6

层次ZD

K见为K%%

3~

0.4710.19401350.4130.17135962424793

10

20.4830.195409190.4230.17436701433237

10.5670.416546610.4960.39952471592511

表2.9纵向边框架（A、D列）边柱侧移刚度D值（N/mm）

层次AT、ATO、DT、D-10（4根）D-5z。,

KAK%。2

3~

0.4360.179203560.5820.22525606107030

10

20.4480.183207910.5970.23026095109259

10.5260.208147860.70.4443155890702

续表2.9纵向边框架（A、D列）边柱侧移刚度D值（N/mm）

中柱（7根）D-2、D-3、D-4、D-6

层次

KK见%

3~

0.8730.304345190.7270.26630306362857

10

20.8950.309351320.7460.27230859369360

11.050.509360000.8760.47833961388621

表2.10横向框架层间侧移刚度（N/mm）

层次123-10

12372811027276100761

由表2.10知，YD2=1027276/1237281=0.83>0.7,故该框架为规则

框架。

2.3重力荷载计算

2.3.1屋面及楼面的永久荷载标准值

屋面（上人）：

15厚水泥砂浆混凝土找平层20X0.015=0.66kN/m2

30厚C20细石混凝土保护层25X0.03=0.75kN/m2

三毡四油防水层20X0.02=0.4kN/m2

15厚水泥砂浆找平层15X0.15=0.75kN/m2

30厚水泥焦渣找坡层0.03X14=0.42kN/m2

150厚水泥蛭石保温层5X0.15=0.75kN/m2

100厚钢筋混凝土板25X0.1=2.5kN/m2

10厚混合砂浆抹灰层0.01X17=0.17kN/m2

V型轻钢龙骨吊0.25kN/m

合计5.42kN/m2

1〜9层楼面

瓷砖地面（包括水泥粗砂打底）0.6kN/m2

100厚现浇钢筋混凝土板25X0.1=2.5kN/m2

10厚混合砂浆抹灰层0.01X17=0.17kN/m2

2

V型轻钢龙骨吊顶0.25kN/m*G11=662.3KN

合计3.47kN/m2—>G10=6831.83KN

2.3.2屋面及楼面的可变荷载标准值<G9=8361KN

2

上人屋面均布活荷载标准值2.OkN/m♦G8=8361KN

2

楼面活荷载标准值2.OkN/m•G7=8361KN

屋面雪荷载标准值sk-x%=1.0x0.45=0.45kN/m'.G6=8361KN

式中：〃，为屋面积雪分布系数，取4=1.0。♦G5=8361KN

2.3.3梁、柱、墙、窗、门重力荷载计算•G4=8361KN

梁、柱可根据截面尺寸、材料容重及粉刷等计算出单

♦G3=8361KN

位长度上的重力荷载；对墙、门、窗等可计算出单位面积

♦G2=8361KN

上的重力荷载。具体计算过程从略，计算结果见表。

3.1♦G1=8646.53KN

表3.1梁、柱重力荷载标准值

图3.1各质点的重

力荷载代表值

yg

层bhhG,ZG.

构件/(kN/m2P/(kN/mn

次/m/m/m/kN/kN

))

边横梁①、1.0

0.40.6256.35.354134.82

⑧5

边横梁②-1.0

0.30.6254.7255.3512303.35

⑦5

中横梁①.1.0

0.40.6256.32.0225.2

⑧5

中横梁②-1.0

0.30.6254.7252.0656.7

⑦53062.6

1

1.05.773

次梁0.250.2252.9512204.44

55

1.0

边纵梁0.40.6256.36.614582.12

5

1.0

中纵梁0.30.6254.7256.514430.0

5

边柱0.60.6251.093.916561.6

中柱0.70.7251.012.253.916764.4

1.05.77

次梁0.250.4252.9514238.5

2-1552892.6

0边柱0.60.6251.093.316475.26

中柱0.70.7251.012.253.316646.8

外墙体为400mm厚蒸压粉煤灰加气混凝土砌块，水刷石外墙面(0.5kN/m2),

内墙面为20mm厚石灰粗砂粉刷层，则外墙单位墙面重力荷载为

0.5+8.5X0.4+17X0.02=4.24kN/m2

内墙体为200mm厚蒸压粉煤灰加气混凝土砌块，两侧均为20mm厚抹灰，则内墙

单位面积重力荷载为

1.615+17X0.02X2=2.295kN/m2

木门单位面积重力荷载为0.2kN/n?；钢铁门为0.4kN/n?；玻璃门为0.dkN/m?；铝

合金窗单位面积重力荷载取0.4kN/n）2,只在计算竖向荷载是考虑到门窗自重，总

理荷载代表值计算中采用简化方法考虑其自重。

2.3.4重力荷载代表值

集中于各楼层标高处的重力荷载代表值G,计，采用简化的方法，各楼层楼面取

建筑面积计算恒载，取楼板净面积计算楼面荷载；各根梁取梁截面高的减板厚的

尺寸计算梁重，各柱取楼层高减板厚计算柱自重;各墙段根据门窗的大小采用有

门窗的墙体按无洞墙体重乘以相应的折减系数，外围护墙纵向乘以折减系数

0.6,外围护墙横向乘以和内墙纵向乘以0.85,内墙横向乘以1.0最后将各楼面

（含梁）及上下各半层的墙柱恒荷载100%楼面活荷载50%相加，计算结果见图

3.Io

表3.2构件自重计算

层号构件各构件自重

板(740.88-136.35)X3.47=2097.7

1墙(249.48+97.155)X4.24+(258.57+417.3)X2.295=3020.85

梁柱3062.63

板704.88-139.230X3.47=2087.7

2-9墙9211.1+82.210X4.24+(255.26+353.1)X2.295=2639.82

梁柱2892.6

板601.65X5.42=3260.9

10

墙2731.11

梁柱2892.6

板58.37X3.47=202.5

11

墙172.7X4.24+871.15X2.295=895.5

各质点重力荷载代表值：

「“err3062.63+2892.63020.85+2639.82”“八。。。人

G,=2097.7+----------------1------------------F0.5x2.0x740.88=8646.537CV

22

G2_9=2087.7+2892.6+2639.82+0.5x2.0x740.88=8361KN

2731.11+895.52892.6

Go=3260.9+--------------+------xl.l+0.5x0.45x740.88=6831.83KN

22

G..=202.5++0.5x0.45x53.45=662.3AW

112

2.4横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算

2.4.1横向水平地震作用下框架结构的内力和侧移计算

2.4.1.1横向自震周期计算

将G„折算到主体结构顶层即G(,=622.3xfl+-x=751.0KN

I233.6)

结构顶点假象侧移由以下公式计算：％,=£GK，(AM),=3，

0，/卒

%.=Z(A〃)1t

k=\

表4.1结构顶点假想侧移计算

层次G,/kN%/kNZ。./(N/mm)Aw,./mm“mm

107582.87582.814274985.31309.89

9836115943.8142749811.17304.58

8836124304.8142749817.03293.41

7836132665.8142749822.88276.38

6836141026.8142749828.7253.5

5836149387.8142749833.2224.8

4836157748.8142749840.2191.6

3836166109.8142749846.31151.15

2836174470.8143605251.86104.8

18646.5383117.33156881652.9852.98

结构顶点的假想侧移计算过程如下表13,其中第10层的G,为G10与G,之和。

按公式工=1.7仍•历计算基本周期刀，其中的的量纲为m,UZ^=0.7,则

7；=1.7x0.7xV0.309=0.662$

2.4.1.2水平地震作用及楼层地震剪力计算

结构高度33.6m〈40m,质量和刚度眼高度分布比较均匀，变形以剪切型为主故可

用底部剪力法计算水平地震作用。结构总水平地震作用标准值按以下公式计算

G«q=0.85x(8646.53+8361x8+7494.13)=0.85x83028.66=70574.36KN

(T丫"/o35V,9

a,=—a,=x0.08=0.045

'"Jmlx(0662)

FEk==0.045x70574.36=3175.85kN

因1.47；=1.4x0.35=0.49sV(=0.662s,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3计算如下

8„=0.081+0.01=0.08x0.83+0.07=0.121

Mo=0.122x3175.85=387.45KN

各质点的水平地震作用计算，将上述6“和FEk代入可得

E=x%（1一，）=2788.40-^^-

EG'Hj£GjHj

7=1j=i

具体计算过程见表4.2o各楼层地震剪力计算结果列入表4.3O

表4.2各质点横向水平地震作用及楼层地震剪力计算表

层H,G,G画Kv,

GiHi

不山

次/m/kN/kN.m/kN/kN

36.6662.324240.180.01747.402847.4028

1033.66831.83229549.490.16446.144493.5468

930.38361253338.30.177493.5468987.0936

82783612257470.158440.56721427.661

723.78361189794.70.133370.85721798.518

620.48361170564.40.119331.81962130.338

51710.10278.842409.178

413.8836111538.180.081225.86042635.038

310.5836187790.50.061170.09242805.13

27.2836160199.20.042117.11282922.243

13.98646.533721.350.02466.92162989.165

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4.E

2.4.1.3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顶点位移.-F10+AF10

F9

的计算过程见表4.3。表中还计算了各层的层间弹性位

移角0=AM,/hio

由表4.3知，最大层间弹性位移角发生在第3层，其值

1/119K1/550,满足要求。

2.4.1.4水平地震作用下框架内力计算

V1

(a)水平地箧作用分布(b)层向/力分布

图4.1横向水平地震作用及楼房地震瞥力

以⑦轴线横向框架内力计算为例进行计算，其余框架内力计算结果如下。

底层柱需考虑修正值方,第2层柱需考虑修正值力和为其余柱均无修正。具体

计算过程及结果见表4.3。梁端弯矩、剪力及柱轴力计算过程见表4.4和4.5。

表4.3横向水平地震作用下的位移验算

层

匕/kN/(N/mm)Aw,./mm〃j/mm%/mm6

e4

次

10493.546814274980.34574314.2285633001/9544

9987.093614274980.69148513.8828233001/4772

81427.66114274981.00011413.1913333001/3299

71798.51814274981.25990912.1912233001/2619

62130.33814274981.49235810.9313133001/2211

524096876939.43895233001/1955

42635.03814274981.8459147.75125933001/1787

32805.1314274981.9650685.90534633001/1679

22922.24314360522.0349143.94027833001/1621

12989.16515688161.9053641.90536439001/2046

由表4.3可见层间最大弹性位移角发生在第二层，其值为1/162K1/550满足要

求

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4.2所示。

IC

6

三-=24.6024.60

20.29____________________暑16|5.87II]5.87

NiZ，

O«>M111

CMS.-5.87-18.73