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1.4建筑物构造做法
1.4.1围护墙体与柱子间关系
围护墙体与柱子之间的关系通常有三种处理方案:
墙体与柱外皮齐平(图1),墙体与柱内皮齐平(图2),墙体与柱外皮相连(图3)。
图1图2图3
分析比较各方案的优缺点,并结合本工程的特点,选择其中某一种方案进行设计。
1.4.2纵向梁与柱子间关系
纵向梁与柱子之间的关系也有三种处理方案:
梁轴线与柱轴线重合(梁居中),梁外皮与柱外皮齐平(梁偏轴),梁内皮与柱内皮齐平(梁偏轴),且纵向梁的截面又有矩形、T形等多种形式。
分析比较各方案的优缺点,并结合本工程特点,选择其中某一种方案进行设计。
1.4.3外墙与内隔墙材料的选择及厚度的确定从建筑功能的角度考虑,不涉及强度因素。
1.4.4各房间楼地面、墙面和顶棚的做法进行简单描述。
1.4.5屋面防水及保温做法进行简单描述。
1.4.6室外台阶、坡道及散水等做法进行简单描述。
1.5门窗表
1.6建筑方案评价针对本工程的建筑设计,评价其优缺点。
第2章结构设计计算
2.1结构方案选择
2.1.1结构选型
1.结构体系
建筑结构的类型很多,按结构所用材料可分为砌体结构、钢筋混凝土结构、钢结构及木结构等。
各类结构都有其一定的适用范围,应根据其材料性能、结构型式、受力特点和建筑使用要求及施工条件等因素合理选择。
一般来说,砌体结构主要用于建造多层住宅、办公楼、教学楼以及小型单层工业厂房等,但其抗震性能较差;
钢结构多用于建造超高层建筑以及有重型吊车、或大跨度的工业厂房;
其它情况均可采用钢筋混凝土结构。
钢筋混凝土结构的结构体系有框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构和筒体结构等。
框架结构由梁、柱构件刚性连接而成,它既承受竖向荷载,又可承受水平荷载。
框架结构体系的优点是:
建筑平面布置灵活,能获得较大空间;
建筑立面容易处理;
结构自重较轻,抗震性能较好;
计算理论比较成熟;
在一定的高度范围内造价较低。
所以框架结构广泛用于内部空间宽阔的办公楼和教学楼等民用建筑,其它结构体系则多用于高层建筑。
结合本工程建筑使用功能的要求,说明结构体系的选择。
2.柱网布置方案
民用建筑框架结构的柱网,通常可布置成内廊式、外廊式、等跨式和对称不等跨式几种。
应结合本工程建筑使用功能的要求确定柱网的布置方案。
内廊式外廊式等跨式对称不等跨式
3.承重方案
根据楼盖的平面布置及竖向荷载的传递途径,框架结构的承重方案可分为以下三种:
(1)横向承重。
(2)纵向承重。
(3)纵横向承重。
分析比较各承重方案的特点,结合本工程建筑使用功能的要求,选择适宜的承重方案。
4.施工方法
框架结构按施工方法可分为以下三种:
(1)现浇整体式。
(2)预制装配式。
(3)装配整体式。
分析比较各方法的特点,结合本工程的具体要求,选择适宜的施工方法。
5.其它结构构件选型
包括以下结构构件形式的确定:
(1)屋、楼盖结构。
(2)楼梯结构。
(3)阳台和雨蓬结构。
(4)门窗过梁。
(5)柱下基础和墙下基础等。
2.1.2结构布置
1.结构布置的一般规定
(1)现浇钢筋混凝土框架结构房屋适用的最大高度,见《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中表6.1.1的规定。
(2)防震缝的设置,见《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中条文6.1.4的规定。
(3)现浇钢筋混凝土框架结构房屋的抗震等级,见《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中表6.1.2的规定。
2.平面布置
(1)柱网尺寸:
根据所选择的柱网布置方案,确定横向和纵向框架梁的跨度。
框架梁的跨度应为柱子中心线之间的距离。
(2)变形缝的设置:
根据混凝土规范及其它要求进行设置。
(3)次梁的布置。
3.竖向布置
框架的层高即为框架柱的长度。
首层层高应取基础顶面到首层梁顶的距离,其余各层层高应取梁顶至梁顶的距离。
4.计算简图
根据上述的平面布置和竖向布置,绘制相应的计算简图。
2.1.3主要构件截面尺寸的确定
各构件的截面尺寸应满足承载力、刚度及延性要求,并考虑方便施工。
1.承重框架梁:
梁高度取h=(1/10~1/8)L,梁宽度取b=(l/3~1/2)h,且不宜小于1/2柱宽。
2.非承重框架梁(即连系梁):
梁高度取h=(1/12~1/10)L,梁宽度取b=(l/3~1/2)h,且不宜小于1/2柱宽。
3.楼面次梁:
梁高度取h=(1/18~1/12)L,梁宽度取b=(l/3~1/2)h。
4.楼板:
楼板的厚度依据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010中9.1.2条确定,对单向板h≥1/30L(板的跨度)且满足最小板厚60mm;
对双向板h≥1/40L且满足最小板厚80mm。
5.框架柱:
为了抵抗两个方向的水平地震作用,框架柱的截面宜采用正方形或接近正方形的矩形。
框架柱的截面尺寸宜根据柱轴压比的限制:
N/fcbh≤[μc],并保证柱的刚度选定。
柱的截面高度h一般可按柱高度H取值,h=(1/12~1/8)H,且高度h不宜小于400mm,柱净高与截面长边尺寸之比宜大于4;
宽度取b=(1/1.5~1)h,且宽度b亦不宜小于400mm。
2.2材料的选择
2.2.1混凝土:
柱、梁、板及其它构件混凝土强度等级的确定。
2.2.2钢筋:
柱和梁纵筋、柱和梁箍筋以及板钢筋强度等级的确定,柱、梁、板保护层厚度的要求。
2.2.3围护结构墙体:
(1)±
0.000以下墙体的块材强度等级和砂浆强度等级,
(2)±
0.000以上墙体的块材强度等级和砂浆强度等级,(3)女儿墙墙体的块材强度等级和砂浆强度等级。
2.3自重荷载标准值计算
2.3.1顶层自重荷载标准值
1.屋盖重:
屋盖自重包括结构构件自重和构造层自重等荷载,其标准值可按结构构件的设计尺寸、构造层的材料和设计厚度以及材料容重标准值计算。
通常是先算出屋面的单位面积荷载标准值(kN/m2),再计算出总自重荷载值。
2.屋面梁重:
包括所有框架梁、连系梁、次梁和小梁的重量。
对现浇板肋梁楼盖,因板自重已计入屋盖荷载之中,故梁截面高度应减去板厚,且梁两侧的粉刷层重量也应计入梁自重内。
3.女儿墙重:
包括女儿墙墙体、混凝土压顶及装饰层的重量。
4.柱重:
柱的高度应减去板厚。
5.墙体重:
包括内外墙砌体、内外墙装饰和门、窗的重量。
以上荷载均可依据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012(或设计施工图中给定的),从中查取单位体积或面积的标准值计算,最后合计为顶层的总荷载标准值。
2.3.2楼层自重荷载标准值
1.楼盖重
2.楼面梁重
3.柱重
4.楼梯重
5.墙体重
楼层各部分重量的组成及计算方法与顶层相同,但应注意:
计算首层的柱和墙体重时,构件的高度应从基础顶面算起;
首层还应根据结构的具体形式,考虑雨棚自重荷载。
各层各部分的自重标准值最后均需合计为该层的总自重荷载标准值。
2.4横向水平地震作用计算及弹性变形验算
2.4.1计算简图及重力荷载代表值计算
1.计算简图
对于多层框架结构,应按集中质量法将各层之间的结构重力荷载、屋面和楼面的可变荷载集中于屋面和楼面标高处,将其简化为多质点弹性体系。
一般情况下,对于具有n层的框架,可简化成n个多质点弹性体系;
对于局部突出屋面的房间,当其面积和荷载均很小时,可不单独作为一个质点。
简化方法及计算简图可参见《建筑抗震设计规范》的有关规定,或参见教材《建筑抗震设计》的有关示例。
2.重力荷载代表值Gi计算
集中于上述各质点的重力荷载代表值Gi,应取结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值之和,各可变荷载的组合系数,应按《抗震规范》中表5.1.3采用。
对于局部突出屋面的房间,应将其重力荷载折算到主体结构顶层的荷载中。
2.4.2框架刚度计算
1.梁、柱线刚度计算
计算中注意:
在计算梁的线刚度时,可以考虑楼板对梁刚度的有利影响,即板作为梁的翼缘参加工作。
计算时,梁均先按矩形截面计算其惯性矩I0,再乘以增大系数求得I,增大系数可参见教材《抗震设计》中的有关说明。
2.柱的侧移刚度
柱侧移刚度计算公式为:
,式中h为各层框架柱的高度,Kc为框架柱的线刚度,α的概念及计算公式详见教材《抗震设计》中的有关说明。
计算出每层各柱的侧移刚度后,尚需根据每层各柱的根数,计算出每层柱的总侧移刚度。
2.4.3框架自震周期计算
1.侧移计算
为计算框架的自震周期,可假设各质点处的重力荷载代表值Gi水平作用于相应质点上,计算其产生的侧移。
该侧移的计算过程可采用《抗震设计》中表4-13的格式进行。
2.周期计算
对于多层混凝土框架结构,采用能量法的计算公式为:
式中
为结构基本周期考虑非承重填充墙体影响的折减系数,民用框架结构取0.6~0.7。
2.4.4多遇水平地震作用标准值和位移计算
对于高度不超过40m,以剪切变形为主(房屋高宽比小于4时),且质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架,其水平地震作用可采用底部剪力法计算。
地震影响系数计算公式为:
结构总水平地震作用计算公式为:
,式中
为等效重力荷载系数,对多质点体系,取
=0.85
各质点的水平地震作用计算公式为:
若T1>1.4Tg时,则上式改为:
,
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可参见教材《抗震设计》中有关计算实例的表格格式进行。
值得注意的是,由于地震影响系数在长周期区段下降较快,结构按上述公式算得的水平地震作用可能太小,出于对结构安全的考虑,《抗震规范》规定按底部剪力法所算得的结构层间剪力应符合下式要求:
所以在计算时,应增加该项判定计算,式中剪力系数
之值可按《抗震规范》中的相关要求查取。
2.4.5框架层间弹性位移验算
框架结构房屋的层间弹性位移应满足下式要求:
式中:
Δue为多遇地震作用标准值产生的楼层内最大的层间弹性位移;
h为计算楼层层高;
[θe]为弹性层间位移角限值,按《抗震规范》要求取用并应符合相应要求。
2.5横向水平地震作用下框架内力计算—采用D值法
2.5.1框架柱剪力和柱端弯矩标准值计算
有关计算公式为:
柱剪力:
柱端弯矩:
具体计算过程可参见教材《抗震设计》中有关计算实例的列表格式进行。
2.5.2框架梁端弯矩和剪力、柱轴力标准值计算
1.梁端弯矩Mb计算:
框架梁端弯矩可根据柱端弯矩由节点平衡求得。
2.梁端剪力V、柱轴力N计算:
梁端剪力可根据梁端弯矩由梁杆件的平衡求得,柱轴力可根据梁端剪力由节点平衡求得。
具体计算过程可参见教材《抗震设计》中有关计算实例表格的格式进行。
5.2.3框架内力图
根据上述计算结果,分别绘制相应的框架内力图。
1.框架柱剪力图
2.框架梁、柱弯矩图
3.框架梁剪力、柱轴力图
2.6竖向荷载作用下框架内力计算—采用弯矩二次分配法
2.6.1自重荷载标准值作用下框架内力计算
1.框架上自重荷载标准值计算
(1)框架梁上自重荷载标准值计算
(2)框架柱上自重荷载标准值计算
以上两项荷载计算时应注意根据所设计的某榀框架的具体受力情况及负载范围分层、分跨进行计算。
2.自重荷载标准值作用下框架梁、柱端弯矩计算
(1)荷载标准值及计算简图:
将上述计算的荷载标准值绘制在框架计算简图上。
(2)弯矩分配系数计算
通常应分两步进行:
①计算梁、柱转动刚度S及相对转动刚度
:
应根据计算简图和各杆件的线刚度按结构力学中的规定进行计算;
②计算节点弯矩分配系数:
μ=S//∑S/,以上内容均可参见教材《抗震设计》中的相关内容,以计算表格的格式进行计算。
(3)梁固端弯矩计算:
按照结构力学中的有关计算公式,分层、分跨计算各梁端的固端弯矩。
(4)弯矩分配与传递、杆端弯矩计算
计算方法及步骤可参见教材《抗震设计》中的计算实例,计算中应注意:
①梁固端弯矩:
对杆端顺时针转动为(+)。
②第一次弯矩分配:
将各节点不平衡弯矩(梁固端弯矩之和)改变(+)、(-)符号后进行分配。
③弯矩传递:
将所分配的弯矩向各杆件的远端传递,传递系数均为1/2,且不改变弯矩符号。
④第二次弯矩分配:
再次将各节点不平衡弯矩(各杆件传递弯矩之和)改变(+)、(-)符号后进行分配。
⑤上述4项弯矩之和,即为框架梁、柱的杆端弯矩。
(5)梁端弯矩的调幅
框架结构梁端的负弯矩较大,配筋较多,因而不便施工。
由于超静定钢筋混凝土结构具有塑性内力重分布的性质,所以在竖向荷载标准值作用下可乘以调幅系数β,适当降低梁端弯矩。
对现浇钢筋混凝土框架,可取β=0.8~0.9。
梁端弯矩调幅后,不仅可以减少梁端配筋数量,达到施工方便的目的,而且还可以提高柱的安全储备,以满足“强柱弱梁”的设计原则。
3.自重荷载标准值作用下框架梁端剪力、跨中弯矩和柱轴力、剪力计算
(1)梁跨中弯矩计算:
根据梁上的荷载和调幅后的梁端弯矩计算各层、各跨梁的跨中弯矩。
(2)梁端剪力计算:
梁端剪力可根据梁端弯矩和梁上的荷载由梁杆件的平衡求得。
(3)柱轴力计算:
柱轴力可根据梁端剪力和框架柱上集中荷载由节点平衡求得。
(4)柱剪力计算:
根据柱上、下端的弯矩计算,其计算式为:
Vc=(Mc上+Mc下)/Hc。
以上计算内容均可参见教材《抗震设计》中的计算实例,以表格的格式进行计算。
4.自重荷载标准值作用下框架内力图的绘制
(1)框架梁、柱弯矩图:
调幅后的梁端弯矩和相应的跨中弯矩值可用括号表示。
(2)框架梁剪力、柱轴力图
2.6.2可变荷载标准值作用下的框架内力计算
1.框架上可变荷载标准值计算
(1)框架梁上可变荷载标准值计算
(2)框架柱上可变荷载标准值计算
以上两项荷载计算时应注意根据所设计的某榀框架的具体受力情况分层、分跨进行计算;
顶层的可变荷载对非地震情况下应采用屋面均布活荷载标准值;
对地震作用下应采用屋面雪荷载。
2.可变荷载标准值作用下框架梁、柱端弯矩计算
(2)梁固端弯矩计算:
计算方法与2.6.1中自重荷载标准值作用时相同。
(3)弯矩分配与传递、杆端弯矩计算:
计算方法与2.6.1中自重荷载标准值作用时相同
(4)梁端弯矩的调幅:
取调幅系数β=0.8。
3.可变荷载标准值作用下框架梁端剪力、跨中弯矩和柱轴力、剪力计算
计算方法与2.6.1中自重荷载标准值用时相同。
4.可变荷载标准值作用下框架内力图的绘制
2.7横向框架内力组合
2.7.1梁的内力不利组合
1.梁弯矩的不利组合
梁端负弯矩,可按下列三式中的较大值取用:
梁端正弯矩按下式确定:
跨中正弯矩按下列三式中的较大值取用:
式中γRE—承载力抗震调整系数,按《抗震规范》中表5.4.2取用;
γ0—结构重要性系数,按《混凝土结构设计规范》GB5001-2010第3.3.2条,对一般结构为1.0。
(1)梁端弯矩组合:
计算过程可参见教材《抗震设计》中计算实例中的列表格式进行。
(2)梁跨中弯矩组合:
其值可由解析法求得,计算方法及过程可参见教材《抗震设计》中示例。
2.梁端剪力的不利组合
依据《抗震规范》,为了避免梁在弯曲破坏前发生剪切破坏,应按“强剪弱弯”的原则调整框架梁端部截面组合的剪力设计值,故剪力组合设计值的计算可采用下列三式中的较大值:
式中ln—梁的净跨;
VGb—梁在重力荷载代表值作用下,按简支梁分析的梁端截面剪力设计值(即应乘以1.2系数);
、
—分别为梁左、右端反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值,一级框架两端弯矩均为负弯矩时,绝对值较小的弯矩应取零;
—梁端剪力增大系数,一级可取1.3,二级可取1.2,三级可取1.1。
2.7.2柱的内力不利组合
1.柱端弯矩和轴力的不利组合
对于单向偏心受压的框架柱,进行内力组合时通常有四种组合:
分别为地震作用下大偏心受压、地震作用下小偏心受压、无地震作用下由可变荷载控制的效应组合和无地震作用下由永久荷载控制的效应组合的偏心受压。
第1组内力组合(地震下大偏心受压):
第2组内力组合(地震下小偏心受压):
第3组内力组合(无地震作用下可变荷载控制):
第4组内力组合(无地震作用下永久荷载控制):
式中MEk、MGk、MQk——分别为由水平地震作用、重力荷载、雪荷载或楼面活荷载标准值在柱端产生的弯矩标准值;
NEk、NGk、NQk——分别为由水平地震作用、重力荷载、雪荷载或楼面活荷载标准值在柱端产生的轴力标准值。
柱弯矩与轴力组合的具体计算过程可参见教材《抗震设计》中的计算实例,以列表格式进行计算。
2.柱剪力的不利组合
为了防止柱在压弯破坏前发生剪切破坏,应按“强剪弱弯”的原则,对柱的端部截面组合的剪力设计值予以调整,故剪力组合的计算公式如下:
有地震作用时:
无地震作用时,可按下列两式中取大值:
式中Hn—柱的计算高度;
—分别为柱的上、下端顺时针或反时针方向截面组合的弯矩设计值,应符合上述柱端弯矩组合中第①、②款的规定;
—柱剪力增大系数,对一、二、三、四级的框架柱,可分别取1.5、1.3、1.2、1.1。
此外,对一、二、三、四抗震等级框架的角柱,经上式调整后的组合剪力设计值,尚应乘以不小于1.1的增大系数。
具体计算过程可参见教材《抗震设计》中的计算实例,以列表格式进行计算。
2.7.3构件端部控制截面处弯矩和剪力计算
1.梁端部控制截面处弯矩和剪力计算
上述各跨梁的内力组合计算表中所求得的最不利内力梁弯矩M、剪力组合值V,均为其支座中心处内力,而截面配筋计算需要梁支座边缘控制截面处弯矩
、剪力
之值。
其计算方法,对最不利内力为无地震作用组合,可按:
或
式计算;
对有地震作用组合,可按:
式计算。
支座边缘控制截面处的弯矩计算,可按:
2.柱端部控制截面处弯矩计算
框架柱端部支座边缘控制截面处弯矩
的计算方法,与梁的计算方法类似。
计算式为:
。
3.节点处柱端组合弯矩设计值验算和调整
①进行抗震设计时,框架梁柱节点处,除框架顶层和柱轴压比小于0.15者外,柱端组合的弯矩设计值尚应符合公式的要求:
式中∑Mc—节点上下柱端截面顺时针或反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—节点左右梁端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之和,一级框架节点左右梁端均为负弯矩时,绝对值较小的弯矩应取零;
—框架柱端弯矩增大系数;
一、二、三、四级可分别取1.7、1.5、1.3、1.2。
②一、二、三、四抗震等级框架结构的底层,柱下端截面组合的弯矩设计值,应分别乘以增大系数1.7,1.5、1.3、1.2。
③一、二、三、四抗震等级框架的角柱,经上述第①、②条调整后的柱端组合弯矩设计值,尚应乘以不小于1.1的增大系数
根据以上调整,最终确定各层柱端控制截面处弯矩、轴力设计值,具体计算过程参见教材《抗震设计》中的计算实例中的列表格式进行。
2.8框架梁、柱和节点的抗震设计
2.8.1一般设计原则
1.强柱弱梁:
要控制梁、柱的相对强度,使塑性铰首先在梁中出现,尽量避免或减少在柱中出现。
2.强剪弱弯:
对于梁、柱构件而言,要保证构件出现塑性铰,而不过早地发生剪切破坏,这就要求构件的抗剪承载力大于塑性铰的抗弯承载力。
3.强节点、强锚固:
为了保证延性结构的要求,在梁的塑性铰充分发挥作用前,框架节点、钢筋的锚固不应过早地破坏。
2.8.2横向框架梁设计
1.梁的正截面受弯承载力计算
(1)设计要求
①梁端截面的底面和顶面配筋量的比值,抗震等级二、三级不应小于0.3。
②沿梁全长顶面和底面的配筋,二级不应小于2Φ14,三级不应小于2Φ12。
③计入受压钢筋的梁端,混凝土受压相对高度ξ≤0.35;
梁跨中混凝土相对受压高度ξ≤ξb。
④梁纵向受拉钢筋配筋率的限值
梁端:
2.5%=ρmax≥ρ≥ρmin
跨中:
ρ≥ρmin
ρmin参见教材《抗震设计》中的计算表达取值。
(2)承载力计算及配筋
在分别进行各层、各跨梁的承载力计算时应注意:
①梁端截面负弯矩配筋应按矩形截面计算;
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