抗震结构课程设计.docx
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抗震结构课程设计
目录
一、工程概况1
1.结构方案1
2.结构布置及梁柱截面1
3.梁柱的截面尺寸1
二、重力荷载代表值的计算2
1.屋面荷载标准值:
2
2.楼面荷载标准值2
3.梁柱自重:
2
4.墙体自重标准值2
三、结构自震周期计算3
1.横梁线刚度Kb的计算:
3
2.柱线刚度Kc的计算:
4
3.各层横向侧移刚度计算:
(D值法)4
四、水平地震作用计算6
1.结构等效总重力荷载代表值Geq7
2.计算水平地震影响系数а17
3.结构总的水平地震作用标准值FEk7
五、多遇水平地震作用下的位移验算8
六、水平地震作用下框架内力计算9
1.框架柱端剪力及弯矩9
2.梁端弯矩、剪力及柱轴力分别按以下公式计算:
10
七、设计体会12
参考文献13
1、工程概况
1.结构方案
该全现浇框架结构处于8度(0.2g)设防区,建筑为六层,底层柱高4.2m,其他柱高为3.6m;场地为II类场地,地震分组为二组。
根据“抗震规范”第6.1.2条,确定结构抗震等级。
该建筑开间进深层高较大,根据“抗震规范”第6.1.1条,全现浇框架结构体系选择大柱网布置方案。
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,采用整体现浇梁板式楼盖。
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。
2.结构布置及梁柱截面
2.1.结构布置见图1
2.2.各梁柱截面尺寸:
框架梁,柱截面尺寸见下表
3.梁柱的截面尺寸
表1
构件
编号
计算跨度L
(mm)
h=(1/8~1/12)L
(mm)
b=(1/2~1/3)h
(mm)
横向框架梁
L1
6900
650
250
纵向框架梁
L2
6300
600
250
L3
3000
450
250
底层框架柱
Z1
4200
550
550
其它层框架柱
Z2
3600
500
500
二、重力荷载代表值的计算
1.屋面荷载标准值
屋面恒载标准值:
5.95KN
屋面活载标准值(不上人):
0.5KN/m2
屋面雪荷载标准值:
0.75KN/m2
2.楼面荷载标准值
楼面恒载标准值3.80KN/m2
楼面活载标准值2.50KN/m2
3.梁柱自重标准值
表2
构件编号
截面
(m2)
长度
(m)
线荷载
(KN/m)
每根重量
(KN)
每层根数
(个)
每层总重
(KN)
L1
0.25*0.65
6.4
4.0625
26
16
416
L2
0.25*0.6
5.8
3.75
21.75
15
326.25
L3
0.25*0.45
2.5
2.81
7.025
6
42.15
Z1
0.55*0.55
4.2
8.363
35.125
24
843
Z2
0.5*0.5
3.6
7.05
25.38
24
609.12
4.墙体自重标准值
底层外墙线荷载标准值6.84KN/m
内墙线荷载标准值5.96KN/m
标准层外墙线荷载标准值5.70KN/m
内墙线荷载标准值4.95KN/m
240mm砖墙砌女儿墙线荷载标准值3.60KN/m
4.1第一层
内墙总重6.9×4×5.96=164.496KN
外墙总重(6.3×10+6.9×4+3×4)×6.84=701.784N
楼面面积(6.3×5+3×2)×(6.9×2)=517.5m2
楼面恒载3.8*517.5=1966.5KN
楼面活载2.5*517.5=1293.75KN
一层重力代表值
注:
梁柱乘上粉刷层重力荷载而对其重力荷载的增大系数1.05。
4.2第二至五层
内墙总重6.9*8*4.95=273.24KN
外墙总重102.6*6.84=701.784KN
楼面面积517.5m2
楼面恒载3.8*517.5=1966.5KN
楼面活载2.5*517.5=1293.75KN
二至五层重力代表值
注:
梁柱乘上粉刷层重力荷载而对其重力荷载的增大系数1.05。
4.3第六层
女儿墙总重102.6*3.6=369.36KN
屋面面积517.5m2
屋面恒载517.5*5.95=3079.13KN
屋面活载517.5*0.5=258.75KN
屋面雪荷载517.5*0.75=388.13KN
第六层重力代表值
三、结构自震周期计算
1.横梁线刚度Kb的计算:
表3
梁号
Ec
(KN/m2)
截面
惯性矩
跨度
边框架梁
中框架梁
b×h(m2)
I0(m4)
l(m)
Ib=1.5I0
Kb=EcIb/l
Ib=2I0
Kb=EcIb/l
L1
3.0×107
0.25×0.65
5.72×10-3
6.9
8.58×10-3
3.73×104
11.44×10-3
4.97×104
2.柱线刚度Kc的计算:
表4
柱号
hc(m)
Ec
(KN/m2)
b×h
(m×m)
Ic
(m4)
EcIc/hc
(KN·m)
Z1
4.2
3.0×107
0.55×0.55
7.63×10-3
5.45×104
Z2
3.6
3.0×107
0.5×0.5
5.21×10-3
4.34×104
3.各层横向框架柱侧移刚度计算:
(D值法)
3.1第一层
①、A-1、A-8、C-1、C-8(4根)
K=3.73/5.45=0.68
ac=(0.5+K)/(2+K)=0.44
Di1=ac×12×Kc/h2
=0.44×12×5.45×104/4.22
=16313.0KN/m
②、A-2、A-3、A-4、A-5、A-6、A-7、D-2、D-3、D-4、D-5、D-6、D-7(12根)
K=4.97/5.45=0.91
ac=(0.5+K)/(2+K)=0.49
Di2=ac×12×Kc/h2
=0.49×12×5.45×104/4.22
=18166.7KN/m
③、B-1、B-8(2根)
K=(3.73+3.73)/5.45=1.37
αc=(0.5+K)/(2+K)=0.55
Di2=ac×12×Kc/h2
=0.55×12×5.45×104/4.22
=20391.2KN/m
④、B-2、B-3、B-4、B-5、B-6、B-7(6根)
K=(4.97+4.97)/5.45=1.82
αc=(0.5+K)/(2+K)=0.61
Di2=ac×12×Kc/h2
=0.61×12×5.45×104/4.22
=22615.6KN/m
∑D1=16313.0×4+18166.7×12+20391.2×2+22615.6×6
=459728.4KN/m
3.2第二至六层
①、A-1、A-8、C-1、C-8(4根)
K=3.73×2/(4.34×2)=0.86
ac=K/(2+K)=0.3
Di1=ac×12×Kc/h2
=0.3×12×4.34×104/3.62
=12055.56KN/m
②、A-2、A-3、A-4、A-5、A-6、A-7、D-2、D-3、D-4、D-5、D-6、D-7(12根)
K=4.97×2/(4.34×2)=1.15
ac=K/(2+K)=0.364
Di2=ac×12×Kc/h2
=0.364×12×4.34×104/3.62
=14627.40KN/m
③、B-1、B-8(2根)
K=(3.73+3.73)×2/(4.34×2)=1.7
ac=K/(2+K)=0.46
Di3=ac×12×Kc/h2
=0.46×12×4.34×104/3.62
=18485.18KN/m
④、B-2、B-3、B-4、B-5、B-6、B-7(6根)
K=(4.97+4.97)×2/(5.45×2)=1.8
ac=K/(2+K)=0.47
Di4=ac×12×Kc/h2
=0.47×12×4.34×104/3.62
=18886.32KN/m
∑D2~6=12055.56×4+14627.40×12+18485.18×2+18886.32×6
=374579.32KN/m
基本自振周期T1(s)可按下式计算:
T1=1.7ψT(uT)1/2
注:
uT假想把集中在各层楼面处的重力荷载代表值Gi作为水平荷载而算得的结构顶点位移。
ψT结构基本自振周期考虑非承重砖墙影响的折减系数,取0.6。
uT按以下公式计算:
VGi=∑Gk
(△u)i=VGi/∑Dij
uT=∑(△u)k
注:
∑Dij为第i层的层间侧移刚度。
(△u)i为第i层的层间侧移。
(△u)k为第k层的层间侧移。
s为同层内框架柱的总数。
结构顶点的假想侧移计算过程见下表,其中第六层的Gi为G6和Ge之和。
结构顶点的假想侧移计算
表5
层次
Gi(KN)
VGi(KN)
∑Di(KN/m)
层间相对位移(m)
ui(m)
6
3771.93
3771.93
374579.32
0.01
0.247
5
5051.55
8823.48
374579.32
0.023
0.237
4
5051.55
13875.03
374579.32
0.037
0.214
3
5051.55
18926.58
374579.32
0.05
0.177
2
5051.55
23978.13
374579.32
0.064
0.127
1
5188.688
29166.818
459728.4
0.063
0.063
T1=1.7ψT(uT)1/2
=1.7×0.6×(0.247)1/2
=0.507(s)
四、水平地震作用计算
本结构高度不超过40m,质量和刚度沿高度分布比较均匀,变形以剪切型为主,故可用底部剪力法计算水平地震作用,即:
1.结构等效总重力荷载代表值Geq
Geq=0.85∑Gi
=0.85×(5188.688+5051.55×4+3771.93)
=24791.95(KN)
2.计算水平地震影响系数а1
查表得二类场地近震特征周期值Tg=0.40s。
查表得设防烈度为8度的аmax=0.16
а1=(Tg/T1)0.9аmax=(0.4/0.507)0.9×0.16=0.114
3.结构总的水平地震作用标准值FEk
FEk=а1Geq=0.114×24791.95=2826.28(KN)
因1.4Tg=1.4×0.4=0.56s>T1=0.407s,所以不用考虑顶部附加水平地震作用。
各质点横向水平地震作用按下式计算:
Fi=GiHiFEk/(∑GkHk)
地震作用下各楼层水平地震层间剪力Vi为
Vi=∑Fk(i=1,2,…n)
计算过程如下表:
各质点横向水平地震作用及楼层地震剪力计算表
表6
层次
Hi(m)
Gi(KN)
GiHi(KN·m)
GiHi/∑GjHj
Fi(KN)
Vi(KN)
6
22.2
3771.93
83736.846
0.213
603.34
2682.17
5
18.6
5051.55
93958.83
0.239
676.99
2078.82
4
15
5051.55
75773.25
0.193
545.96
1401.82
3
11.4
5051.55
57587.67
0.146
414.93
855.85
2
7.8
5051.55
39402.09
0.100
283.90
440.92
1
4.2
5188.688
21792.4896
0.055
157.02
157.02
∑
392251.176
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2
五、多遇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(△u)i和顶点位移ui分别按下列公式计算:
(△u)i=Vi/∑Dij
ui=∑(△u)k
各层的层间弹性位移角θe=(△u)i/hi,根据《抗震规范》,考虑砖填充墙抗侧力作用的框架,层间弹性位移角限值[θe]<1/550。
计算过程如下表:
横向水平地震作用下的位移验算
表7
层次
Vi
(KN)
∑Di(KN/m)
(△u)i(m)
ui
(m)
hi
(m)
θe=(△u)i/hi
6
603.34
374579.32
0.0016
0.0282
3.6
1/2235
5
1280.34
374579.32
0.0034
0.0266
3.6
1/1053
4
1826.31
374579.32
0.0048
0.0232
3.6
1/738
3
2241.25
374579.32
0.0059
0.0184
3.6
1/601
2
2525.15
374579.32
0.0067
0.0125
3.6
1/554
1
2682.17
459728.4
0.0058
0.0058
4.2
1/719
由此可见,最大层间弹性位移角发生在第二层,1/554<1/550,满足规范要求。
六、水平地震作用下框架内力计算
1.框架柱端剪力及弯矩
分别按下列公式计算:
Vij=DijVi/∑Dij
Mbij=Vij*yhMuij=Vij(1-y)h
y=yn+y1+y2+y3
注:
yn框架柱的标准反弯点高度比。
y1为上下层梁线刚度变化时反弯点高度比的修正值。
y2、y3为上下层层高变化时反弯点高度比的修正值。
y框架柱的反弯点高度比。
底层柱需考虑修正值y2,第二层柱需考虑修正值y1和y3,其它柱均无修正。
下面以②③⑥⑦轴线横向框架内力的计算为例:
各层柱端弯矩及剪力计算(边柱)
表8
层次
hi(m)
Vi(KN)
∑Dij(KN/m)
边柱
Di1(KN/m)
Vi1(KN)
k
y
Mbi1(KN·m)
Mui1KN·m)
6
3.6
603.34
374579.32
14627.40
23.56
1.15
0.35
29.68
55.13
5
3.6
1280.34
374579.32
14627.40
49.99
1.15
0.4
71.99
107.99
4
3.6
1826.31
374579.32
14627.40
71.31
1.15
0.45
115.53
141.20
3
3.6
2241.25
374579.32
14627.40
87.52
1.15
0.45
141.78
173.29
2
3.6
2525.15
374579.32
14627.40
98.60
1.15
0.50
177.49
177.49
1
4.2
2682.17
459728.4
18166.7
105.98
0.91
0.65
289.32
155.79
例:
第一层边柱的计算:
Vi1=18166.7×2682.17/459728.4=105.98(KN)
y=yn=0.35(m)(无修正)
Mbi1=105.98×0.65×4.2=389.32(KN·m)
Mui1=105.98×(1-0.65)×3.6=155.79(KN·m)
各层柱端弯矩及剪力计算(中柱)
表9
层次
hi(m)
Vi(KN)
∑Dij(N/mm)
中柱
Di2(N/mm)
Vi2(KN)
k
Y
Mbi2(KN·m)
Mui2(KN·m)
6
3.6
603.34
374579.32
18886.32
30.42
1.8
0.40
43.80
65.70
5
3.6
1280.34
374579.32
18886.32
64.55
1.8
0.45
104.57
127.81
4
3.6
1826.31
374579.32
18886.32
92.08
1.8
0.45
149.17
182.32
3
3.6
2241.25
374579.32
18886.32
113.00
1.8
0.50
203.40
203.40
2
3.6
2525.15
374579.32
18886.32
127.31
1.8
0.50
229.17
229.17
1
4.2
2682.17
459728.4
22615.6
131.94
1.82
0.55
304.79
249.37
2.梁端弯矩、剪力及柱轴力分别按以下公式计算:
Mlb=ilb(Mbi+1,j+Mui,j)/(ilb+irb)
Mrb=irb(Mbi+1,j+Mui,j)/(ilb+irb)
Vb=(Mlb+Mrb)/l
Ni=∑(Vlb-Vrb)k
具体计算过程见下表:
梁端弯矩、剪力及柱轴力的计算
表10
层次
边梁
柱轴力
Mlb
Mrb
l
Vb
边柱N
中柱N
6
55.13
32.85
6.9
12.75
-12.75
-25.50
5
137.67
85.85
6.9
32.39
-45.14
-90.28
4
213.19
143.45
6.9
51.68
-96.72
-193.54
3
288.82
176.29
6.9
67.40
-164.12
-328.24
2
320.27
216.29
6.9
77.76
-241.88
-483.76
1
333.28
235.27
6.9
82.39
-297.32
-594.64
具体内力图见图3
七、设计体会
抗震课程设计是一次专业的设计训练,培养和提高了我的基本技能,启发了我对实际结构设计工作情况的认识和巩固了所学的理论知识。
首先,了解抗震设计的一般程序和内容,为毕业设计以及今后从事实际工作奠定初步基础,进一步巩固和加深我所学的结构抗震相关知识。
再者,课程设计培养了我实践动手能力、独立分析问题和解决工程实际问题的能力;还有创新意识、严肃认真的治学态度和理论联系实际的工作作风。
总而言之,这次课程设计使我受益良多,也让我知道了学无止境的道理。
当然,由于水平和所学知识有限,设计过程中难免会有一些错误和不足,还请老师批评指正。
最后,要感谢老师细心而耐心的指导。
参考文献
[1]尚守平.结构抗震设计.北京.高等教育出版社.2003
[2]吕西林.高层建筑结构.武汉.武汉理工大学出版社.2003
[3]国家标准.混凝土结构设计规范(GB50010-2010).2010
[4]国家标准.建筑结构荷载规范(GB50009-2001).2006
[5]国家标准.建筑结构抗震设计规范(GB50011-2010).2010
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