四层框架结构设计计算书毕业设计.docx
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四层框架结构设计计算书毕业设计
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1.5~1.7m,地基承载力标准值为120KN/m2,第二层为砂砾石,层厚8.5~8.8m,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Ⅱ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w0=0.60KN/m2(地面粗糙度属B类),基本雪压S0=0.8KN/m2(n=50)。
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》GB 50010-2002简称《砼设计规范》《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001简称《荷载规范》
《建筑结构抗震设计规范》GB 50011-2001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=(1/8~1/12)L,梁宽b=(1/2~1/3)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。
KLh=(1/8~1/12)L=(825~550)mm
b=(1/2~1/3)h=(412~275)mm
故取梁截面尺寸(300×600)mm
柱KZN=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=(1/40~1/45)×6000=150~133mm
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①轴,⑧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/m2
30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/m2
125厚加气砼块保温 7×0.125=0.875KN/m
150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/m2
2、楼面荷载标准值:
地板砖地面 =0.60KN/m2
150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/m2
3、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=27KN
Z1:
b×h=0.6×0.6净长4.2m;
均布线荷载25×0.6×0.6+0.02×4=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)×20×24
359.7
屋盖
13.2×38×7.651
3837
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]×16
683.1
女儿墙
0.9×0.1×(13.2+38)×2×25
230.4
墙
0.25×2.1×[[(4×2+6×5)-0.6×8]×2+(6.6×2-0.6×3)×2]×7
327.8
可变荷载
屋面可变荷载组合系数0.5×0.8×13.2×38
200.64
G4
359.7+3837+683.1+230.4+327.8+200.64
5638.6
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)×20×24
971
屋盖
13.2×38×5.5
2759.8
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]×16
683.1
墙
0.25×4.2×[[(4×2+6×5)-0.6×8]×2+(6.6×2-0.6×3)×2]×7
655.6
可变荷载
屋面可变荷载组合系数0.5[13.2×38-(0.6×0.6×24)]×4.5×0.5
1117.7
G3G2
971+2759.8+683.1+655.6+1117.7
6187.2
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)×20×24
1007.2
屋盖
13.2×38×5.5
2758.8
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]×16
683.1
墙
0.25×(2.25+2.1)×[[(4×2+6×5)-0.6×8]×2+(6.6×2-0.6×3)×2]×7
679
可变荷载
屋面可变荷载组合系数0.5[13.2×38-(0.6×0.6×24)]×4.5×0.5
1109
G1
1007.2+2758.8+683.1+679+1109
6237
总和
G1+G2+G3+G4=5638.6+6187.2+6187.2+6237
24250
4、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/m2
200厚加气砼墙:
7×0.2+17×0.02×2=2.28JKN/m2
240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=1.5I0〈I0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/mm2
I0=
bh3=
×0.3×0.63=5.5×10-3m4
Ib=2.0I0=2×5.4×10-3=10.8×10-3m4
梁的线刚度为:
Kb=ECIb/L=(3.25×104×10.8×10-3)/6.6=5.3×104KNm
横梁线刚度计算见表7-4。
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
I0
m4
边框架梁
中框架梁
Ib=1.5I0
Kb=EIb/L
Ib=2I0
Kb=EIb/L
KJL1
0.3×0.6
6
C40
5.5×10-3
8.25×10-3
4.4×104
11×10-3
5.9×104
KIL2
0.3×0.6
4
C40
5.5×10-3
8.25×10-3
6.7×104
11×10-3
8.9×104
〈2〉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)
KZ1
0.6×0.6
4.5
×0.6×0.63=10.8×10-3
6.05×10
KZ2
0.6×0.6
4.2
×0.6×0.63=10.8×10-3
8.3×10
2.横向框架柱侧向刚度
横向框架柱侧向刚度计算见表7-6。
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)=0.5
0.5/(2+0.5)=0.2
11.3×103
4
边框架
中柱
(4×4.4)/(2×8.3)=1.06
1.06/(2+1.06)=0.346
19.5×103
2
中框架
边柱
(2×5.9)/(2×8.3)=0.71
0.71/(2+0.71)=0.5
28.2×103
12
中框架
中柱
(4×5.9)/(2×8.3)=1.42
1.42/(2+1.42)=0.42
80×103
6
ΣD
902×103
底层
边框架
边柱
4.4×2/6.05=1.45
(0.5+1.45)/(2+1.45)=0.56
20×103
4
边框架
中柱
4.4×4/6.05=2.9
(0.5+2.9)/(2+2.9)=0.69
24×103
2
中框架
边柱
2×5.9/6.05=1.9
(1.5+1.9)/(2+1.9)
=0.61
21×103
12
中框架
中柱
4×5.9/6.05=3.9
(1.5+3.9)/(2+3.9)
=0.74
26×103
6
ΣD
536×103
3、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0.6~0.7,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7-7。
表7-7横向框架顶点位移计算
层次
Gi(KN)
ΣGi
ΣD
层间相对位移
Δi
ΣGi/ΣD
4
5639
5639
9.02×105
0.062
0.123
3
6187
11826
9.02×105
0.013
0.058
2
6187
18013
9.02×105
0.019
0.045
1
6237
24250
5.36×105
0.026
0.026
4.横向地震作用
由《抗震规范》5.1.4条查得,在Ⅱ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δn=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7-8。
表中:
表7-8
、
和
的计算
层次
hi(m)
Hi(m)
Gi
GiHi(KNm)
Fi(KN)
vi(kn)
ΣD
Δue
(m)
4
4.2
17.1
5639
96426.9
923.99
923.99
902000
0.001
3
4.2
12.9
6187
79812.3
764.78
1688.77
902000
0.002
2
4.2
8.7
6187
53826.9
515.78
2204.55
902000
0.003
1
4.5
4.5
6237
28066.5
268.94
2473.49
536000
0.005
Σ
24250
258132.6
2473.49
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θe=Δue/hi=0.01/5.8=1/1160≤[θe]=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③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7-9。
表7-9水平地震作用③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ΣDi
各柱刚度Dim
K
y
M下
M上
h
A柱
4
4.2
933
902000
28200
0.031
28.92
0.71
0.45
54.65
66.8
3
4.2
1689
902000
28200
0.031
52.36
0.71
0.42
92.36
127.55
2
4.2
2205
902000
28200
0.031
68.36
0.71
0.47
134.94
152.17
1
4.5
2473
536000
21000
0.039
96.45
1.9
0.55
238.71
195.31
B柱
4
4.2
933
902000
80000
0.088
82.1
1.42
0.45
155.17
189.65
3
4.2
1689
902000
80000
0.088
148.63
1.42
0.45
280.9
343.34
2
4.2
2205
902000
80000
0.088
194.04
1.42
0.5
407.48
407.48
1
4.5
2473
536000
26000
0.048
118.7
3.9
0.55
293.78
240.37
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7-10。
M下--柱下端弯矩,M下=Vikyh
M上--柱上端弯矩。
M上=Vik(1-y)h
表7-10y值计算
柱号
层次
K
y0
α1
Y1
α2
Y2
α3
Y3
y
4
0.71
0.45
1
0
-
-
1
0
0.45
边柱
3
0.71
0.42
1
0
-
-
1
0
0.42
2
0.71
0.47
1
0
1
0
1.31
0
0.47
1
1.9
0.55
-
-
0.764
0
-
-
0.55
4
1.42
0.45
1
0
-
-
1
0
0.45
中柱
3
1.42
0.45
1
0
-
-
1
0
0.45
2
1.42
0.5
1
0
1
0
1.31
0
0.5
1
3.9
0.55
-
-
0.764
0
-
-
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
(KNm
Vb
(KN)
L
(m)
M左
(KNm)
M右
(KNm)
Vb
(kN)
NA
(kN)
Nb
Nc
(kN)
4
6.6
68.5
43.2
15.45
6.6
49.5
58.21
13.58
-10.59
0
16.48
3
6.6
89.66
60.4
22.74
6.6
60.4
89.66
22.74
-22.74
0
22.74
2
6.6
201.4
141
51.88
6.6
140.9
201.4
51.88
-74.62
0
74.62
1
6.6
319
205.3
79.44
6.6
205.3
319
79.44
-154.06
0
154.06
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=(1-2α2+α3)q;α=a/L=4/6.6=0.455
四层q3d=g3’+(1-2×α2+α3)g3”=4.06+(1-2×0.4552+0.4553)×41.7=32.46KN/m
三层q2d=g2’+(1-2×α2+α3)g2”=4.06+(1-2×0.4552+0.4553)×28.8=23.64KN/m
二层q2d=g2’+(1-2×α2+α3)g2”=4.06+(1-2×0.4552+0.4553)×28.8=23.64KN/m
一层q1d=g1’+(1-2×α2+α3)g1”=23.64KN/m
2、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=-117.83KNm
MFA2B2=-MFB2A2=-1/12q2dL2=1/12×23.64×6.62=-85.81KNm
MFA2B2=-MFB2A2=-1/12q2dL2=1/12×23.64×6.62=-85.81KNm
MFA1B1=-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μ
节点
A3
A2
A1
杆件
A3A2
A3B3
A2A3
A2B2
A2A1
A1A2
A1B1
A1A0
Si=4i
4×0.715
=2.86
4×1
=4
4×0.715
=2.86
4×1
=4
4×0.715
=2.86
4×0.546
=2.186
4×1
=4
4×0.546
=2.186
ΣSi
6.86
9.72
8.372
0.417
0.583
0.294
0.411
0.294
0.316
0.442
0.242
(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(3-4α2)=41.7×6.62(3-4×0.4552)/24=164.22KNm
合计跨中弯距=164.22+22.11=186.33KNm
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=73.62KNm
3、梁端剪力计算
恒载作用下梁端剪力计算过程见表7-13。
表7-13恒载作用下梁端剪力计算
层次
qd
〈KN/M〉
L
〈M〉
qd
〈KN〉
ΣM/L
〈KN〉
总剪力〈KN〉
VA=
-ΣM/L
VB=
+ΣM/L
4
32.46
6.6
107.12
11.12
96
118.24
3
23.64
6.6
78.01
3.32
74.69
81.33
2
23.64
6.6
78.01
3.32
74.69
81.33
1
23.64
6.6
78.01
5.88
72.13
83.89
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
ΔN
柱轴力N
A柱
C柱
4
柱顶
96
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