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毕业设计之框架结构
毕业设计之框架结构
摘要
本设计为郑州市某办公楼设计。
建筑地点位于河南郑州市，总建筑面积4147m2，建筑高度为24米。
建筑物设计使用年限为50年。
防火等级为二级。
本办公楼平面形状为规则矩形，共六层。
采用框架承重体系，抗震等级为三级。
本设计对于在水平荷载作用下的结构受力情况采用了“D”值法进行分析，对于竖向荷载采用了分层法等简化计算方法。
在设计中运用PKPM软件对设计结果进行了验证。
并应用了word,excel,AutoCAD，天正等软件，减少了许多工作量，大大提高了设计的速度和计算的精度。
本设计建筑物位于7度抗震区，场地类别为II类场地，建筑高度≦30m,抗震等级为三级，通过一些构造要求和设计要求，来提高结构的延性和耗能能力。
关键词：
框架结构；抗震设计；
第1章工程概况
本工程为某办公楼设计，要求采用钢筋混凝土框架结构，内廊式建筑，建筑面积4000m2左右，6层。
层高为3.9-4.5m,其中首层设置服务厅2个，各约100平米；其他区域设为值班室和办公室等。
二层为中心办公室，设有主任室、书记室、副主任室、各科室、小会议室、接待室等；三层、四层为办公室，包括敞开式大办公室，普通办公室、休息室等；六层为多功能会议室、接待室、阅览室、活动室、展览室等。
1.1基本资料
1.工程所在地：
郑州
2.建筑面积：
总建筑面积4147m2，
建筑层数:
6层
建筑高度：
24.6米
3.建筑耐久等级:
二级
4.建筑耐火等级:
一级
5.抗震设防烈度:
7度
6.基本风压:
0.45
，基本雪压:
0.40
。
7.建筑场地类别:
II类场地土
8.地质资料：
20m以上为轻亚粘土，f=180kPa,地下水位深18m。
1.2墙体
1.外墙采用空心砖加保温板，内纵墙采用粉煤灰轻渣空心砌块，内隔墙采用双面抹灰条隔板。
2.内墙为240mm厚，粉刷混合砂浆底，纸筋灰面。
3.外墙为370mm厚，粉刷为1:
3水泥砂浆底，陶瓷锦砖贴面。
1.3屋面做法
120mm钢筋混凝土现浇板，砂子灰板条顶棚，20mm厚1:
20水泥砂浆找平，100mm厚1:
2水泥砂浆找坡，20mm厚聚苯乙烯保温板，三毡四油铺小石子法防水层。
本设计采用不上人屋面,屋顶上设置0.95m的女儿墙
1.4楼面做法
120mm钢筋混凝土现浇板，20mm石灰砂浆抹底，水磨石面层。
1.5窗
窗口面积大小主要根据房间的使用要求、房间面积及当地日照情况来考虑，设计时可根据窗地面积比进行窗口面积的估算，对于本设计考虑窗地面积比为1/6—1/8，所以对于一个计算单元6m×6m，窗户面积大致为4.5m~6m，取窗户为2个2000mm×1500mm。
第2章建筑设计
柱子埋深1.2m，柱下端固定于基础。
室内外高差为0.6m，建筑设计底层层高4.5m，二-六层层高3.9m，所以底层柱高1.2+0.6+4.5=6.3m，其他层柱高3.9m。
纵向柱距为6.0m，横向三跨跨度分别为6.0，2.4m，6.0m。
本设计边跨（AB、CD跨）为双向板，中跨（BC跨）为单向板。
2.1结构计算简图
图2.1建筑平面布置图
图2.2计算简图
2.2梁柱尺寸
2.2.1框架梁尺寸初步确定
主梁设计：
h=（1/15～1/10）l0，b=（1/3～1/2）h
次梁设计：
h=（1/18～1/12）l0，b=（1/3～1/2）h
梁尺寸确定（表2.1）
主梁
次梁
横向
纵向
边跨
中跨
跨度（mm）
6000
2400
6000
6000
尺寸（b*h）
300*600
200*400
300*600
200*500
2.2.2框架柱尺寸初步确定
框架柱采用C30混凝土，fc=14.3N/mm2
框架抗震等级为三级，μ=0.85
中柱：
边柱：
角柱：
取中柱轴力
。
本设计中柱采用正方形截面
取
2.3材料强度等级
混凝土：
均采用C30级。
钢筋直径：
梁、柱受力钢筋采用HRB335钢筋，板受力钢筋采用HPB235钢筋，基础受力钢筋采用HRB335钢筋，构造钢筋及箍筋采用HPB235钢筋。
第3章荷载计算
按受力特点，混凝土楼盖中的周边支撑板可分为单向板和双向板，
为单向板，
为双向板，双向板按塑性绞线法计算。
图3.1双向板荷载传递方式
楼面荷载可以近似认为是沿斜向塑性铰线45度传播，沿短跨方向的支撑梁承受板面传来的三角形分布荷载；沿长跨方向的支撑梁承受板面传来的梯形分布荷载。
在计算中我们把将梯形分布荷载及三角形分布荷载，化为等效均布荷载。
图3.2分层法计算简图
三角形换成等效均布荷载的计算公式：
梯形换成等效均布荷载的计算公式：
，其中
；
（l1、l2分别为短跨与长跨的计算跨度）
3.1横载，活载计算
图3.3恒载图图3.4活载图
3.1.1屋面框架梁线荷载标准值
1）恒载
屋面恒载标准值
三毡四油卷材防水铺小石子
0.4kN/m2
20mm厚1:
2水泥砂浆
0.02×20=0.44kN/m2
100mm厚1:
2水泥砂浆找坡
0.1×10=1.00kN/m2
20mm厚聚苯乙烯保温层
0.32kN/m2
120mm厚现浇钢筋混凝土楼
0.12×25=3.00kN/m2
砂子灰板条顶棚
0.55kN/m2
屋面恒载总计
∑=5.67kN/m2
梁自重
边跨AB、CD跨
0.3×0.6×25=4.5kN/m
梁侧粉刷
2×（0.6-0.12）×0.02×17=0.33kN/m
边跨梁自重总计
4.83kN/m
中跨BC跨
0.2×0.4×25=2.0kN/m
梁侧粉刷
2×（0.4-0.12）×0.02×17=0.19kN/m
中跨梁自重总计
∑=2.19kN/m
则作用在屋面框架梁上的恒载线荷载标准值为：
梁自重：
g6AB1=g6CD1=4.83kN/m，g6BC1=2.19kN/m
板传来的梯形荷载：
g6AB2=g4CD2=15.14kN/m，g6BC2=0kN/m
2）活载
作用在屋面框架梁上的活载线荷载标准值为：
qAB=q6CD=1.34kN/m，q6BC=0kN/m
3.1.2楼面框架梁线荷载标准值
1）恒载
楼面恒载标准值
水磨石地面
0.65kN/m2
20mm厚水泥砂浆找平
0.02×20=0.4kN/m2
120mm厚现浇钢筋混凝土楼板
0.04×14=0.56kN/m2
砂子灰板条顶棚
0.55kN/m2
楼面恒载总计
∑=4.60kN/m2
梁＋墙自重
边跨（AB、CD跨）框架梁自重
4.83kN/m
边跨填充墙自重
0.24×（3.9-0.6）×8=6.34kN/m
填充墙粉刷
2×17×0.02×（3.9-0.6）=2.24kN/m
边跨梁＋墙自重总计
∑=13.41kN/m
中跨梁＋墙自重总计
∑=2.19kN/m
作用在楼面层框架梁上的恒载线荷载标准值为：
梁及梁上填充墙自重：
gAB1=gCD1=13.41kN/m，gBC1=2.19kN/m
板传来的荷载：
gAB2=gCD2=12.28kN/m，gBC2=0kN/m
2）活载
作用在楼面框架梁上的活载线荷载标准值为：
qAB=qCD=5.34kN/m，q4BC=0kN/m
3.1.3屋面框架节点集中荷载标准值
图3.5框架节点受力示意图
1）恒载
纵梁自重
0.3×0.6×25×6=27kN
粉刷
2×（0.6-0.12）×0.02×6×17=1.96kN
边柱连系梁传来屋面恒荷载
2×0.5×3×1.5×5.67=25.52kN
次梁自重
0.2×0.5×25×6×25=15kN
次梁粉刷
0.02×（0.5-0.12）×6/2×17=0.78kN
次梁传来屋面恒荷载
0.5×（6+3）×1.5×5.76=38.27kN
0.95m高女儿墙
0.95×6×0.24×8=10.94kN
女儿墙粉刷
2×0.95×6×0.02×17=3.88kN
顶层边节点集中荷载
G6A=G6D=123.35kN
纵梁自重
27kN
粉刷
1.96kN
中柱连系梁传来屋面自重
25.52+6×1.2×5.67=66.34kN
次梁自重
15kN
次梁粉刷
0.78kN
次梁传来屋面恒荷载
38.27kN
顶层中间节点集中荷载
G6B=G6C=149.35kN
2）活载QA=QD=2.81kN
QB=QC=6.41kN
3.1.4楼面框架节点集中荷载标准值
1）恒载
边柱连系梁自重
27kN
粉刷
1.96kN
边柱连系梁传来屋面恒荷载
2×0.5×3×1.5×4.6=20.7kN
次梁自重
15kN
次梁粉刷
0.78kN
次梁传来楼面恒荷载
0.5×（6+3）×1.5×4.6=31.05kN
框架柱自重
0.6×0.6×3.9×27=37.91kN
填充墙自重
（6×3.3-2×2×1.5）×0.37×8=40.84kN
墙面粉刷
2×（3.3×6-2×1.5×2）×0.02×17=9.38kN
钢窗自重
2×2×1.5×0.4=2.40kN
中间层边节点集中荷载
GA=GD=187.02kN
中柱连系梁自重
27kN
粉刷
1.96kN
中柱连系梁传来屋面自重
20.7+6×1.2×4.6=53.82kN
次梁自重
15kN
次梁粉刷
0.78kN
次梁传来楼面自重
31.05kN
框架柱自重
37.91kN
填充墙自重
3.3×6×0.24×8=38.02kN
墙面粉刷
2×3.3×6×0.02×17=13.46kN
中间层中节点集中荷载
GB=GC=219.00kN
2）活载QA=QD=11.25kN
QB=QC=29.25kN
3.2风荷载计算
已知基本风压ωO=0.45kN/m2，地面粗糙度属B类，按荷载规范：
风载体形系数μs：
迎风面为0.8，背风面为-0.5，所以μs=1.3。
因结构高度H=24.6m＜30m（从室外地面算起），取风振系数βZ=1.0。
风荷载计算（表3.1）
层次
βZ
μS
Z（m）
μZ
ωO（kN/m2）
面积A（m2）
Pi（kN）
6
1
1.3
24.6
1.33
0.45
29.1
22.64
5
1
1.3
20.7
1.26
0.45
23.4
17.23
4
1
1.3
16.8
1.18
0.45
23.4
16.15
3
1
1.3
12.9
1.08
0.45
23.4
14.78
2
1
1.3
9.0
1.00
0.45
23.4
13.69
1
1
1.3
5.1
1.00
0.45
30.6
17.90
图3.6风荷载
3.3地震作用计算
3.3.1建筑物总重力荷载代表值Gi的计算
1）集中于6层处的质点重力荷载代表值G6：
50%雪载：
0.5×0.4×48×14.4=138.24Kn
屋面恒载：
5.67×48×14.4=3919.10kN
横梁：
（4.83×12+2.19×2.4）×9=568.94kN
纵梁：
4.83×48×4=927.36kN
次梁：
2.76×12×8=264.96kN
女儿墙：
2.47×（48+14.4）×2=308.26kN
柱重：
（0.6×0.6×27×1.95×36=682.34kN
外墙：
1/2×1260.48=630.24kN
内墙
1/2×917.36=458.68kN
G6=7898.12kN
2）集中于5层处的质点重力荷载代表值G5：
50%楼面活载：
0.5×（2.5×108+2.0×565.2）=700.2kN
楼面恒载：
4.6×48×14.4=3179.52kN
横梁：
568.94kN
纵梁：
927.36kN
次梁：
264.96kN
柱重：
1064.68kN
外墙：
630.24×2=1260.48kN
内墙：
458.68×1/2×1259.05=1088.21kN
G5=9278.54kN
3）集中于4层处的质点重力荷载代表值G4：
50%楼面活载：
0.5×（2.5×151.2+2.0×522）=711kN
楼面恒载：
3179.52kN
横梁：
568.94kN
纵梁：
927.36kN
次梁：
264.96kN
柱重：
1064.68kN
外墙：
1260.48kN
内墙：
1259.05kN
G4=9235.99kN
4）集中于3层处的质点重力荷载代表值G3：
50%楼面活载：
711kN
楼面恒载：
3179.52kN
横梁：
568.94kN
纵梁：
927.36kN
次梁：
264.96kN
柱重：
1064.68kN
外墙：
1260.48kN
内墙：
1259.05kN
G3=9235.99kN
5）集中于2层处的质点重力荷载代表值G2：
50%楼面活载：
711kN
楼面恒载：
3179.52kN
横梁：
568.94kN
纵梁：
927.36kN
次梁：
264.96kN
柱重：
1064.68kN
外墙：
1260.48kN
内墙：
0.5×1259.05+0.5×1324.56=1291.81kN
G2=9268.75kN
6）集中于1层处的质点重力荷载代表值G1：
50%楼面活载：
711kN
楼面恒载：
3179.52kN
横梁：
568.94kN
纵梁：
927.36kN
次梁：
264.96kN
柱重：
0.5×1064.68+0.5×1574.64=1319.66kN
外墙：
0.5×1260.48+0.5×1553.55=1407.02kN
内墙：
0.5×1324.56+0.5×1441.54=1383.05kN
G1=9761.51kN
图3.7重力荷载代表值示意图
3.3.2刚度和自振周期计算
本设计为现浇楼盖，则
边框架梁：
I=1.5I0，EcI=1.5EcI0
中框架梁：
I=2.0I0，EcI=2.0EcI0
I0—框架梁按矩形截面计算的截面惯性矩。
横梁、柱线刚度（表3.2）
杆件
截面尺寸
EC（kN/mm2）
I0（mm4）
I（mm4）
L（mm）
i=ECI/L（kN·mm）
相对刚度
B（mm）
H（mm）
边框架梁1
300
600
30
5.4×109
8.1×109
6000
4.05×107
4.05
边框架梁2
200
400
30
1.07×109
1.6×109
2400
2.00×107
2.00
中框架梁1
300
600
30
5.4×109
10.8×109
6000
5.4×107
5.40
中框架梁2
200
400
30
1.07×109
2.14×109
2400
2.68×107
2.68
中层框架柱
600
600
30
10.8×109
3900
8.31×107
8.31
底层框架柱
600
600
30
10.8×109
6300
5.14×107
5.14
框架柱横向侧移刚度D值（表3.3）
项目
K=∑iC/2iZ
（一般层）
αC=K/（2+K）
（一般层）
D=αC·iZ·
（12/h2）
（kN/mm）
根数
层
柱类型及截面
K=∑iC/iZ
（底层）
αC=（0.5+K）/（2+K）（底层）
2~6层
边框架边柱
0.49
0.20
13.11
4
边框架中柱
0.73
0.27
17.70
4
中框架边柱
0.65
0.25
16.39
14
中框架中柱
0.97
0.33
21.64
14
底层
边框架边柱
0.79
0.46
7.15
4
边框架中柱
1.18
0.53
8.24
4
中框架边柱
1.05
0.51
7.93
14
中框架中柱
1.57
0.58
9.01
14
底层：
∑D=（7.15+8.24）×4+（7.93+9.01）×14=298.72kN/mm
2~6层：
∑D=（13.11+17.70）×4+（16.39+21.64）×14=655.66kN/mm
框架自振周期的计算：
框架顶点假象水平位移Δ计算表（表3.4）
层
Gi（kN）
∑Gi（kN）
∑D（kN/mm）
层间相对位移
总位移Δ（mm）
6
7898.12
7898.12
655.66
12.05
384.45
5
9278.54
17176.66
655.66
26.05
372.40
4
9235.99
26412.65
655.66
40.28
346.21
3
9235.99
35648.64
655.66
54.37
305.92
2
9268.75
44917.39
655.66
68.51
251.55
1
9761.51
54678.90
298.72
183.04
183.04
则自振周期为：
对于框架，考虑结构非承重砖墙影响的折减系数
取0.6。
3.3.3地震作用计算
本工程设防烈度7度、Ⅱ类场地土，设计地震分组为第一组，查《建筑抗震设计规范》特征周期Tg=0.35s，αmax=0.12。
结构等效总重力荷载：
，
还要考虑顶部附加地震作用：
框架横向水平地震作用标准值为：
结构底部：
楼层地震作用和地震剪力标准值计算表（表3.5）
层
Hi（m）
Gi（kN）
GiHi
Fi
楼层剪力Vi（kN）
6
25.8
7898.12
203771.50
688.16
688.16
5
21.9
9278.54
203200.03
686.23
1374.38
4
18.0
9235.99
166247.82
561.43
1935.82
3
14.1
9235.99
130227.46
439.79
2375.61
2
10.2
9268.75
94541.25
319.27
2694.88
1
6.3
9761.51
61497.51
207.68
2902.57
图3.8地震作用
横向水平地震作用下的位移验算（表3.6）
层
Vi（kN）
∑D（kN/mm）
Δui（mm）
hi（m）
Qc=Δui/hi
[θ]
6
76.46
72.85
1.05
3.9
1/3715
1/550
5
152.71
72.85
2.01
3.9
1/1860
1/550
4
215.09
72.85
2.95
3.9
1/1320
1/550
3
263.96
72.85
3.62
3.9
1/1076
1/550
2
299.43
72.85
4.11
3.9
1/948
1/550
1
322.51
33.19
9.72
6.3
1/648
1/550
第4章内力计算
4.1恒载作用下的框架内力
4.1.1弯矩分配系数
框架为对称结构，取一半框架进行简化计算。
图4.1竖向荷载内力计算简图
各节点的分配系数（表4.1）
层次
节点
相对线刚度
相对线刚度总和
分配系数
左梁
右梁
上柱
下柱
左梁
右梁
上柱
下柱
屋顶
A
5.4
7.84
13.24
0.41
0.59
B
5.4
2.68
7.84
15.92
0.34
0.17
0.49
3~6层
A
4.5
7.84
7.84
21.08
0.26
0.37
0.37
B
5.4
2.68
7.84
7.84
23.76
0.23
0.11
0.33
0.33
2层
A
5.4
7.84
5.14
18.32
0.29
0.43
0.28
B
5.4
2.68
7.84
5.14
21.06
0.26
0.13
0.37
0.24
4.1.2横梁固端弯矩
1）屋顶横梁
g边=g6AB1+g6AB2=4.83+15.14=19.97kN/m
g中=g6BC1=2.19kN/m
1）2~6层横梁
g边=gAB1+gAB2=13.41+12.28=25.69kN/m
g中=gBC1=2.19kN/m
4.1.3内力计算
采用分层法计算内力
屋顶：
3~6层：
2层：
将各层分层法得到的弯矩图叠加，可得整个框架结构在恒载作用下的弯矩图。
叠加后框架结构各节点弯矩并不一定达到平衡，可将节点不平衡弯矩再分配一次进行修正。
调整后弯矩图：
图4.2恒载作用下弯矩图（kN·m）
恒载作用下AB跨梁端剪力（kN）（表4.2）
层
q（kN/m）
l（m）
MAB（kN·m）
MBA（kN·m）
∑Mik/l
VA=ql/2-∑Mik/l
VB=-（ql/2+∑Mik/l）
屋顶
19.97
6
-47.09
53.12
1.01
58.90
-60.92
6
25.69
6
-70.94
73.30
0.39
76.68
-77.46
5
25.69
6
-70.03
72.76
0.46
76.61
-77.53
4
25.69
6
-70.03
72.76
0.46
76.61
-77.53
3
25.69
6
-70.54
73.07
0.42
76.65
-77.49
2
25.69
6
-66.01
69.36
0.56
76.51
-77.63
恒载作用下BC跨梁端剪力（kN）（表4.3）
层
q（kN/m）
l（m）
VB=ql/2
Vc=-ql/2
屋顶
2.19
2.4
2.63
-2.63
6
2.19
2.4
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