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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.