毕业设计指导书框架结构设计结构选型及荷载计算.docx

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毕业设计指导书框架结构设计结构选型及荷载计算

第一章结构选型与布置1

1.1结构选型1

1.2结构布置1

1.3设计例题已知条件3

第二章确定计算简图10

2.1基本理论10

2.2设计例题16

2.2.1确定计算简图16

2.2.2梁、柱截面尺寸16

2.2.3材料强度等级17

2.2.4荷载计算17

第三章框架内力计算24

3.1计算方法24

3.1.1竖向荷载作用下框架内力计算24

3.1.2框架活荷载不利布置27

3.1.3水平荷载作用下框架内力计算27

3.2例题计算30

3.2.1恒载作用下的框架内力30

3.2.2活载作用下的框架内力36

3.2.3风荷载作用下的位移、内力计算51

3.2.4地震作用下横向框架的内力计算55

第四章框架内力组合63

4.1荷载组合63

4.2控制截面及最不利内力64

4.2.1控制截面64

4.2.2最不利内力组合64

4.3弯矩调幅65

4.4例题计算65

第五章框架梁柱截面设计73

5.1理论基础73

5.2例题计算75

第六章楼梯结构计算设计86

6.1基本理论86

6.1.1板式楼梯86

6.1.2梁式楼梯88

6.2例题设计89

6.2.1梯段板计算90

6.2.2休息平台板计算90

6.2.3梯段梁计算91

第七章现浇楼面板设计93

7.1计算方法93

7.1.1单向板肋形楼盖93

7.1.2双向板肋形楼盖95

7.2例题计算97

7.2.1跨中最大弯矩98

7.2.2求支座中点最大弯矩98

7.2.3A区格99

7.2.4E区格100

第八章基础设计102

8.1柱下独立基础设计102

8.1.1按持力层强度初步确定基础底面尺寸102

8.1.2抗震承载力验算104

8.1.3地基软卧层强度验算104

8.1.4地基变形验算105

8.1.5确定基础高度105

8.1.6基础底板配筋107

8.2基础设计例题107

8.2.1荷载计算108

8.2.2确定基础底面积108

8.2.3地基变形验算112

8.2.4基础结构设计114

第九章PKPM软件在框架结构设计中的应用119

9.1　PKPM软件介绍119

9.2　框架结构设计在PKPM系列软件中的实施119

9.2.1　PMCAD全楼结构模型建立119

9.2.2　PK模块分析单榀框架内力127

9.2.3　TAT-8空间框架分析及平法配筋施工图绘制134

9.3软件分析结果与手算结果分析比较140

第十章施工图绘制143

10.1结构施工图的表示方法143

10.2各类结构构件的平法施工图146

10.2.1柱平法施工图146

10.2.2梁平法施工图146

10.2.3板平法施工图146

10.2.4楼梯平法施工图147

10.2.5基础平法施工图147

10.2.6标准构件详图147

10.3例题部分施工图147

第十一章单位工程施工组织设计157

11.1单位工程施工组织设计概述157

11.1.1单位工程施工组织设计的编制依据157

11.1.2单位工程施工组织设计的编制程序和基本内容157

11.2单位工程施工组织设计指导158

11.2.1工程概况158

11.2.2施工准备159

11.2.3施工方案160

11.2.4施工进度计划161

11.2.5资源需要量计划162

11.2.6施工现场平面图162

11.2.7技术措施163

11.3某中学教学楼施工组织设计实例163

11.3.1工程概况163

11.3.2施工准备工作164

11.3.3施工方案167

11.3.4施工进度计划175

11.3.5施工平面布置图178

11.3.6技术质量、安全生产、文明施工措施178

附录1规则框架承受均布及倒三角形分布水平力作用时标准反弯点的高度比181

附录2双向板弯矩、挠度计算系数186

主要参考文献190

第一章结构选型与布置

结构设计的主要内容包括：

结构选型、结构布置、确定计算简图、选择合理简单的计算方法进行各种荷载作用下的内力计算、荷载效应组合、截面配筋设计（计算、构造）、绘施工图。

1.1结构选型

结构选型是一个综合性问题，应选择合理的结构形式。

根据结构受力特点，常用的建筑结构形式有：

混合结构、框架结构、框架－剪力墙结构、剪力墙结构（一般剪力墙结构、筒体剪力墙结构、筒中筒剪力墙结构）等。

混和结构主要是墙体承重，由于取材方便，造价低，施工方便，我国广泛地应用于多层民用建筑中，但砌体结构强度低、自重大、抗震性能较差，一般用于7层及7层以下的建筑。

框架结构是由梁、柱构件通过节点连接形成的骨架结构，框架结构的特点是由梁、柱承受竖向和水平荷载，墙体起维护作用，其整体性和抗震性均好于混合结构，且平面布置灵活，可提供较大的使用空间，也可构成丰富多变的立面造型，但随着层数和高度的增加，构件截面面积和钢筋用量增多，侧向刚度越来越难以满足设计要求，一般不宜用于过高的建筑，现浇框架结构适用最大高度见表1-1。

框架－剪力墙结构是在框架中设置一些剪力墙，既能满足平面布置灵活，又能满足结构抗侧力要求，一般常用于10～25层的建筑中。

剪力墙结构是依靠剪力墙承受竖向及水平荷载，整体性好、刚度大、抗震性能好，常用于20～50层的高层建筑。

现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度（m）表1-1

结构体系

设防烈度

框架结构

结构选型时需充分了解各类结构型式的优缺点、应用范围、结构布置原则和大致的构造尺寸等，根据建筑物高度及使用要求，结合具体建设条件，进行综合分析，从而做出最终的决定。

结构设计中，选择合理科学的建筑结构体系非常重要，是达到既安全可靠又经济合理的重要前提。

实际工程中，多层与小高层常采用框架结构体系。

在我国，由于经济水平及其它条件的限制，混凝土框架结构比钢框架结构应用要广，因此本书以现浇钢筋混凝土框架结构作为分析实例。

1.2结构布置

进行混凝土框架结构布置的主要工作是合理地确定梁、柱的位置及跨度。

其基本原则是：

（1）结构平面形状和立面体型宜简单、规则，使刚度均匀对称，减小偏心和扭转。

（2）控制结构高宽比，以减少水平荷载下的侧移，钢筋混凝土框架结构高宽比限值为：

非抗震设防时为5，6度、7度抗震设防时为4，8度抗震设防时为3，9度抗震设防时为2。

（3）尽量统一柱网及层高，以减少构件种类规格，简化梁设计及施工。

框架结构的柱网尺寸，即平面框架的柱距（开间、进深）和层高，首先要满足生产工艺和其他使用功能的要求，柱网布置方式可分为内廊式、等跨式、不等跨式等几种，见图1-1；其次是满足建筑平面功能的要求，如图1-2；此外，平面应尽可能简单规则、受力合理，使各构件跨度、内力分布均衡，如图1-3。

工程实践中常用的梁、板跨度：

主梁（与框架柱相连且承担楼面板主要荷载的梁）跨度5～8m，次梁跨度4～6m，单向板跨1.7～2.5m，一般不得超过3m，双向板跨4m左右，荷载较大时宜取较小值，因为板跨直接影响板厚，而板的面积较大，板厚度的增加对材料用量及结构自重增加影响较大。

（4）房屋的总长度宜控制在最大温度伸缩缝间距内，当房屋长度超过规定值时，伸缩缝将房屋分成若干温度区段。

伸缩缝是为了避免温度应力和混凝土收缩应力使房屋产生裂缝而设置的。

在伸缩缝处，基础顶面以上的结构和建筑全部分开。

现浇钢筋混凝土框架结构的伸缩缝最大间距为55m。

确定层高、柱网尺寸后，应选择合理的结构平面布置方案，即选择合理的楼盖类型。

详见第7章。

（a）内廊式（b）等跨式（c）对称不等跨式

图1-1多层框架柱网布置

图1-2旅馆横向柱列布置

图1-3结构布置对框架内力分布地影响

1.3设计例题已知条件

题目：

江苏省南京市六合区某中学教学楼

根据建筑方案图，本工程结构为四层钢筋混凝土框架，建筑面积约2800m2，建筑一层平面图、南立面图、东立面图及剖面图分别见图1-4、1-5、1-6、1-7，结构标准层平面及剖面简图如图1-8、1-9所示，其它条件如下：

1.气象资料

（1）基本风压值：

W0=0.40kN/m2

（2）基本雪压值：

S0=0.65kN/m2

2.水文地质资料

场地条件：

拟建场地地表平整，现场地标高变化范围在6.72-7.25m，土层分布见图1-10。

场地地下水类型上层滞水，水位在地表下1.8m。

场地土层等效剪切波速为145m/s，3m≤dov≤50m。

场地为稳定场地,类别Ⅱ类。

场地土层物理力学指标见表：

土层号

天然含水量

ω（%）

天然重度γ

（KN/m3）

天然孔隙比e

塑性

指数

液性

指数

抗剪强度指标

压缩指标ES1-2

承载力特征值fak（kPa）

Ck（kpa）

φk（º）

①

17.2

②

27.6

19.3

0.803

13.1

0.61

30.1

10.7

7.5

120

③

35.9

17.8

1.147

13.9

1.24

15.7

6.4

2.5

④

28.3

19.3

0.805

12.9

0.63

34.8

11.2

8.6

160

3.抗震设防烈度：

七度。

（假定场地覆盖层厚度大于9m，小于80m。

）

4.荷载资料

（1）教学楼楼面活载，查《建筑结构荷载规范》（GB50009–2001），确定楼面活载标准值为2kN/m2；

（2）不上人屋面：

活载标准值为0.7kN/m2；

（3）屋面构造：

35厚490×490的C20预制钢筋混凝土架空板、防水层、20厚1:

3水泥砂浆找平层，现浇钢筋混凝土屋面板、12厚纸筋石灰粉平顶；

（4）楼面构造：

水泥楼面：

10厚1:

2水泥砂浆面层压实抹光、15厚1:

3水泥砂浆找平层、现浇钢筋混凝土楼面板、12厚纸筋石灰粉平顶；

（5）围护墙：

围护墙采用200厚非承重空心砖（190×190×90,容重3.6kN/m2），M5混合砂浆砌筑，双面粉刷（容重3.6kN/m2），每开间采用3300×2100（b×h）通长塑钢窗。

本工程采用全现浇框架结构，由于开间较小，双向板的跨度超过经济跨度不多，同时考虑使用要求，在楼面不设次梁。

图1-4一层建筑平面图（1：

100）

图1-5南立面图（1：

100）

图1-6东立面图图1-7剖面图

图1-8标准层柱网平面布置图

图1-9剖面图

图1-10土层分布

第二章确定计算简图

2.1基本理论

实际建筑结构是三维空间结构，且结构材料和结构荷载都具有随机性，使结构精确分析十分困难。

在没有计算机辅助设计的情况下，当结构布置规则、荷载分布均匀时，我们通常将空间框架简化为平面框架采用手算进行分析，其中计算模型和受力分析都必须进行不同程度的简化。

要计算出框架结构中梁柱内力，必须首先确定框架结构简化后的计算简图，即需确定框架的计算单元、框架的跨度、层高、构件截面、框架承受荷载等。

1.计算单元

一般取中间具有代表性的一榀框架进行分析，见图2－5（a）；现浇框架梁柱的连接节点简化为刚接，框架柱与基础的连接简化为固结。

2.跨度、层高

结构计算中，杆件用其轴线来定位，框架梁跨度取柱子轴线之间的距离，当上下层柱截面尺寸变化时，一般以最小截面的形心线来确定。

框架层高，底层取基础顶面到二层楼板结构顶面的距离，其余层取下层结构楼面到上层结构楼面的距离。

此阶段由于基础设计还未进行，可初步估算基础顶面的位置：

根据地基土层的分布情况，初步确定基础的形式、基础高度和持力层位置，即可估算出基础顶面的位置，如图2-1所示。

当基础埋置较深，若采用刚性地面，也可直接采用h1=底层层高+0.5m进行计算。

图2-1基础埋深

3.构件材料选择

1）混凝土

选择混凝土强度等级时要根据混凝土结构的环境类别，满足混凝土耐久性要求；当采用HRB335钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；当采用HRB400和RRB400钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20。

预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。

抗震设计时，现浇框架梁、柱、节点的混凝土强度等级按一级抗震等级设计时，不应低于C30；按二～四级和非抗震设计时，不应低于C20。

现浇框架梁的混凝土强度等级不宜大于C40；框架柱的混凝土强度等级：

抗震设防烈度为9度时不宜大于C60，抗震设防烈度为8度时不宜大于C70。

为便于施工，梁、柱混凝土最好采用相同强度等级，常用C30~C40。

2）钢筋

结构构件中的普通纵向受力钢筋宜选用HRB400、HRB500钢筋；箍筋宜选用HRB400钢筋。

对于钢筋混凝土框架梁、柱等主要结构构件的纵向受力钢筋，通常采用HRB400、HRB500钢筋，构造钢筋及箍筋可采用HRB400；对于钢筋混凝土板、墙等构件的受力钢筋，可采用HRB400，构造钢筋采用HRB400钢筋。

4.构件截面估算及弯曲刚度的确定

1）柱

柱的截面尺寸，宜符合下列各项要求：

矩形截面柱在非抗震设计时，边长不宜小于250mm，抗震设计时截面的宽度和高度均不宜小于300mm；圆柱直径不宜小于350mm；剪跨比宜大于2；截面长边与短边的边长比不宜大于3。

若采用横向或纵向承重框架，框架柱宜采用矩形截面，若采用纵横向承重框架，则宜采用方形截面。

柱轴压比不宜超过《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）表6.3.7的规定，即抗震等级分别为一、二、三的框架结构，柱轴压比限值分别为0.7、0.8、0.9。

轴压比指柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值。

在初步估算柱截面面积时，应满足下式：

式中Nc：

考虑地震荷载组合时柱的轴力设计值，可进行初步估算，

；

C：

弯矩对框架柱轴力的影响，中柱扩大系数取1.1，边柱1.2；

，S为该柱承担的楼面荷载面积，近似按1/2柱距划分；

μ：

轴压比，柱轴压比不宜超过《建筑抗震设计规范》的规定。

2）梁

梁的截面尺寸，宜符合下列各项要求：

截面宽度不宜小于200mm；截面高宽比不宜大于4；净跨与截面高度之比不宜小于4。

梁截面一般可先按下列方法估算：

（1）框架主梁：

h=（1/12～1/8）l，b=（1/2～1/3.5）h，b≥bc/2，≥250

（2）框架纵梁、承重梁：

h=（1/12～1/8）l；非承重梁：

h=（1/18～1/15）l

（3）次梁：

h=（1/18～1/15）l

在初步确定梁尺寸后，可按全部荷载的0.6～0.8作用在框架梁上，按简支梁进行抗弯、抗剪截面校核，验算梁截面尺寸的合理性。

（4）现浇板：

连续单向板h≥l/40，连续双向板h≥l/50，h≥80；其中h为梁截面高度，b为梁截面宽度，bc为柱截面宽度，l为梁的跨度。

框架结构中，当梁柱有偏心时，梁中线与柱中线之间的偏心矩不宜大于柱宽的1/4。

在计算梁、柱弯曲刚度时，应考虑楼盖对框架梁的影响，在现浇楼盖中，中框架梁的截面惯性矩取I=2I0；边框架梁取I=1.5I0；在装配整体式楼盖中，中框架梁的截面惯性矩取I=1.5I0；边框架梁取I=1.2I0，I0为框架梁按矩形截面计算的截面惯性矩。

框架柱的惯性矩按实际截面尺寸确定。

梁、柱抗弯线刚度按

计算，式中

为混凝土弹性模量，

为梁、柱长度，

为梁、柱截面惯性矩。

5.荷载

框架结构一般承担的荷载主要有：

楼（屋）面恒载、使用活荷载、风荷载、地震作用及框架自重。

1）楼（屋）面恒载：

包括楼（屋）面板自重、建筑面层自重、天花板自重，恒载标准值等于构件的体积乘以材料的自重。

构件材料的自重可从《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）中查得。

2）楼（屋）面活荷载：

活荷载根据建筑结构的使用功能由《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）查出，活荷载为面荷载。

多、高层建筑中的楼面活荷载，不可能以荷载规范所给的标准值同时满布在所有的楼面上，所以在结构设计时可考虑楼面活荷载折减。

对于住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园的楼面梁，当其负荷面积大于25m2时，折减系数为0.9。

对于墙、柱、基础，则需根据计算截面以上楼层数的多少取不同的折减系数，如表2-1所示。

活荷载按楼层数的折减表2-1

墙，柱，基础计算截面以上层数

2-3

4-5

6-8

9-20

>20

计算截面以上各楼层

活荷载总和的折减系数

1．00

（0．9）

0．85

0．70

0．65

0．60

0．55

注：

当楼面梁的从属面积超过25m2时，采用括号里的系数。

楼（屋）面恒、活荷载的传递路线：

楼面竖向荷载→楼板→梁（主梁、次梁）→柱→基础→地基

图2-2（a）框架结构，不同的楼面结构布置，其荷载传递路线亦不相同：

（a）横向布置空心板：

横向框架承重，楼面竖向荷载→楼板→横向框架梁→柱→基础→地基；

（b）竖向布置空心板：

纵向框架承重，楼面竖向荷载→楼板→纵向框架梁→柱→基础→地基；

（c）现浇单向板肋梁楼盖，设如图2-2b次梁，

、

跨近似为单向板肋梁楼盖，荷载传递路线为：

楼面竖向荷载→楼板→次梁→主梁（横向框架梁）→柱→基础→地基。

填充墙自重直接传递至支承梁上。

（d）双向板肋梁楼盖：

现浇楼面板的长短边之比小于2时为双向板，否则为单向板，图2-2a结构楼面若采用现浇板，不设次梁，则为双向板。

此时楼面竖向荷载的荷载传递路线为：

楼面竖向荷载→楼板→纵、横向框架梁→柱→基础→地基，双向板传向框架梁的路线如图2-3。

图2-2（a）框架柱轴线

图2-2（b）单向板肋梁楼盖（双向承重框架）

图2-2结构布置对荷载传递路线的影响

图2-3双向板承重框架

图2-4框架节点集中风荷载计算范围

3）风荷载

主体结构计算时，垂直于建筑物表面的风荷载标准值应按下式计算：

式中：

为风荷载标准值（kN／m2）；

为基本风压（kN／m2）；

为风压高度变化系数；

为风荷载体型系数；

为z高度处的风振系数。

式中各参数由《建筑结构荷载规范》7.1（GB50009-2001）中查得。

计算时，将风荷载换算成作用于框架每层节点上的集中荷载，范围是上下各半层、左右各1/2跨的风压总和，如图2-4。

4）地震作用

高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，可采用底部剪力法简化计算地震作用。

采用底部剪力法时，各楼层可仅取一个自由度，结构的水平地震作用标准值，应按下列公式确定：

FEK=α1Geq

ΔFn=δnFEK

FEk－结构总水平地震作用标准值；图2-5结构水平地震作用计算简图

Geq－结构等效总重力荷载，单质点应取总重力荷载代表值，多质点可取总重力荷载代表值的85%；

Fi－质点i的水平地震作用标准值；

Gi，Gj－分别为集中于质点i、j的重力荷载代表值，重力荷载代表值应取结构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见《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）表2-2。

各层重力荷载代表值中的恒载为整个楼层的以楼面上下各半层高度范围内的恒载，与单榀框架恒载的计算范围不同，如图2-6。

组合值系数表2-2

可变荷载种类

组合值系数

雪荷载

0.5

屋面积灰荷载

0.5

屋面活荷载

不计入

按实际情况计算的楼面活荷载

按等效均布荷载计算的楼面活荷载

藏书库、档案库

0.8

其他民用建筑

0.5

吊车悬吊物重力

硬钩吊车

0.3

软钩吊车

不计入

a）重力荷载代表值计算范围b）单榀框架恒载计算范围

图2-6重力荷载代表值计算范围

Hi，Hj－分别为质点i、j的计算高度；

α1－相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数值见图2-7；建筑结构的地震影响系数应根据烈度、场地类别、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比确定。

其水平地震影响系数最大值应按表2-3采用；特征周期应根据场地类别和设计地震分组按表2-4采用,计算8、9度罕遇地震作用时，特征周期应增加0.05s。

α-地震影响系数；αmax-地震影响系数最大值；η1-直接下降段的下降斜率调整系数；

γ-衰减指数；Tg-特征周期；η2-阻尼调整系数；T-结构自震周期

图2-7地震影响系数曲线

水平地震影响系数最大值表2-3

地震影响

6度

7度

8度

9度

多遇地震

0.04

0.08（0.12）

0.16（0.24）

0.32

罕遇地震

0.50（0.72）

0.90（1.20）

1.40

特征周期表（s）表2-4

设计地震分组

场地类别

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

第一组

0.25

0.35

0.45

0.65

第二组

0.30

0.40

0.55

0.70

第三组

0.35

0.45

0.65

0.90

建筑结构地震影响系数曲线（图2-7）的阻尼调整和形状参数应符合下列要求：

除有专门规定外，建筑结构的阻尼比应取0.05，地震影响系数曲线的阻尼调整系数应按1.0采用，形状参数应符合下列规定：

1）直线上升段，周期小于0.1s的区段。

2）水平段，自0.1s至特征周期区段，应取最大值（αmax）。

3）曲线下降段，自特征周期至5倍特征周期区段，衰减指数应取0.9。

4）直线下降段，自5倍特征周期至6s区段，下降斜率调整系数应取0.02。

δn－顶部附加地震作用系数，多层钢筋混凝土和钢结构房屋可按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）表2-5采用，多层内框架砖房可采用0.2；其他房屋可采用0.0；

ΔFn－顶部附加水平地震作用。

顶部附加地震作用系数表2-5

Tg（s）

T1>Tg

T1≤1.4Tg

≤0.35

0.08T1+0.07

0.0

<0.35-0.55

0.08T1+0.01

>0.55

0.08T1+0.02

T1为结构基本自振周期，对于质量、刚度沿竖向分布比较均匀的框架结构，可按下式计算基本自振周期：

为考虑非承重墙体刚度对结构周期的调整系数，当采用实砌填充砖墙时取0.6～0.7；当采用轻质墙、外挂墙板时或仅有纵墙时，取0.8，无纵墙时取0.9。

为结构顶点的假想位移值，是以各质点的重力荷载代表值

作为水平荷载求得的结构顶点水平位移。

采用底部剪力法时，突出屋面的屋顶间、女儿墙、烟囱等的地震作用效应，宜乘以增大系数3，此增大部分不应往下传递,但与该突出部分相连的构件应予计入。

计算水平荷载（风荷载、地震作用）作用下的侧移可采用D值法（详见第3章），

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