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