建筑工程设计一榀框架计算土木工程毕业设计手算全过程.docx

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建筑工程设计一榀框架计算土木工程毕业设计手算全过程

（建筑工程设计）一榀框架计算（土木工程毕业设计手算全过程）

一框架结构设计任务书

1.1工程概况：

本工程为成都万达购物广场----成仁店，钢筋混凝土框架结构。

梁板柱均为现浇，建筑面积约为5750m2，宽27米，长为45米，建筑方案确定。

建筑分类为乙类公共类建筑，二类场地，抗震等级三级。

图1-1计算平面简图

1.2设计资料

1）气象条件：

基本风压3155KN/m2

2）抗震设防：

设防烈度7度

3）屋面做法：

20厚水泥砂浆面层

一层油毡隔离层

40厚挤塑聚苯板保温层

15厚高分子防水卷材

20厚1:

3水泥砂浆找平

1:

6水泥焦渣1%找坡层，最薄处30厚

120厚现浇钢筋混凝土板

粉底

4）楼面做法：

8~13厚铺地砖面层

100厚钢筋砼楼板

吊顶

1.3设计内容

1）确定梁柱截面尺寸及框架计算简图

2）荷载计算

3）框架纵横向侧移计算；

4）框架在水平及竖向力作用下的内力分析；

5）内力组合及截面设计；

6）节点验算。

二框架结构布置及结构计算简图确定

2.1梁柱截面的确定

通过查阅规范，知抗震等级为3级，允许轴压比为[μ]=0.85

由经验知n=12~14kn/m2取n=13kn/m2

拟定轴向压力设计值N=n•A=13kn/m2×81m2×5=5265KN

拟定柱的混凝土等级为C30，fc=14.3N/mm2柱子尺寸拟定700mm×700mm

μ===0.75<[μ]=0.85满足

初步确定截面尺寸如下：

柱：

b×h=700mm×700mm

梁（BC跨、CE、EF跨）=L/12=9000/12=750mm取h=800mm，b=400mm

纵梁=L/12=9000/15=600mm取h=600mm，b=300mm

现浇板厚取h=120mm

2.2结构计算简图

结构计算简图如下：

图2-1结构计算简图

图2-2平面计算简图

三荷载计算：

3.1恒载标准值计算

1）①屋面板恒荷载标准值

20厚1:

3水泥砂浆面层0.02×20=0.4KN/M2

一层油毡隔离层0.05KN/M2

40厚挤塑苯板保温层0.04×0.5=0.02KN/M2

15厚高分子防水卷材0.04KN/M2

20厚1:

3水泥砂浆找平0.02×20=0.4KN/M2

1:

6水泥渣1%找坡层最薄处30厚（0.03+0.045）/2×14=0.525KN/M2

120厚现浇钢筋混凝土板0.12×25=3KN/M2

12厚板底抹灰0.012×20=0.24KN/M2

合计4.675KN/M2

屋面板传递给边柱的集中荷载：

4.675×1.5×9=63KN

中柱的集中荷载：

4.675×3×9=126.23KN

②屋顶次梁恒载标准值

单向板传给次梁的荷载4.675×3=14.025KN/M

次梁自重0.3×（0.6-0.12））×25=3.6KN/M

次梁粉刷（0.6-0.12）×0.02×17×2=0.326KN/M

合计18KN/M

图3-1次梁计算单元及板传力图

③屋顶框架梁所受恒荷载标准值

次梁传给框架梁恒荷载18×9=162KN

④屋顶框架梁重量

梁自重：

0.4×﹙0.8-0.12﹚×25=6.8KN/M

粉刷：

﹙0.8-0.12﹚×0.02×17×2=0.46KN/M

合计7.26KN/M

2）①楼面板恒载标准值

8~13厚铺地砖面层0.6KN/M2

20厚1:

2水泥砂浆结合层0.02×20=0.4KN/M2

120厚钢筋砼楼板0.12×25=3KN/M2

石膏板吊顶0.2KN/M2

合计4.2KN/M2

楼面板传递给边柱的集中荷载：

4.2×1.5×9=56.7KN

中柱的集中荷载：

4.2×3×9=113.4KN

②2~5层纵向次梁恒载标准值

计算简图见图3

楼面单向板传给纵向次梁恒荷载4.2×3=12.6KN/M

次梁自重0.3×（0.6-0.12）×25=3.6KN/M

合计16.2KN/M

③2~5层框架梁所受恒荷载标准值

次梁传递给框架梁恒荷载16.2×9≈150KN

③2~5层框架梁恒载标准值

框架梁自重0.4×（0.8-0.12）×25=6.8KN/M

3）四层建在所取一榀框架梁上的填充墙恒荷载标准值

墙自重0.2×（3.3-0.8）×10.3≈5.2KN/M

粉刷（3.3-0.8）×0.02×17×2=1.7KN/M

合计取（因为有构造柱取大点）7.2KN/M

4）柱自重标准值

1~3层柱自重：

0.7×0.7×（4.2－0.12）×25＝49.98KN

大理石贴面：

0.5×4×0.7×4.2＝5.88KN

合计55.86KN

4~5层柱自重：

0.7×0.7×（3.3-0.12）×25＝38.96KN

大理石贴面：

0.5×4×0.7×3.3＝4.62KN

合计43.58KN

5）外墙自重标准值

5层外墙作用在边柱的集中荷载

墙自重：

0.2×（3.3-0.12）×10.3×（9-07）=54.37KN

粉刷：

2×0.02×（3.3-0.12）×17（9-0.7）=17.95KN

合计72.32KN

4层玻璃幕墙作用在边柱的集中荷载

玻璃幕墙自重：

1.5kn/m2×（9-0.7）×（3.3-0.12）=26.15KN

2~3层外墙作用在边柱的集中荷载

墙自重：

0.2×（4.2-0.12）×10.3×（9-07）=69.76KN

粉刷：

2×0.02×（4.2-0.12）×17（9-0.7）=23.03KN

合计92.79KN

3.2活荷载标准值计算

1）①屋面板活荷载标准值（不上人）：

0.5KN/M²

②顶层次梁受板传递的活荷载标准值（计算简图见图2）

0.5×3=1.5KN/M

③框架梁受次梁传递的活荷载标准值

1.5×9=13.5KN

④屋面板传递给边柱的集中荷载：

0.5×1.5×9=6.75KN

中柱的集中荷载：

0.5×3×9=13.5KN

2）①5层楼面板活荷载标准值：

5KN/M²

②5层次梁受板传递的活荷载标准值（计算简图见图3）

5×3=15KN/M

③框架梁受次梁传递的活荷载标准值

15×9=135KN

④5层面板传递给边柱的集中荷载：

5×1.5×9=67.5KN

中柱的集中荷载：

5×3×9=135KN

3）①4层楼面板活荷载标准值：

2.5KN/M²

②4层次梁受板传递的活荷载标准值（计算简图见图3）

2.5×3=7.5KN/M

③框架梁受次梁传递的活荷载标准值

7.5×9=67.5KN

④屋面板传递给边柱的集中荷载：

2.5×1.5×9=33.75KN

中柱的集中荷载：

2.5×3×9=67.5KN

4）①2~3层楼面板活荷载标准值：

3.5KN/M²

②2~3层次梁受板传递的活荷载标准值（计算简图见图3）

3.5×3=10.5KN/M

③框架梁受次梁传递的活荷载标准值

10.5×9=94.5KN

④屋面板传递给边柱的集中荷载：

3.5×1.5×9=47.25KN

中柱的集中荷载：

3.5×3×9=94.5KN

四内力计算

4.1恒荷载作用下的内力计算

刚度计算

梁线刚度：

截面的惯性矩Ib0===17×109mm4

考虑现浇楼板对框架梁截面惯性矩的影响，中框架梁取I中=2Ib0边框架取I边=1.5Ib0

i边跨梁=E=28×105E

i中跨梁=E=38×105E

柱线刚度：

截面的惯性矩IC===20×109mm4

i4~5层柱=E=60×105E

i1~3层柱=E=48×105E

取105E值作为基准值1，算得各杆件相对线刚度（见下图）

图4-1梁柱相对线刚度图

图4-2恒载作用下的计算简图

由于分布荷载在梁汇总产生的内力远小于集中荷载，所以将梁的分布荷载近似等效为作用在次梁处的集中荷载，以便于计算。

图4-3恒载等效荷载作用下的计算简图

因为框架对称，且恒荷载为正对称荷载，所以取半榀框架进行计算。

由结构力学梁端弯矩公式得到：

顶层结点弯矩：

MAB=-MBA=-Pa（1-）=194.67×3×（1-）=-389.34KN·M

4层结点弯矩：

MAB=-MBA=-Pa（1-）=213×3×（1-）=-426KN·M

标准层结点弯矩：

MAB=-MBA=-Pa（1-）=180.6×3×（1-）=-361.2KN·M

采用二次弯矩分配法（见下图）

图4-4恒载弯矩分配图

在竖向荷载作用下，梁端截面有较大的负弯矩，设计时应进行弯矩调幅，降低负弯矩，以减少配筋面积。

对于现浇框架，支座弯矩调幅系数为0.85（在内力组合的表中进行梁端调幅计算）

图4-5恒载作用下的框架弯矩图（等效为集中荷载时）

表4-1恒载作用下内力

楼

层

荷载引起的弯矩

弯矩引起的内力

AB跨

BC跨

CD跨

AB跨

BC跨

CD跨

VA

VB

VB

VC

VC

VD

VA

VB

VB

VC

VC

VD

顶层

194.67

-194.67

194.67

-194.67

194.67

-194.67

-16.52

-16.52

0

0

16.52

16.52

5

180.6

-180.6

180.6

-180.6

180.6

-180.6

-6.07

-6.07

0

0

6.07

6.07

4

213

-213

213

-213

213

-213

-10.57

-10.57

0

0

10.57

10.57

3

180.6

-180.6

180.6

-180.6

180.6

-180.6

-9.18

-9.18

0

0

9.18

9.18

2

180.6

-180.6

180.6

-180.6

180.6

-180.6

-11.07

-11.07

0

0

11.07

11.07

楼

层

恒载作用下的剪力

AB跨

BC跨

CD跨

VA

VB

VB

VC

VC

VD

顶

层

178.15

-221.19

194.67

-194.67

221.19

-178.15

5

174.53

-186.67

180.6

-180.6

186.67

-174.53

4

202.43

-223.57

213

-213

223.57

-202.43

3

171.42

-189.78

180.6

-180.6

189.78

-171.42

2

169.63

-191.67

180.6

-180.6

191.67

-169.63

图4-6恒载作用下的框架梁的剪力图

柱轴力包括柱传下轴力和柱自重，恒载作用下的柱轴力见下图。

图4-7恒载作用下柱的轴力图

4.2活荷载作用下的内力计算

活荷载按满跨布置，不考虑活荷载的最不利布置。

此时，求得的跨中弯矩比最不利荷载位置法的计算结果偏小，故对梁跨中弯矩乘以1.2的增大系数。

梁端弯矩应进行弯矩调幅，乘以调幅系数0.85.在内力组合的表中进行跨中弯矩增大和梁端调幅计算。

方法同恒载作用下的内力计算，计算过程见下图。

图4-8活荷载作用下的计算简图

图4-9活荷载作用下的框架弯矩分配图

图4-10活荷载作用下的框架弯矩图

表4-2活载作用下的内力

楼

层

荷载引起的弯矩

弯矩引起的内力

AB跨

BC跨

CD跨

AB跨

BC跨

CD跨

VA

VB

VB

VC

VC

VD

VA

VB

VB

VC

VC

VD

顶层

13.5

-13.5

13.5

-13.5

13.5

-13.5

0.61

0.61

0

0

-0.61

-0.61

5

135

-135

135

-135

135

-135

-7.3

-7.3

0

0

7.3

7.3

4

67.5

-67.5

67.5

-67.5

67.5

-67.5

-2.3

-2.3

0

0

2.3

2.3

3

94.5

-94.5

94.5

-94.5

94.5

-94.5

-5.19

-5.19

0

0

5.19

5.19

2

94.5

-94.5

94.5

-94.5

94.5

-94.5

-5.19

-5.19

0

0

5.19

5.19

楼

层

活荷载作用下的剪力

AB跨

BC跨

CD跨

VA

VB

VB

VC

VC

VD

顶层

14.11

-12.89

13.5

-13.5

12.89

-14.11

5

127.7

-142.3

135

-135

142.3

-127.7

4

65.2

-69.8

67.5

-67.5

69.8

-65.2

3

89.31

-99.69

94.5

-94.5

99.69

-89.31

2

88.71

-100.29

94.5

-94.5

100.29

-88.71

图4-11活载载作用下的框架梁的剪力图

图4-12活荷载作用下柱的轴力图

4.3地震荷载作用下框架的内力计算

一、水平地震作用标准值的计算

1、框架的抗震等级

由设计需求，抗震设防烈度为7度，房屋高度为19.2m<30m，可知该框架的抗震等级为三级。

2、场地和特征周期值

工程场地为Ⅱ类场地，地震设计特征周期值Tg=0.40s。

3、重力荷载代表值（取第④轴线的KJL计算各层重力荷载代表值）

对于楼层，重力荷载代表值取全部恒荷载和50%的楼面活荷载。

对于屋顶是不上人屋顶故屋面活荷载不计入。

顶层重力荷载代表值G6

G6恒

=（63+32.4）×2+（126.23+32.4）×2+162×6+7.26×27=1580.68KN

第5层重力荷载代表值G5

G5恒+0.5活

=[（56.7+32.4+72.32）×2+（113.4+32.4）×2+150×6+6.8×27+43.58×4]+0.5×（67.5×2+135×2+135×6）=2479.86KN

第4层重力荷载代表值G4

G4恒+0.5活=[（56.7+32.4+26.15）×2+（113.4+32.4）×2+150×6+6.8×27+7.2×27+43.58×4]+0.5×（33.75×2+67.5×2+67.5×6）=2278.17KN

第3层重力荷载代表值G3

G3恒+0.5活=[（56.7+32.4+92.79）×2+（113.4+32.4）×2+150×6+6.8×27+55.86×4]+0.5×（47.25×2+94.5×2+94.5×6）=2387.67KN

第2层重力荷载代表值G2

G2恒+0.5活=2387.67KN

4、结构自震周期T1

对框架结构，采用经验公式计算:

T1=0.085n=0.085×5=0.425s

5、地震影响系数

由=0.40s，T1=0.425s，

6、计算水平地震作用标准值（采用底部剪力法计算）因为T1<1.4，故顶部附加地震作用不考虑。

可按下表计算

计算水平地震作用标准值表

二、水平地震作用产生的框架内力

表4-3水平地震作用产生的框架内力

位置

顶层

1580.68

19.2

30349.1

717.97

169.5

第5层

2479.86

15.9

39429.8

717.97

220.2

第4层

2278.17

12.6

28704.9

717.97

160.3

第3层

2387.67

8.4

20056.4

717.97

112

第2层

2387.67

4.2

10028.2

717.97

56

KN·m

1、各柱剪力值及反弯点高度

层数

柱号

反弯点高度y

5

169.5

A5

0.187（）60

1.074（）60

29.5

0.74

B5

0.35（）60

55.2

1.19

C5

0.35（）60

55.2

1.19

D5

0.187（）60

29.5

0.74

4

389.7

A4

0.187（）60

1.074（）60

67.9

1.09

B4

0.35（）60

127

1.32

C4

0.35（）60

127

1.32

D4

0.187（）60

67.9

1.09

3

550

A3

0.225（）48

1.27（）48

97.44

1.85

B3

0.41（）48

177.56

1.93

C3

0.41（）48

177.56

1.93

D3

0.225（）48

38.7

1.85

2

662

A2

0.225（）48

1.27（）48

117.3

2.1

B2

0.41（）48

213.7

2.1

C2

0.41（）48

213.7

2.1

D2

0.225（）48

117.3

2.1

1

718

A1

0.418（）48

1.92（）48

156.3

2.98

B1

0.541（）48

202.3

2.73

C1

0.541（）48

202.3

2.73

D1

0.418（）48

156.3

2.98

2、水平地震作用下的框架内力图

求出各柱剪力Vi和该柱反弯点高度yi后，则该柱下端弯矩为Mi=Viyi,上端弯矩为Vi（hi-yi）,再利用节点平衡求出框架梁端弯矩，画出左地震作用下的框架内力图，右地震作用下的框架内力与左地震作用下的反号。

图4-13水平地震（左震）作用下的框架内力图

弯矩图（单位：

KN·m）与梁剪力图（单位：

KN）

图4-14左震作用下的柱剪力图与轴力图（单位：

KN）

五内力组合

5.1框架横梁内力组合：

由于是对称结构，所以只算左跨和中跨，右跨内力与左跨反号。

表5-1KJ4的屋面框架梁（顶层）内力组合表

杆件

截面位置

内力种类

①恒荷载

②活荷载

③重力荷载

④左震

⑤右震

M＋max

M－max

Vmax

组合项

组合值

组合项

组合值

组合项

组合值

AB

A

M

-245.47

-30.43

-260.69

64.19

-64.19

1.2×③+1.3×⑤

-396.28

1.35①+0.7×1.4②

V

178.15

14.11

185.21

-13.88

13.88

254.33

跨中

M

295.72

10.03

300.74

—

—

1.2×①+1.4×②

368.9

B左

M

-371.88

-25.8

384.78

-42

42

1.35①+0.7×1.4②

527.32

1.35①+0.7×1.4②

V

-221.19

-12.89

227.64

-13.88

13.88

-311.24

BC

B右

M

-346.83

-22.95

-358.31

57

-57

1.2×③+1.3×⑤

-504.07

1.35①+0.7×1.4②

V

194.67

13.5

201.42

-14.9

14.9

285.15

跨中

M

175.97

13.5

182.72

—

—

1.2×①+1.4×②

230.06

C左

M

-346.83

-22.95

-358.31

-57

57

1.2×③+1.3×④

-504.07

1.35①+0.7×1.4②

V

-194.67

-13.5

-201.42

-14.9

14.9

-285.15

表5-2KJ4的框架梁（5层）内力组合表

杆件

截面位置

内力种类

①恒荷载

②活荷载

③重力荷载

④左震

⑤右震

M＋max

M－max

Vmax

组合项

组合值

组合项

组合值

组合项

组合值

AB

A

M

-319.31

-192.1

-415.36

146.05

-146.05

1.2×③+1.3×⑤

-688.3

1.35①+0.7×1.4②

V

174.53

127.7

238.38

-34.03

34.03

360.76

跨中

M

187.93

188.52

376.45

—

—

1.2×①+1.4×②

489.44

B左

M

-331.78

-248

-455.78

-114.3

114.3

1.2×③+1.3×④

-695.526

1.2×③+1.3×④

V

-186.67

-142.3

-257.82

-34.03

34.03

-391.46

BC

B右

M

-312.95

-225.07

-425.49

155.28

-155.28

1.2×③+1.3×⑤

-712.45

1.35①+0.7×1.4②

V

180.6

135

248.1

-40.6

40.6

376.11

跨中

M

173.63

168.25

257.76

—

—

1.2×①+1.4×②

443.91