高层建筑结构课程设计

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1、目录摘要5一、建筑设计51、设计资料52、结构方案评价6二、结构布置及有关尺寸的初步估算6 1、结构布置及梁，柱截面尺寸的初选2、荷载计算9三、结构的线刚度与横向侧移刚度计算131、 结构的线刚度计算132、 结构的横向侧移刚度计算15 四、框架的风荷载、地震荷载集中于各楼层标高处的重力荷载代表值Gi151、地震荷载作用下的梁、柱、墙、门、窗重力荷载标准值152、风荷载标准值计算及位移验算22五、 风荷载计算24六、竖向荷载内力计算2528七、水平荷载作用下内力计算281. 水平地震荷载作用下2. 水平风载作用下的内力计算31八、三四层内力算至柱边缘处 32九、竖向荷载作用下弯矩调幅后梁控制截

2、面内力值33十、三四层内力组合如下表33十一、 截面配筋计算331. 梁跨中截面配筋计算332. 计算柱弯矩设计值36十二、参考文献39摘要：现建一栋整体式钢筋混凝土六层框架结构的建筑物，建筑高度为20.4m, 基本风压0.35kN/m。设计内容包括建筑与结构设计两部分。这个设计项目的建筑设计，进行了建筑物的平、立、剖的三方面的设计。办公楼 属于公共建筑，既要求满足建筑布局，也要有抗震、采风通光等各方面的要求。 结构设计，主要进行了结构布置及选型、荷载计算、内力计算、内力组合、按最 不利内力进行各杆件配筋计算。关键词：框架结构；办公楼；建筑设计；结构设计一、建筑设计1. 设计资料(1) 某六层

3、办公楼，采用整体式钢筋混凝土结构，标准层平面图详见附图1。(2) 建筑物层高：底层层高为3.9m，26层层高为3.3m。(3) 抗震设防烈度为7度，1类场地土，特征周期分区为二区。(4) 基本风压：w0=0.35 kN/m2，地面粗糙度为B类。(5) 其他条件可参照相关教材中有关框架结构的设计例题。(6) 恒载分项系数为1.2；活荷载分项系数为1.4。(7) 材料选用：混凝土采用C30；钢筋梁、柱中受力纵筋均采用HRB335或HRB400，箍 筋及构造钢筋采用HPB235。附图1标准层平面图其他： 室内外高差450mm；基顶标高为-1.200m。 屋面做法：不上人屋面（活荷载0.5 kN/m2

4、），卷材防水（有保温层，二 道防水），水泥膨胀珍珠岩找坡。（注：屋面保温、防水、找坡层总重按2.5 kN/m2 计算。） 女儿墙：240 mm厚，采用实心砖（自重按18 kN/m3）砌筑，墙高0.5m， 100mm混凝土压顶。 外墙饰面：20 mm厚水泥砂浆打底、找平，面刷乳胶漆（外墙用）。 内墙饰面：混合砂浆刷乳胶漆（总厚度22mm）。 外纵墙上开窗高度：底层为2.6m，24层为2.0m。 内纵墙自重计算可以不扣除门洞，外纵墙自重计算必须扣除窗洞，然后 再计算窗重。（塑钢窗自重按0.4 kN/m3计算） 纵向框架梁及基础梁均按照250X400设计。2. 结构方案评价该建筑为常见的一般建筑物，

5、即属于A级框架结构体系，查表2-2得：抗震 设防烈度为7度时，最大适用高度为50m，该设计方案建筑高度为（3.9+3.3 X5） m=20.4m 50m，故满足要求。查表2-6得：最大高宽比为4，该设计方案高宽比为H/B= 354业=2.7 4，13m故满足要求。查表2-10得长宽比限值为6.0，该设计方案长宽比为给 =2.77 3600 = 90。4040一. 确定计算简图假定框架柱与基础顶面接触，框架梁与柱刚接，设计时为了计算的方便，使每个柱 子的尺寸不变，于是梁的跨度和柱截面形心线之间的距离相等。将基础距离室外地坪的 高度设为1.2m，室内外高差为0.45m，所以底层的柱子高度为h=3.

6、9+1.2+0.45=5.55m， 其余各层竹篙从露面算到上一层楼面，所以都是3.3m,于是框架的计算见图为下图2-2 表示。1;的I：图2-2框架计算简图二. 梁、柱截面尺寸的估算：（1）梁截面1. AB 跨：主梁：L =7200mmh=(上 -)L=600mm900mm,取 h=700mm12 8b= (L ) h=233mm350mm，取 b=300mm3 2故该框架的横梁与纵梁的初步设计截面尺寸为bXh=300mmX 700mm次梁：L=7200哑h= ) L=400mm600mm,取 h=500mm18 12b= (4 ) h=200mm300mm，取 b=300mm3 2故框架的次

7、梁初步设计截面尺寸为b X h=300mmX 500mm2.BC 跨：主梁：L=3000mmh=(上 - ) L=250mm375mm,取 h=500mm12 8b= (4 ) h=167mm250mm，取 b=300mm3 2故框架梁的初步设计截面尺寸为bXh=300mmX 500mm。于是计算结果归纳于下表 2-1：表2-1估算梁的截面尺寸，单位为mm层数混凝土强度等级横梁(bxh)纵梁(bxh)次梁(bxh)AB,CE 跨BC跨16C30300X700300X500300X700300X500(2)柱截面尺寸的估算框架柱截面尺寸根据柱的轴压比限制，按下式计算：N = Fgn公式(2-1)

8、式中：P :为考虑地震作用组合后柱轴力压力增大系数，边柱取1.3,等跨内柱取1.2,不等跨取1.25；F :为按照简支状态计算柱的负荷面积；g :为折算后在单位面积上的重力荷载代表值，近似取14kN/m2 ；n :为验算截面以上楼层层数;则底层中柱的轴力设计值为N=1.2X 14X7.2X （7.2+3）/2X5=3084.48kN该项目工程全部使用C30的混凝土，查表的fc =14.3N/mm2 ,首先假定该层柱截面尺寸bxh=500mm X 500mm，则柱的轴压比为：_ N _3084.48 x 103日 一 fbh 一 14. 3 x 500 x 500 .jH图3-1框架梁柱的相对线

9、刚度2、结构的横向侧移刚度计算底层：A、0.562K = 0.802 a0.701c0.5 + K 1.062=0.4652.80212 x 6.68 x104=0.465 x= 15846.27kN/m4.852B、C柱丫 0.562 + 0.656 1 “K = 1.7380.701厦=0.599 2+K八 12iD =a cc h 2标准层：A、E柱K=0.562 x 21.0 x 2= 0.562a = 2- = 0.219=0.599 x 34078 = 20412.72kN/m D = (15846.27+ 20412.72)x 2 = 72517.98kN/mD =acB、C柱K

10、 = 0.562 + 0.656 = 0.6092 x1.0= 0. 233 2+K12i12 x 9.53 x104c = 0.219 x= 21665.1kN/mh23.42D =ac 畀=0.233x 12x；：x104 = 23050.1kN/m D = (21665.1+ 23050.1)x 2 = 89430.4kN/m计算结果见下表3-1：表3-1横向侧移刚度统计表层号12345ED72517.9889430.489430.489430.489430.4】D1/】D2：72517.98/89430.4=0.810.7 故框架为规则框架四、框架的风荷载、地震荷载集中于各楼层标高处的

11、重力荷载代表值Gi1、地震荷载作用下的梁、柱、墙、门、窗重力荷载标准值1.1梁、柱、墙、门、窗重力荷载标准值表4-1梁、柱重力荷载标准值层次构件b /mh /mY/(kN/m3)Pg /(kN/ m)li/mnGi /kNGi/kN1边横梁0.300.70251.055.5136.40016564.5312064.635中横梁0.300.50251.053.9382.800888.211次梁0.300.50251.053.9386.85014377.654纵梁0.300.70251.055.5136.700281034.239柱0.500.50251.106.8754.85032106725边

12、横梁0.300.70251.055.5136.40016564.5312064.635中横梁0.300.50251.053.9382.800888.211次梁0.300.50251.053.9386.85014377.654纵梁0.300.70251.055.5136.700281034.239柱0.500.50251.106.8753.40032748.墙自重外墙作法：全部使用300mm厚的灰砂砖，Y =18kN/m3,，一侧为20mm的厚抹灰层，Y =17kN/mL 一侧墙体为水刷石墙面，y =0.5kN/；则外墙的重力荷载标准值为：18 kN / m3 X 0.3m+17 kN / m3

13、 X 0.02m+0.5 kN / m2 =6.24 kN / m2内墙使用300mm厚的灰砂砖，Y =18kN/m3,两侧均为20mm厚的抹灰层，则 内墙的单位面积重力荷载标准值为：18 kN / m3 X0.3m+17 kN / m3 X 0.02mX 2=5.74kN / m2三.门窗单个重力荷载计算除大门为玻璃门Y =0.45kN / m2，办公室为木门y =0.2kN / m2窗：全部使用铝合金玻璃窗Y =0.35kN / m21.2重力荷载代表值重力荷载代表值指该建筑物的相关构件自重标准值和可变荷载组合值之和。G广(气柱+G下柱)x0.5+G2层梁板自重+(G上墙+G下墙)x0.5

14、+GjG窗+。.5 乂气面活荷载 公式(4-1)其中&楼面活荷载所乘的系数5为可变荷载的组合值系数。当计算顶层时，可变 荷载取雪荷载，系数仍取.5。底层：外墙总长：43.4-0.5x8-1.8x2-2.1 x4-2.4x6+(176-05 x4-1.8)x2+43.4-0.5x8-1.8x 2-2.1 x6-2.4x2-2.7=56.7m外墙面积：56.7mX4.85m=274.995m2外墙自重：6.24X274.995=1715.97 kN所以G=171597./2=857.985 kN内墙总长：(7.2-.35-.4)X8+ (7.2-.2-.15)X5+5.4-.2-.15+3.6X4

15、-.4-.5X2-1.8-0.9 X 3+.15+3.6 X 3-.4-.5 X 2-.9 X 3+3.6 X 2-.35 X 2-.9 X 2+3.6X3-.35-.5-1.8-.9+.15+3.6X2-.3-.9X2=123.45m内墙 G=123.45X4.85X5.74/2=1718.362 kN底层梁自重G=264.635kN柱子：G=(167+748)/2=97.5 kN门：G= (1.8 X 2.7 X 2+2.4X 2.7 X 2+2.7X2.7+1.8X2.1X2)X .45+ (.9X2.1X11+1.8X2.1)X.2=21.83 kN窗：G= (1.8X1.8X3+2.

16、1X1.8X1+2.4X1.8X6)X.35=25.74 kN板：G=43.4X17.6-(3.6-.3) X (5.4-.35) X 4.13+(3.6-.3) X (5.4-.35) X5.17=3171.99kN活荷载：G二.5X2.X43.4X 17.6=763.84kN二层：外墙总长：43.4-.5 X 8-1.8 X 2-2.1 X 4-2.4 X 6+ ( 17.6-.5 X 4-2.1) X2+43.4-0.5 X 8-1.8 X 2-2.1 X 10=54.8m外墙自重：G=54.8X3.4X6.24/2=581.318kN内 墙总长：(7.2-0.35-0.4 ) X 12

17、-2.4 X 6+ ( 7.2-0.2-0.15 ) X 6+5.4-0.2-0.15+43.4-0.5 X 8-0.9 X 6+36-0.7-0.5 X 4-1.2 X 4-0.9 X 4-1.8+3.6 X2-0.3-0.9X2=171.35m内墙 G=171.35X3.4X5.74/2=1672.033 kN柱：G=748 kN梁：G=2064.635 kN门：G= (2.4X2.1X6+1.8X2.1+1.2X2.1X4+0.9X2.1X12)X0.2=13.356 kN窗：G= (1.8X1.8X4+2.1X1.8X14+2.4X1.8X6)X0.35=32.13kN板：G=3171

18、.99kN活荷载：G=763.84kN标准层：外墙：G=581.318kN内墙：总长：(7.2-0.35-0.4) 11+(7.2-0.2-0.15)8+5.4-0.2-0.15+43.4-0.5 X 8-0.9 X10-1.2 X 2+36-0.7-0.5X4-1.8-0.9 X 8+3.6 X 2-0.3-0.9 X 2=188.2m内墙自重：G=188.2X3.4X5.74/2=1836.456kN柱：G=748 kN梁：G=2064.635 kN门：G= (0.9X2.1X20+1.2X2.1X2+1.8X2.1)X0.2=9.324kN窗：G=32.13kN板：G=3171.99kN

19、活荷载：G=763.84 kN顶层：雪荷载：G=0.5 X 0.45 X 43.4 X 17.6=171.864kN外墙：G=581.318kN内墙：总长：(7.2-0.35-0.4)X8+(7.2-0.2-0.15)X7+5.4-0.2-0.15+43.4-0.5X8-1.2X 4-0.7 X 4+36-0.7-0.5 X 4-1.8-0.7 X 6-0.9 X 2+3.6 X 2-0.3-0.9 X2+(1.8-0.3-0.7) X10+(2.1-0.3) X 10=193kN内墙自重：G=193X3.4X5.74/2=1883.294kN柱：G=748/2=374kN梁：G=2064.6

20、35kN门：G= (1.2X2.1X4+0.9X2.1X4+0.7X2.1X20+1.8X2.1) X0.2=10.164 kN 窗：G=32.13kN女儿墙:使用300mm厚的蒸压粉煤灰加气混凝土砌块，=5.5kN/m3，两侧均为20mm厚的抹灰，墙高设计为900mm，另外上面为100厚混凝土盖顶。则单位面积内的重力荷载为：5.5 kN /m3 X0.3m+17 kN /m3 X 0.02mX 2=2.33 kN /m2屋面女儿墙：0.9X(43.4+17.6)X2=122m2女儿墙自重：G=122X2=244kN板：G=43.4X 17.6X6.59=5033.706kN活荷载：G=763

21、.84kN综合以上计算得：G=7813.457+1718.362+581.318+1672.033=11785.17kNG2=581.318+581.318+1672.033+1836.456+748+2064.635+13.356+32.13+3171.9 9+763.84=11465.076kNG3=Gj(581.318+1836.45)*2+748+2064.635+9.324+32.13+3171.99+763.84=116 25.467kNG5=1883.294+581.318+374+2064.635+10.164+32.13+171.864+244+5033.706+76 3.8

22、4=11158.951kN所以，地震荷载集中于各楼层标高处的重力荷载代表值Gi，可由下图4-1表示:G5 = 11158.951kN图4-1*G4=11625.467kN地震荷载集中于各楼层标高处的重力荷载代表值Gi G3 = 11625.467kNG2 = 11465.076kNGl = 11785.17kN结构顶点的假想侧移计算表1.3横向水平地震作用下框架的侧移计算层次Gi/kNV Gi/kNDi /(N / mm)A|；/ mm% / mm511158.9511115)8.95189430.4X167.840.2411625.46722784.41889430.4X1615.972.2

23、311625.46734409.88589430.4X1624.096.2211465.07645874.96189430.4X1632.072.2111785.1757660.13172517.98X1640.240.2表4-2框架的自振周期:取V T = 0.7，贝T1 =1.7 xv t x 死= 1.7 x 0.7 xj0.1199 = 0.41s1.4横向水平地震作用下的楼层地震剪力计算由于本结构高度不超过40m,变形以剪切型为主的且质量和刚度沿高度分布 比较均匀，故使用底部剪力法计算水平地震作用。结构总的横向水平地震作用标 准值计算如下：G = 0.85G = 0.85x(1178

24、5.17+11465.076+ 11625.467x2 +11158.95D=57660137AN查表得 T = 0-35 ，口 max=心；因为T T 5T , T 30m,且高宽比H/B=35.4/13=2.7 1.5所以要考虑风振系数6 z=i+ 空 基本振型z高度处振型系数甲广H基本风压值z气=0.35kN/m2框架结构基本周期：=0.25+0.53X10-3 XH 2_35.42_=0.25 + 0.53 x 10-3 x= 0.53s3 BV13气T= 0.35 x 0.532 = 0.098kN.s2 / m2城市郊区属于B类粗糙度地区，查表3-3得，脉动增大系数& =1.228

25、 H/B=35.4/36=0.983 查表 3-4 得脉动影响系数V =0.4585 平面为矩形所以风载体型系数p s=0.8+0.5=1.3p z由表3-1查得3k1=P Z1 Psp z 30楼层Z/mp sP z1p z1z3 03k1h.1A.1F113.01.31.00001.04770.08470.350.47673.319.89.4426.61.31.00001.10500.18640.350.50283.621.610.86310.21.31.00561.16130.28810.350.53143.621.611.48413.81.31.10641.19840.38980.35

26、0.60333.621.613.03517.41.31.19281.23200.49150.350.66863.621.614.44621.01.31.26701.26360.59320.350.72843.621.615.73六、竖向荷载内力计算梁柱线刚度计算因为在设计时：当梁两边都有楼板时，I=2.0Ir 当梁一边有楼板时，1=1.51注：I为按矩形截面计算的惯性矩。1所以梁的线刚度计算如下表：梁位置EcLbXhIrI1b(X1010 )中间梁3.15X1046500400mmX600mm7.2X10914.4X1096.98边梁3.15X1046500400mmX600mm5.4X109

27、10.8X1095.24EI注：1r_b= l柱的线刚度计算如下表：层数EchbXhI1c (X1010)2-63.15X1043300650mmX650mm14.88X10913.0213.15X1043900650mmX650mm14.88X10911.72EI注：1 =因为竖向荷载为对称荷载，取4号轴线的一根框架为计算单元，结构对称，所以 中柱的剪力和弯矩为零。由每个杆件均为固端，所以转动刚度S=4i分配系数p i= 土传递系数C=0.5在竖向恒载作用下在竖向恒载作用下梁柱内力计算结果如下其中梁端剪力由公式：V.l =1ql 2+M i - Mr b i 2bi b iVr l = -

28、q l + M - Mb i 2b i b i柱剪力：Vihi= M t + M b梁轴力为上下两柱剪力的代数和，柱上端的轴力二其上所有柱自重+其上所有墙自重+其上所有梁端剪力柱下端的轴力二该柱上端的轴力+本层柱的自重柱的自重=0.65X0.65X25X3.6=38.03kN 外墙自重=6kN/mX 6m=36kN内墙自重=1.5kN/m2X6mX (3.6-0.6)m=27kN层数截面MNV上端43.72-1041.68-24.29边柱柱下端43.72-1079.71-24.294上端0-1691.180中柱下端0-1729.210左端-87.44089.00梁跨中51.29-右端110.9

29、80-96.253柱边柱上端43.72-1024.71-24.20下端43.41-1242.74-24.20中柱上端0-1948.710下端0-1986.740左端-87.440.0989.00梁跨中51.29-右端110.980.09-96.25注：弯矩、剪力以顺时针为正，逆时针为负。轴力以压负，拉为正。计算3,4层柱的轴力时用到的其他各层梁的剪力见下表层数V /kNVr /kN3-689.0096.25在竖向活载作用下梁柱内力统计如下表其中梁端剪力由公式：Vbi - I =2 ql 2+M1 - MrVjl= 2 q l + M - M柱剪力：V.h.= M t + Mb梁轴力为上下两柱剪

30、力的代数和，柱轴力=其上所有梁端剪力层数截面MNV上端18.42-261.09-10.23边柱4柱下端18.42-261.09-10.23上端0-569.820中柱下端0-569.820梁左端-36.84037.48跨中右端37.4846.730-40.52上端18.42-298.57-10.20边柱柱下端18.29-298.57-10.203上端0-650.860中柱下端0-650.860左端-36.910.0337.48梁跨中37.48-右端46.730.03,拉为正。-40.52注：弯矩、剪力以顺时可为正，逆时可为负。轴力以压贝 计算3,4层柱的轴力时用到的其他各层的梁的剪力见下表层数3

31、-6V； /kN37.48匕/kN40.52七、水平荷载作用下内力计算1.水平地震荷载作用下由D值法其计算过程如下表层数柱类型根数k= i+i+ L 2icK a =2 + Kn 12iD=a ch 2Z D/X104345纵向边柱100.5360.2112.54461.447中间柱51.0720.3494.207横向边柱20.4020.1672.013角柱40.8050.2873.46取4号轴线一根框架为计算单元，每根柱子所分剪力计算如下表层数层剪力Vpi/kN边柱D值中柱D值Z D/X104每根边柱剪力每根中柱剪力54714K=0.536 a =0.211D=2.544K=1.072 a

32、=0.349D=4.20761.447V = V乙D pi2.544 “I /=x 471461.447=195.17V = V 乙D Pi4.207 “I /=x 471461.447=322.7545134K=0.536 a =0.211D=2.544K=1.072 a =0.349D=4.20761.447V = V乙D pi2.544 cc”=x513461.447=212.56V = V乙D Pi4.207仃=x513461.447=351.5035454K=0.536 a =0.211D=2.544K=1.072 a =0.349D=4.20761.447V = DV乙D pi2.

33、544 ,=x545461.447=225.80V = V 乙D Pi4.207 w=x545461.447=373.14查表得柱子的反弯点如下表层数边柱中柱5n=10j=5K=0.536 y0=0.45 a =0.211 y1=y2=y3=0 y=y0+y1+y2+y3=.45n=10j=5K=1.072 y0=0.50 a =0.349 y1=y2=y3=0 y=y0+y1+y2+y3=0.504n=10j=4K=0.536 y0=0.50 a =0.211 y1=y2=y3=0 y=y0+y1+y2+y3=0.50n=10j=4K=1.072 y0=0.50 a =0.349 y1=y2

34、=y3=0 y=y0+y1+y2+y3=0.50n=10j=3n=10j=33K=0.536 y0=0.50K=1.072 y0=0.50a =0.211 y1=y2=y3=0a =0.349 y1=y2=y3=0y=y0+y1+y2+y3=0.50y=y0+y1+y2+y3=0.50注：由于上下层梁的线刚度及上下层高均相同，所以y1y2y3均为零柱端弯矩由公式：M上=V（1-力hM下=Vyh计算ciiicii i梁端弯矩：边跨Mb = M 上 +M.下、w、 i i中间跨 M i = （M上+ M 下） b b b由平衡条件计算梁端剪力及跨中弯矩柱的轴力=梁端剪力的代数和所以中柱轴力为零。所

35、以在水平地震荷载作用下梁柱内力计算见下表层数截面MNV边柱上端382.61888.19212.56柱下端382.61888.19212.564中柱上端632.700351.50下端632.700351.50梁左端698.79-200.86右端606.83-200.86边柱上端406.441109.27225.80柱下端406.441109.27225.803中柱上端672.140373.41下端672.140373.41梁左端789.05-221.76右端652.42-221.762.水平风载作用下的内力计算由D值法其计算过程如下表层数柱类型根数K=2icK a =2 + Kn 12iD=a

36、c h 2Z D/X104345边柱20.5360.2112.5449.295中柱11.0720.3494.207取4号轴线一根框架为计算单元，每根柱子所分剪力计算如下表层数层剪力Vpi/kN边柱D值中柱D值Z D/X104每根边柱剪力每根中柱剪力594.42K=0.536 a =0.211D=2.544K=1.072 a =0.349D=4.2079.295V = DV乙D pi2.544 vs=x94.429.295=25.84V = DV乙D pi4.207八=x94.429.295=42.744107.45K=0.536 a =0.211D=2.544K=1.072 a =0.349D

37、=4.2079.295V = V乙D pi2.544=xl07.459.295=29.41V = V乙D pi4.207=xl07.459.295=48.633118.93K=0.536 a =0.211D=2.544K=1.072 a =0.349D=4.2079.295V = aV乙D pi2.544=xll8.939.295=32.55V = V乙D pi4.207=xll8.639.295=53.83反弯点的算法同水平地震作用下反弯点算法柱端弯矩由公式：M上=V（1-力hM下=Vyh 计算ciiicii i梁端弯矩：边跨Mb = M.上+M.下中间跨 M i = （M上+ M 下）.矿.bi iji+1 j il + ir由平衡条件计算梁端剪力及跨中弯矩柱的轴力=梁端剪力的代数和所以中柱轴力为零。所以在水平风荷载作用下梁柱内力计算见下表层数截面MNV边柱上端52.94105.8529.41柱下端52.94105.8529.414中柱上端87.53048.63下端87.53048.63梁左端94.80-27.24右端82.23-27.24边柱上端58.59137.2232.55