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〜1.7m，地基承载力标准值为120KN/m2，第二层为砂砾石，层厚〜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 m2。 4、 基本风压w0 = m2 （地面粗糙度属B类），基本雪压S0 = 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（ 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（m2）。 7、 楼面作法：（自上而下）水磨石地面（m2），150厚现浇钢筋砼板（25KN/m3）， 吊顶或粉底（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 结构布置及截面尺寸初估； 荷载计算； 内力及侧移计算； 内力组合及内力调整； 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 （ —）〜（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》第条，二级抗震等级框架柱轴压比限值为 。 框架梁，柱截面尺寸板初估。 KL h=（1/8〜1/12） L=（825~550） mm b=（1/2〜1/3） h=（412~275）mm 故取梁截面尺寸（300X600） mm 柱 KZ N==X12XX6X4=2376KN A=N/=189700mm2 故柱截面尺寸 bX h=600X 600mm 板厚 h=（1/40~1/45） X 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。 1、 屋面荷载标准值 SBS 防水层 30 厚细石砼找平层 陶粒砼并找坡 7X =m 150 厚现浇钢筋砼板 吊顶 屋面恒载标准值小计 屋面活荷载标准值《雪荷》 2、 楼面荷载标准值： 地板砖地面 150 厚现浇砼板 四、 荷载计算 =m2 24X =m2 ++ X /2 X 7= 厚 加 气 砼 块 保 温 25X =m2 =m2 =m2 =m2 =m2 25X =m2 吊顶 =m2 楼面恒载标准值 =m2 楼面活载标准值 =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：bX h=X 净长 6m 均布线荷载为25 XX =m;重量为X 6 =27KN Z1：bX h=X 净长; 均布线荷载 25XX＋X 4=m; Z1 重量为 X =38 荷载汇集 计算公式 构件 四层(屋面)1/2层高= 荷载 柱 XX()X25X24+X(X2+X2)X()X20X24 屋盖 X38X 3837 梁 [XX()X25+]X15+[XX()X25+]X6+[6XX X25+] X16 女儿墙 XX(+38)X2X25 墙 XX [[ (4X2+6X5)X8]X2+XX3)X2]X7 可变荷 载 屋面可变荷载组合系数 XXX38 G4 +3837++++ 三层二层层高 柱 XX()X25X24+X(X2+X2)X()X20X24 971 屋盖 X38X 梁 [XX()X25+]X15+[XX()X25+]X6+[6XX X25+] X16 墙 XX [[ (4X2+6X5)X8]X2+XX3)X2]X7 可变荷 载 屋面可变荷载组合系数[X38-XX24)]XX G3G2 971++++ 一层 1/2层咼二 柱 XX( + )X25X24+X(X2+X2)X( + )X20X24 屋盖 X38X 梁 [XX()X25+]X15+[XX()X25+]X6+[6XX X25+] X16 墙 X + )X[[ (4X2+6X5)X8]X2+XX3)X2]X7 679 可变荷 载 屋面可变荷载组合系数[X38-XX24)]XX 1109 G1 卄+679+1109 6237 总和 G1+G2+G3+G4=+++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： 7X+17X+=m2 200厚加气砼墙： 7X+17XX2=m2 240厚砖墙砌女儿墙： 18X+17X+=m2 cot 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1= I〈I为 0 0 矩形梁的截面惯性矩〉；对中框架梁取1=，采用C30混凝土，Ec=X104N/mm2 C40 混凝土 Ec= X 104N/mm2 I = / bh3= / XX = X 10-3m4 0 12 12 Ib==2XX10－3=X10－3m4 梁的线刚度为： Kb=ECIb/L=（X 104XX 10－3）/=X 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 bXh m2 跨 度 m 砼 标 号 惯性矩 I0 m4 边框架梁 中框架梁 Ib= Kb=EIb/L Ib=2I0 Kb=EIb/L KJL1 X 6 C40 X10-3 X10-3 X104 11X10-3 X104 KIL2 X 4 C40 X10-3 X10-3 X104 11X10-3 X104 〈 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 截面 柱高 惯性矩 lc= bh3 (m4) 线刚度K 号 bh(m2) (m) c 12 (KNm) KZ] X / XX = X 10-3 12 X104 KZ2 X / XX = X 10-3 12 X104 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 K =SK /2工K 一般层 b c K = S K /工K (底层) b c a = K/2 + K 一般层 a = 0.5 + K/2 + K (底 层) D 二a K 12/h 2 im c (KN/M) 根 数 四 层 边框架 边柱 X 2)/(2 X = (2+= 3 X10 4 边框架 中柱 (4X/(2X = (2+)= X103 2 中框架 边柱 (2X/(2X = (2+= X103 12 中框架 中柱 (4X/(2X = (2+= 80X103 6 SD 902X103 底 层 边框架 边柱 X2/= +/(2+= 3 20X10 4 边框架 中柱 X4/= +/(2+= 24X103 2 中框架 边柱 2X = 5+/(2+ 21X103 12 中框架 中柱 4X = 5+/(2+ 26X103 6 SD 536X103 3、横向框架自振周期 按顶点位移法计算框架的自振周期 T = 1.7a VA 1 0 max 式中：—考虑填充墙影响的周期调整系数，取〜,本工程中横墙较少取； A —框架的顶点位移。 max 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) 工Gi 工D 层间相对 位移 工G/》D Ai 4 5639 5639 X105 3 6187 11826 X105 2 6187 18013 X105 1 6237 24250 X105 T = 1.7 x 0.6 x J0.123= 0.36 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：T =0.35 ⑸ a = 0.16 max g max 因为 T = 0.36 > T 所以a =(T / T )m a = 0.12 1g 1 g 1 2 max 因为T = 0.45 > 1.4T， 1g 所以九= 0.顶部附加地震作用为： AF =5 F = 0 n n EK F =a G =XX32985= EK 1 eq 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： F = GiHi F (1 -5 ) AU = V /工 D 1 L G H EK n e i ii 表7-8 Fi、Y.和AU的计算 i i e 层次 h. (m) i H. (m) i g. i G.H. i i (KNm) F. (KN) i v. (kn) i 工D Au e (m) 4 5639 902000 3 6187 902000 2 6187 902000 1 6237 536000 工 24250 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 0 e= A ue/hj==1/1160W[ 0 e]=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V 层间刚 度SD. 各柱刚 度 Dim D. 匸im L D D V =^rmV im L D i K y M下 M上 h A 柱 4 933 902000 28200 3 1689 902000 28200 2 2205 902000 28200 1 2473 536000 21000 B 柱 4 933 902000 80000 3 1689 902000 80000 2 2205 902000 80000 1 2473 536000 26000 注：表中V —第I层第K号柱的剪力 ik y—反弯点高度系数，y=y0+y,+y2+y3，y0、y、y2、y3均查表求得,y值计算见表7—io。 M --柱下端弯矩，M =V yh 下 下 ik M --柱上端弯矩。M = V (1-y) h 上 上 ik 表 7-10 y 值计算 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) N A (kN) N b N c (kN) 4 0 3 0 2 141 0 1 319 319 0 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(g ‘)和梯形荷载(g“)两部分组成，根据固端弯距相等的原则，先将梯形荷载化 i i 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=(1-2 a 2+ a 3)q; a =a/L=4/= 四层 qd=g3'+ (1-2Xa 2+ a 3) g3”=+ (1-2X+)X=m 三层 qd=g2'+ (1-2Xa 2+ a 3) g2”=+ (1-2X+)X=m 二层 q =g2'+(1-2Xa 2+a 3) g2”=+(1-2X +)X =m 一层 q =g1'+(1-2Xa 2+a 3) g1”=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 Mf =- Mf =-1/12q“L2=-1/12 XX = A3B3 B3A3 3d MF =- MF =-1/12q L2=1/12XX= A2B2 B2A2 2d MF =- MF =-1/12q L2=1/12XX= A2B2 B2A2 2d MF =- MF = MF = A1B1 B1A1 A2B2 ( 2)分配系数： 分配系数计算见表 7-12。 表7-12 分配系数U 节点 A A2 A 杆件 A3A2 A3b3 A2A3 A2b2 A2A1 A1A2 Ad AA S=4 i i 4X 4X1 =4 4X 4X1 =4 4X 4X 4X1 =4 4X 工S S 卩=p i Y S i （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=X8= 梯形荷载下跨中弯距= qL2/24 （3-4 a 2） =X（3-4X/24= 合计跨中弯距=+= 四层： MAB=X=; MBA=X= 跨中弯距=（ + ） /2== 同理：二、三层跨中弯距二；一层跨中弯距= 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〉 工M/L 〈KN〉 总剪力〈KN〉 VA= -SM/L VB= + SM/L 4 96 3 2 1 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 △ N 柱轴力N 4 柱顶 96 A柱 柱底 3 柱顶 408 C柱 柱底 2 柱顶 408 柱底 1 柱顶 柱底 B柱 4 柱顶 X2 柱底 3 柱顶 X2 柱底 2 柱顶 X2 柱底 1 柱顶 X2 柱底 (四) 活荷载作用下的内力计算 1、活荷载作用下的弯矩计算 因本工程为商业批发楼，活荷载分布比较均匀，所以活荷载不利分布考虑满布法 内力计算可采用弯矩二次分配法，但对梁跨中弯矩乘〜的增大系数。 (1)将框架梁上梯形荷载化为等效均匀活荷载 四层： q = (1-2a2+a3)q = (1-2X + )X=m 3d 3 一二三层：qid = q2d= (l-2a2+a3)qi= (l-2X+) 21=m (2) 固端弯矩计算 四层： Mf=-十q3 L2=- + XX = 12 3d 12 层：Mf=-吉qidL2=-十 XX= 12 ( 3)杆端弯矩计算 杆端弯矩计算过程见图 7-11。 (4) .活荷载作用下的框架梁跨中弯矩计算 M =[*+/2+1/24XXX(3-4X) ]= 跨中 M =[*+/2+1/24X 21XX(3-4X) ]= 3 跨中 M =[*+/2+1/24X 21XX(3-4X) ]= 2 跨中 M1 =[*+/2+1/24X 21XX(3-4X) ]=87KNm 注:*为弯距调幅系数。 2、活荷载作用下的梁端剪力计算 活荷载作用下的梁端剪力计算过程见表 7－15 表 7-15 活荷载作用下剪力计算过程 层次 qd L qL/2 工M/L 剪力(KN) (KN/m) (M) (KN) (KN) V”=qL/2-工 M/L V“ =qL/2+》M/L 4 3 48 2 48 1 注： 表内剪力按调幅前、后的大者取用。 3、活荷载作用下柱轴力计算 活荷载作用下A柱轴力计算见表7-16。 表7-16 活荷载作用下A柱轴力计算表 柱号 层次 截面 横梁剪力 纵梁传来 柱重 A N (kN) 柱轴力（KN） A C柱 4 柱顶 1 柱底 0 3 柱顶 0 柱底 0 2 柱顶 0 柱底 0 1 柱顶 0 柱底 0 B柱 4 柱顶 X2= 0 柱底 0 3 柱顶 48X2= 96 63 0 159 柱底 0 2 柱顶 48X2= 96 63 0 159 柱底 0 1 柱顶 X2= 63 0 柱底 0 活荷载作用下的内力图见图 7－12。 六、内力组合及调整 ＜一＞框架梁的内力组合 在恒载和活荷载作用下，跨间M 可近似取跨中的M代替。 MAX M = iqL2-（M +M ）/2 MAX 8 左 右 式中 M 、M ---梁左右端弯矩。 左右 跨中M若小于十ql2，应取M=十ql2 16 16 在竖向荷载与地震力组合时，跨间最大弯矩M采用数解法计算。如图7-13所 GE 示。 EA EB RA，RB---竖向荷载与地震荷载共同作用下的梁端反力。 AB 对 R 作用点取矩，R=qL/2-1/L （M - M + M + M B A GB GA EA EB x处截面弯矩为：M=Rx-qx2/2-M + M A GA EA 由dM/dx=O。可求得跨间M 的位置为x =R /q MAX 1 A 将X代入任一截面x处的弯矩表达式，可求得跨间最大弯矩为 1 M =M =R 2/2q-M +M =qx2/2-M +M MAX GE A GA EA GA EA 当右震时，公式中M、M反号。 EA EB Mge及x的具体数值见表7 — 17。 GE 1 表7-17 Mge及耳值计算 跨 层 （恒+活） 地震 q l R. X M M GA KNm M GB KNm M EA KNm M EB KNm KN/M M 左震 KN 右震 KN 左震 M 右震 M 左震 KNm 右震 KNm A B 4 116 3 262 5 2 262 5 1 415 11 360 注：①当x >L或x <0时，表示最大弯矩发生在支座处，应取x =L或x=0, 1 1 1 1 用 M=R x-qx2/2-M ±M 计算 M ； A GA EA GE ②表中恒载和活荷载的组合，梁端弯距取调幅后的数值； ③表中 q 值按（恒＋活）计算。 梁内力组合见表 7—18。 （二）框架柱内力组合 框架柱取每层柱顶和柱底两个控制截面，A柱内力组合见表7 — 19。B柱内力组 合见表 7—20。 表 7-18 框架梁内力组合 层 次 位置 内力 荷载类别 竖荷组合竖向荷载与地震力组合 恒载① 活载② 地震③ ①+② （①+②）土③ 4 A4右 M 土 -147 V 96 B4左 M 土 V 跨中 M AB 3 A右 M 土 V 89 B左 M 土 V 跨中 M AB 2 A右 M 土 V B左 M 13 土 V 48 跨中 M AB 1 A右 M 土 V Bj左 M 土 V 跨中 M AB 360 表 7-19 A 柱内力组合 层 次 位 置 内 力 荷载类别 竖向荷组合 竖向荷载与地震力组合 恒载① 活载② 地荷③ ①+② （①+②）土③ 4 柱 顶 M 土 76 N 土 290 231 柱 底 M 土 35 N 土 308 326 266 3 柱 顶 M 土 N 土 柱 底 M 土 86 N 土 338 2 柱 底 M 土 N 408 土 621 643 449 柱 底 M 土 111 N 土 1 柱 顶 M 土 N 土 1029 柱 底 M 土 326 N 土 675 表 7-20 B 柱内力组合表 层 次 位 置 内 力 荷载类别 竖荷组合 竖向荷载与地震力组合 恒载① 活载② 地荷③ ①+② （①+②）土③ 4 柱 M 0 0 土 0 顶 N 0 511 482 482 柱 底 M 0 0 土 0 N 0 3 柱 顶 M 0 0 土 0 N 0 柱 底 M 0 0 土 0 N 0 2 柱 顶 M 0 0 土 0 238 238 N 0 836 柱 底 M 0 0 土 0 238 238 N 0 1130 974 974 1 柱 顶 M 0 0 土 0 238 238 N 0 1685 1402 1402 柱 底 M 0 0 土 0 N 0 1732 （三）内力调整 强柱弱梁要求 根据《抗震规范》6.2.2 条，梁柱节点处的柱端弯距设计值应符合下式要求： 工M =n工M c c b 式中工M —节点上下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯距设计值之和, c 上下柱端的弯距设计值，可按弹性分析分配； 工M —节点左右梁端截面顺时针或反时针方向组合的弯距设计值之和； b 耳—柱端弯距增大系数，一级取；二级取；三级取。 c 耳工M cb 具体计算过程详表 7－21。 节 点 组合 M cu M cd Y M c M i b Mr b 耳Y M c b M ' cu M' cd A1 G + E 0 316 G-E -111 -235 -346 0 -375 -450 -144 -305 B1 G + E 238 238 476 G-E -238 -238 -476 -311 -99 -493 -246 -246 表 7－21 梁柱节点处柱端弯距调整计算表 注：表中M'=寻cu耳工M cu c b ；M' cd M cd M M 使杆端顺时针转动为＋。 强剪弱弯的要求 为保证梁柱的延性，梁端及柱端的抗剪能力应大于抗弯能力。 （1）《抗震规范》6.2.4 条规定：二级框架梁端截面组合的剪力设计值应按下式 调整。 V =n （Ml + Mr）/1 + V vb b b n Gb 式中：V^—梁在重力荷载代表值作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力设计值; Gb Ml、M r —分别为梁左右端反时针或顺时针方向组合的弯距设计值； bb n —梁端剪力增大系数，二级取。 vb 具体计算过程详表 7— 22。 表 7—22 梁端剪力设计值调整计算表 杆 件 组 合 V Gb KN l n m M i b KNm M r b KNm n (Mi + Mr )/1 vb b b n V (KN) 左 右 左 右 AB 1 1 G + E 一 G —E — 374 — 311 135 — 135 注：V = 1.2（恒+ 0.5活）l /2， M使杆件顺时针转动为+。 Gb n （2）《抗震规范》6.2.5 条规定：二级框架柱的剪力设计值应按下式调整。 V =n （Mb + Mt）/H vc c c n 式中：Mt、Mb —分别为柱的上下端顺时针或反时针方向组合的弯距设计值; cc n —柱剪力增大系数，二级取； vc H —柱净高 。 n 具体计算过程详表 7— 23。 表 7—23 柱端剪力设计值调整计算表 杆件 组合 H n m Mt c KNm M b c KNm V =n (Mb + Mt)/H vc c c n 上 下 A A 1 0 G + E 326 G —E 一 — 303 — 133 — 133 BB 1 0 G + E 238 148 148 G —E — 238 一 — 148 — 148 注：M使杆件顺时针转动为+, V使杆件顺时针转动为+。 （3）底层柱柱底弯距的调整 根据《抗震规范》6.2.3 条二级框架结构的底层，柱下端截面组合的弯距设计值 应乘增大系数。底层柱纵向钢筋宜按上下端的不利情况配置。 故 A 柱 G + E： N=X=1344KN G —E： N = 675X = B 柱 G + E： N=X = G — E： N=X =