框架设计.docx
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框架设计
《高层建筑与抗震设计》
课程设计
班级土木082班
组号C组
组长胡选强
成员C1组石云霞、钟宇涛、高永星、胡俊
C2组胡选强、闻静、祝俊杰
C3组方卫兴、孟亿莎、王欣溢、何震
指导老师季光耀
日期2011年11月5日
目录
第1章工程概况1
第2章框架结构承重方案的选择2
框架剪力墙承重方案的选择
第3章框架结构的计算简图3
第4章梁、柱截面尺寸的初步确定4
4.1梁截面尺寸的初步确定4
4.2柱截面尺寸的初步确定4
4.2.1框架柱的截面尺寸4
4.2.2计算过程4
第5章框架侧移刚度的计算6
5.1横梁线刚度ib的计算6
5.2纵梁线刚度ib的计算6
5.3柱线刚度ic的计算6
5.4各层横向侧移刚度计算(D值法)6
5.4.1底层6
5.4.2第二层8
5.4.3第三层至第六层10
5.4.4顶层10
5.5各层纵向侧移刚度计算11
第6章重力荷载代表值的计算12
6.1资料准备12
6.1.1屋面永久荷载标准值(上人)12
6.1.21-5层楼面永久荷载标准值12
6.1.3屋面及楼面可变荷载标准值12
6.1.4梁柱密度12
6.1.5蒸压粉煤灰加气混凝土砌块12
6.2重力荷载代表值的计算13
6.2.1第一层13
6.2.2第二层15
6.2.3第三层至第五层17
6.2.4第六层重力荷载代表值的计算17
6.2.5顶端重力荷载代表值的计算18
第7章横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算19
7.1横向自振周期的计算19
7.2水平地震作用及楼层地震剪力的计算20
7.2.1结构等效总重力荷载代表值Geq20
7.2.2计算水平地震影响系数а120
7.2.3结构总的水平地震作用标准值FEk20
7.3多遇水平地震作用下的位移验算21
7.4水平地震作用下框架内力计算22
7.4.1框架柱端剪力及弯矩22
7.4.2梁端弯矩、剪力及柱轴力23
第8章竖向荷载作用下框架结构的内力计算26
8.1计算单元的选择确定26
8.2荷载计算26
8.2.1恒载作用下柱的内力计算26
8.2.2活载作用下柱的内力计算28
8.2.3恒荷载作用下梁的内力计算30
8.2.4活荷载作用下梁的内力计算31
8.3梁端剪力和柱轴力的计算31
8.3.1恒载作用下31
8.3.2活载作用下32
8.4框架梁的内力组合33
8.4.1结构抗震等级33
8.4.2框架梁内力组合33
8.4.3跨间最大弯矩的计算35
8.4.4梁端剪力的调整37
8.5框架柱的内力组合39
8.6柱端弯矩设计值的调整40
8.6.1A柱40
8.6.2B柱42
8.7柱端剪力组合和设计值的调整43
第9章截面设计45
9.1框架梁45
9.1.1梁的最不利内力45
9.1.2梁正截面受弯承载力计算45
9.1.3梁斜截面受剪承载力计算46
9.2框架柱49
9.2.1柱截面尺寸验算49
9.2.2柱正截面承载力计算49
9.2.3柱斜截面受剪承载力计算51
9.3框架梁柱节点核芯区截面抗震验算55
一、工程概况
建筑地点:
广州市
建筑类型:
12层综合楼,框架结构
建筑介绍:
建筑面积约2万平方米,楼盖及屋盖均采用现浇混凝土框架结构,楼板厚取100mm。
门窗使用:
大门采用钢门,其他内部设施采用木门,窗为铝合金窗。
地质条件:
经地质勘查部门勘察确定,该建筑场地为二类近震场地,设防烈度为8度。
柱网与层高:
本综合楼采用柱距为6m的内廊式小柱网,边跨为6m,中间跨为2.4m,除底层商用楼层取3.9m,以上办公楼层层高取3m。
如图1-1柱网布置图所示。
图1-1柱网布置图
二、框架结构承重方案选择
竖向荷载的传力途经:
楼板的均不荷载和恒载经次梁间接或直接传至主梁,再由主梁传至框架柱,最后传至地基,所以本综合楼框架的承重方案为横向框架承重方案,这可使横向框架梁的截面高度大,增加框架的横向侧移刚度。
三、框架结构计算简图
纵向受力简图见附表1
横向受力简图如图1-2
图1-2横向受力简图
四、梁、柱截面尺寸初步确定
4.1梁截面尺寸初步确定
层数
混凝土强度等级
横梁(bxh)/(mmxmm)
纵梁(bxh)/(mmxmm)
AB跨,CD跨
BC跨
1
C30
300x600
300x400
300x600
2-11
C30
300x600
300x400
300x600
4.2柱截面尺寸初步确定
柱截面尺寸根据式
估算。
该框架结构抗震等级为二级,轴压限值
;
各层重力荷载代表值可根据实际荷载计算,也可以近似值12~15KN/M2,这里近似值取14KN/M2。
由结构平面布置图可知边柱及中柱的负载面积分别为6mx3m和6mx4.2m。
由此可得第一层柱截面积为:
边柱:
3.15x105取700mmx700mm
中柱:
4.24x105取700mmx700mm
本设计柱截面尺寸取值如下:
一层:
700mmx700mm
二到十一层:
700mmx700mm
五、重力荷载代表值的计算
5.1屋面永久荷载标准值
合计:
5.35KN/M2
1~11层楼面:
3.95KN/M2
屋面及楼面可变荷载标准值
上人屋面:
2.0KN/M2
楼面:
2.0KN/M2
屋面雪荷载:
0.2KN/M2
梁柱密度:
25KN/M2
蒸压粉煤灰加气混凝土砌块5.5KN/M3
5.2第一层各部分重力荷载代表值:
截面尺寸
密度
体积
数量
单重
总重
横梁
5300
300x600
25
0.954
46
23.85
1097.1
1700
300x400
0.204
21
5.1
107.1
纵梁
5300
300x600
0.954
80
23.85
1908
截面尺寸
密度
体积
数量
单重
总重
1层
3900
700x700
25
1.911
84
47.8
4013.1
2~11层
3000
700x700
1.47
84x11
36.75
内外填充墙的计算
AB、CD跨:
墙厚240mm,长度5300mm,高度3900-600=3300mm
单跨体积:
0.24x5.3x3.3=4.1976m3
单跨重量:
4.1976x5.5=23.0868KN
数量:
46
总重:
23.0868x46=1062KN
BC跨:
墙厚240mm,计算长度1700mm,高度3300mm
单跨体积:
(1.7x3.3-1.2x1.8)x0.24=0.828m3
单跨重量:
0.828x5.5=4.554KN
数量:
2
总重:
4.554x2=9.108KN
厕所横墙:
墙厚240,计算长度5300mm,计算高度3900-600=3300mm
体积:
0.24x5.3x3.3=4.1976m3
重量:
4.1976x5.5=23.0868KN
横墙总重:
23.0868+9.108+1062=1094.2KN
外纵墙:
单个体积:
[(5.3x3.3-4.8x2.1)]x0.24=0.7416m3
数量:
40
总重:
0.7416x40x5.5=163.152KN
内纵墙:
单个体积:
5.3x3.3x0.24=4.1976m3
数量:
40
总重:
4.1976x40x5.5=923.472KN
窗户计算
走廊窗户
尺寸:
1.2x1.8
自重:
0.4KN/m2
数量:
2
重量:
1.8x1.2x0.4x2=1.728KN
办公室窗户
尺寸:
4.8x3
数量:
32
重量:
4.8x3x0.4x32=184.32KN
总重:
184.32+1.728=186.048KN
门重计算
木门
尺寸:
1.2x2.4
自重:
0.15KN/m3
数量:
42
重量:
1.2x2.4x0.15x42=18.144KN
铁门
尺寸:
4.8x3
自重:
0.4KN/m3
数量:
2
重量:
4.8x3x0.4x2=11.52KN
总重:
18.144x11.52=29.664KN
楼板恒载,活载计算(楼梯间按楼板计算):
面积:
33.1776x40+248.832=1575.936m2
恒载:
3.95x1575.936=6224.9KN
活载:
2.0x1575.936=3151.87KN
一层重力荷载代表值为:
G1=G恒+0.5G活
=(1097.1+107.1)x1.05+1908x1.05+4013.1x1.05+1062+1094.2+163.125+
923.472+186.048+29.664+6224.9+3151.87x0.5
=18740.936KN
注:
梁柱乘上粉刷层重力荷载而对其重力荷载的增大系数1.05。
5.3第二至十层各部分重力荷载代表值:
横梁:
AB、CD跨:
300x60023.85x46=1097.1KN
BC跨:
300x4005.1x21=107.1KN
纵梁:
1908KN
柱:
计算高度:
3000mm
截面尺寸:
700mmx700mm
密度:
25
体积:
1.47m3
数量:
84
单重:
36.75KN
总重:
3087KN
内外填充墙重的计算:
横墙总重:
1062x3/3.3=965.45KN
纵墙总重:
(5.3x3-4.8x2.1)x0.24x5.5=7.6824KN
数量:
40
总重:
7.6824x40=307.296KN
内纵墙:
5.3x3x0.24x5.5=20.988KN
数量:
40
总重:
20.988x40=839.52KN
纵墙总重:
307.296+839.52=1146.816KN
窗户计算(钢框玻璃窗)
第一类:
1.2x1.8
自重:
0.4KN/m2
数量:
12
重量:
1.8x1.2x0.4x12=10.368KN
第二类:
4.8x2.1
自重:
0.4KN/m2
数量:
32
重量:
4.8x2.1x0.4x32=129.024KN
总重:
10.368+129.024=139.392KN
门重计算:
木门:
尺寸:
1.2x2.4
自重:
0.15KN/m2
数量:
42
重量:
1.2x2.4x0.15x42=18.144
楼板恒载,活载计算(楼梯间按楼板计算)
面积:
33.1776x40+248.832=1575.936m2
恒载:
3.95x1575.936=6224.9KN
活载:
2.0x1575.936=3151.87KN
二层重力荷载代表值:
G2=G恒+0.5G活
=[1097.1+107.1+1908+308]x1.05+1146.816+965.45+10.368+129.392+
18.144+6224.9+0.5x3151.87
=16580.154
注:
梁柱乘上各层重力荷载而对其重力荷载的增大系数1.05。
第十一层:
横梁:
1097.1+107.1=1204.2KN
纵梁:
1908KN
柱:
总重:
3087
横墙:
965.45KN
纵墙:
1146.816KN
窗:
10.368+129.024=139.392
门:
18.144
屋面恒载、活载计算
面积:
33.1776x40+248.832=1575.936m2
恒载:
1575.936x5.35=8431.26KN
活载:
1575.936x2.0=3151.872KN
雪载:
1575.936x0.2=315.1872KN
十一层重力荷载代表值为:
G11=G恒+0.5G活
=(1204.2+1908+3087)x1.05+965.45+1146.816+139.392+18.144+8431.26+(3151.872+315.1872)x0.5
=18943.7516
注:
梁柱乘上各层重力荷载而对其重力荷载的增大系数1.05。
顶端重力荷载代表值的计算:
横梁:
23.85x14=333.9KN
纵梁:
0.3x0.6x3x25x12=162KN
柱:
0.7x0.7x2.4x25x12=352.8KN
横墙:
5.4x0.24x(2.4-0.6)x5.5x10=128.304KN
纵墙:
3x0.24x(2.4-0.6)x5.5x14=99.792KN
木门:
1.2x2.4x0.15x4=1.728KN
窗:
0
楼板恒载、活载计算:
面积:
3x6x3+6x6=90
恒载:
90x5.35=481.5KN
活载:
90x2.0=180KN
雪载:
90x0.2=18KN
顶端重力荷载代表值:
G顶=G恒+0.5xG活
=(333.9+162+352.8)x1.05+128.304
+99.792+1.728+481.5+0.5x(180+18)
=1701.459
如图集中于各楼层标高处的重力荷载代表值Gi所示:
集中于各楼层标高处的重力荷载代表值Gi。
六、框架侧移刚度的计算
横梁线刚度ib的计算:
类别
Ec
(N/mm2)
b×h
(mm×mm)
I0
(mm4)
l
(mm)
EcI0/l(N·mm)
1.5EcI0/l(N·mm)
2EcI0/l(N·mm)
AB跨、CD跨
3.0×104
300×600
5.40×109
6000
2.7×1010
4.05×1010
5.4×1010
BC跨
3.0×104
250×400
1.6×109
2400
2×1010
3×1010
4×1010
纵梁线刚度ib的计算:
类别
Ec
(N/mm2)
b×h
(mm×mm)
I0
(mm4)
l
(mm)
EcI0/l(N·mm)
1.5EcI0/l(N·mm)
2EcI0/l(N·mm)
其他跨
3.0×104
300×600
5.4×109
6000
2.7×1010
4.05×1010
5.4×1010
楼梯跨
3.0×104
300×600
5.4×109
3000
5.4×1010
8.1×1010
10.8×1010
柱线刚度ib的计算:
计算公式为:
I=bh3/12
层次
hc(mm)
Ec(N/mm2)
b×h
(mm×mm)
Ic
(mm4)
EcIc/hc
(N·mm)
1
3900
3.0×104
700×700
2.001×1010
15.4×1010
2—11
3000
20.01×1010
各层横向侧移刚度计算(D值法)
底层:
5.4
①、A-2~A-20、D-2~D-20(38根)
15.40
K=5.40/15.4=0.351
αc=(0.5+K)/(2+K)=0.362
Di1=αc×12×ic/h2
=0.362×12×15.40×1010/39002
=43982.64
4.05
15.40
②、A-1、D-1、A-21、D-21(4根)
K=4.05/15.4=0.263
αc=(0.5+K)/(2+K)=0.362
Di2=αc×12×ic/h2
=0.362×12×15.4×1010/39002
=40945.2
3
4.05
③
15.40
K=(3+4.05)/15.4=0.458
αc=(0.5+K)/(2+K)=0.139
Di3=αc×12×ic/h2
=0.39×12×15.4×1010/39002
=47384.6
第二至十一层:
5.4
20.01
5.4
20.01
4.05
20.01
4.05
3
①、A-2~A-20、D-2~D-20(38根)
K=5.4x2/20.01x2=0.270
αc=K/(2+K)=0.119
Di1=αc×12×ic/h2
=0.119×12×20.01×1010/30002
4.05
=31749.2
②、A-1、D-1、A-21、D-21(4根)
K=4.05x2/20.01x2=0.2024
αc=K/(2+K)=0.092
Di2=αc×12×ic/h2
=0.092×12×20.01×1010/30002
3
4.05
=24545.6
③、B-1~B-21C-1~C-21(42根)
K=(3+4.05)x2/20.01x2=0.3523
αc=K/(2+K)=0.150
Di3=αc×12×ic/h2
=0.150×12×20.01×1010/30002
=40020
顶层:
4.05
20.01
4.05
①、D-1,D-8,D-14,D-21,C-1,C-8,C-14,C-21(8根)
K=4.05x2/20.01x2=0.2024
αc=K/(2+K)=0.092
Di1=αc×12×ic/h2
=0.092×12×20.01×1010/24002
=38352.5
横向框架梁的层间侧移刚度表
层次
1
2~11
12
∑Di(N/mm)
3825274.32
2985492
306820
∑D1/∑D2=3825274.32/2985492>0.7,故该框架为规则框架结构。
七、横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算
7.1横向自振周期的计算
按式Ge=Gn+1(1+3×h1/2/H)将突出房屋重力荷载代表值折算到主体结构的顶层,即:
Ge=1701.459×[1+3×2.4/(2x36.3)]
=187012(KN)
各层结构顶点侧移
层次
Gi(KN)
VGi(KN)
∑Di(N/mm)
△ui(mm)
ui(mm)
11
20814
20814
2985492
6.97
330.34
10
16580.154
37394.154
2985492
12.53
323.37
9
16580.154
53974.308
2985492
18.08
310.84
8
16580.154
70554.462
2985492
23.63
292.76
7
16580.154
87134.616
2985492
29.19
269.13
6
16580.154
103714.77
2985492
34.74
239.94
5
16580.154
120294.924
2985492
40.29
205.2
4
16580.154
136875.078
2985492
45.85
164.91
3
16580.154
153455.232
2985492
54.40
119.06
2
16580.154
170035.386
2985492
44.45
67.66
1
18740.936
188776.322
3825274.32
23.21
23.21
T1=1.7ψT(uT)1/2=1.7×0.6×(0.307130)1/2=0.526(s)
水平地震作用及楼层地震剪力的计算
本结构高度不超过40m
结构等效总重力荷载代表值Geq
Geq=0.85
=0.85x(1701.459+18943.7516x10+18740.936)=178397.9244
计算水平地震影响系数α1
查表得:
Tg=0.30s。
查表得设防烈度为7度的аmax=0.08
а1=(Tg/T1)0.9аmax=(0.3/0.565)0.9×0.08=0.0453
结构总的水平地震作用标准值FEK
FEK=а1xGeq=0.0453x178397.9744=8081.426KN
因1.4Tg=1.4x0.3=0.42s 附加水平地震作用 顶部附加地震作用系数 δn=0.08T1+0.07=0.08×0.565+0.07=0.1152 △F11=0.1152×8081.426=930.98KN 各质点横向水平地震作用按下式计算: Fi=GiHiFEk(1-δn)/(∑GkHk)=7150.446GiHi/∑GkHk 各地震剪力按 地震作用下各楼层水平地震层间剪力Vi 层次 Hi(m) Gi(KN) GiHi(KN·m) GiHi/∑GjHj Fi(KN) Vi(KN) 36.3 1701.459 61762.96 0.017 121.558 121.558 11 33.9 18943.7516 642193.18 0.1785 1276.355 1397.913 10 30.9 16580.154 512326.76 0.1424 1018.224 2416.137 9 27.9 16580.154 462586.30 0.1286 919.547 3335.684 8 24.9 16580.154 412845.83 0.1148 820.871 4156.555 7 21.9 16580.154 363105.37 0.1009 721.480 4878.035 6 18.9 16580.154 313364.91 0.0871 622.804 5500.839 5 15.9 16580.154 263624.45 0.0733 524.128 6024.967 4 12.9 16580.154 213883.99 0.0595 425.452 6450.419 3 9.9 16580.154 164143.52 0.0456 326.060 6776.479 2 6.9 16580.154 114403.06 0.0318 227.384 7003.863 1 3.9 18740.936 73089.65 0.0203 145.154 7149.017 ∑ 3597329.98 各质点水平地震作用及楼层地震剪力沿房屋高度的分布,如图71各质点水平地震作用及楼层地震剪力所示: 图7-1各质点水平地震作用及楼层地震剪力 7.2多遇水平地震作用下的位移验算 水平地震作用下框架结构的层间位移(△u)i和顶点位移ui分别按下列公式计算: (△u)i=Vi/∑Dij;ui=∑(△u)k 各层的层间弹性位移角θe=(△u)i/hi,根据《抗震规范》,考虑砖填充墙抗侧力作用的框架,层间弹性位移角限值[θe]<
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