高层建筑结构课程设计参考.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date高层建筑结构课程设计参考高层建筑结构设计计算书目录摘要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61、结构布置及梁,柱截面尺寸的初选62、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25七、水平荷载作用下内力计算281.水平地震荷载作用下282.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，类场地土，特征周期分区为二区。（4） 基本风压：w00.35 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），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250×400设计。2. 结构方案评价该建筑为常见的一般建筑物，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+3.3×5）m=20.4m50m，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=，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故满足要求。该方案设计的建筑物立面规则，均匀，从上到下外形不变，沿高度布置连续均匀；建筑平面形状为矩形，规则，简单，对称；长宽比不大，有利于抗震。综上所述：该结构方案合理。二、 结构布置及有关尺寸的初步估算1、结构布置及梁,柱截面尺寸的初选项目情况：该工程为办公楼设计。建筑总共6层，底层层高为3.9m，26层层高为3.3m。室内外高差450mm；基顶标高为-1.200m。框架平面与柱网布置图如下图2-1。图2-1 结构平面布置图板厚取120 mm，。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=3.9+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。 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=（）L=600mm900mm,取h=700mmb=（）h=233mm350mm，取b=300mm故该框架的横梁与纵梁的初步设计截面尺寸为b×h=300mm×700mm次梁：L=7200 h=（）L=400mm600mm,取h=500mm b=（）h=200mm300mm，取b=300mm故框架的次梁初步设计截面尺寸为b×h=300mm×500mm2.BC跨：主梁：L=3000mmh=（）L=250mm375mm,取h=500mmb=（）h=167mm250mm，取b=300mm故框架梁的初步设计截面尺寸为b×h=300mm×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（b×h）纵梁（b×h）次梁（b×h）AB,CE跨BC跨16C30300×700300×500300×700300×500(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： 公式（2-1）式中：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；: 为按照简支状态计算柱的负荷面积；：为折算后在单位面积上的重力荷载代表值，近似取14kN/;: 为验算截面以上楼层层数；则底层中柱的轴力设计值为N=1.2×14×7.2×(7.2+3)/2×5=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b×h=500mm×500mm，则柱的轴压比为：，满足要求。故该框架柱的估计尺寸符合要求，确定为b×h=500mm×500mm。并且为了施工的方便性，可以使得各层的所有柱子的截面尺寸都保持不变。2、荷载计算2.1 屋面与楼面的恒荷载标准值计算一.屋面防水层（刚性）30厚C20细石混凝土 1.0防水层（柔性）三毡四油上面铺小石子 0.4 找平层：15厚水泥砂浆 0.015m×200.3找坡层：40厚水泥石灰焦渣砂浆找坡 0.04m×140.56保温层：80厚矿渣水泥 0.08m×14.51.16结构层：120厚现浇钢筋混凝土板 0.12m×253抹灰层：10厚混合砂浆 0.01m×170.17合计 6.59 二.标准层楼面： 大理石面层 0.02m×280.5620厚1：3干硬性水泥砂浆 0.02m×200.4结构层：120厚现浇钢筋混凝土板 0.12m×253抹灰层：10厚混合砂浆 0.01m×170.17合计： 4.13 三卫生间楼面2厚水泥砂浆贴10厚300 ×300防滑地砖 0. 3420厚水泥细砂浆面层 0.02m×200.430厚水泥砂浆找坡 （0.03+3.4×0.01/2）m×200.9615厚水泥砂浆找平 0.015m×200.3结构层：120厚现浇钢筋混凝土板 0.12m×253抹灰层：10厚混合砂浆 0.01m×170.17合计： 5.17 2.2 屋面与楼面活荷载计算一. 根据荷载规范查得 ：楼 面：2.0走 廊: 2.5二.雪荷载Sk=1.0×0.45 =0.45 2.3 梁、柱、墙、门、窗的重力荷载计算一.梁自重：1.边横梁、纵梁：b×h=300mm×700mm梁自重： (0.7m-0.12m)×25×0.3m =4.35 抹灰层：10厚混合砂浆： (0.7m-0.12m)×2+0.3m ×0.01m×17=0.25合计： 4.6 2中横梁：b×h=300mm×500mm梁自重： (0.5m-0.12m) ×25 ×0.3m =2.85抹灰层：10厚混合砂浆： (0. 5m-0.12m)×2+0.3m ×0.01m×17=0.18 合计： 3.03 3.次梁：b×h=300 mm×500 mm因为次梁的尺寸和作法与中横梁完全一样，则次梁的重力荷载也是3.034.基础梁：b×h=300 mm×500mm梁自重： 25 ×0.3m×0.5m=3.75二.柱自重：柱尺寸：b×h=500 mm×500 mm柱自重： 0.5m×0.5m×25 =6.25抹灰层：10厚混合砂浆： 0.01m×0.5m×4×17=0.34 合计： 6.59 三.外墙自重：标准层：墙体： （3.4m-1.8m-0.5m-0.4m）×0.3m×18=4.32铝合金窗： 0.35 ×1.8m×1.8m =0.63 水刷石外墙面： （3.4m-1.8m）×0.5 =0.9 水泥粉刷内墙面： （3.4m-1.8m）×0.36 =0.648合计： 6.498 底层：墙体： （3.4m-1.8m-0.5m-0.4m）×0.3m×18=4.32 铝合金窗： 0.35 ×1.8m=0.63 水刷石外墙面： （3.4m-1.8m）×0.5 =0.9水泥粉刷内墙面： （3.4m-1.8m）×0.36 =0.648合计： 6.498 四.内墙自重：标准层：墙体： （3.4m-0.5m）×0.3m×18=16.2水泥粉刷内墙面： 3.0m×0.36 ×2=2.16合计： 18.36 底层：墙体： （3.4m-0.5m）×0.3m×18=16.2 水泥粉刷内墙面： 3.0m×0.36 ×2=2.16 合计： 18.36 五.女儿墙自重：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：5.5×0.3m+17×0.02m×2=2.33三、结构的线刚度与横向侧移刚度计算1、结构的线刚度计算在框架结构中，为了增大梁的有效翼缘，增大梁的有效刚度，减少框架的侧移，现浇楼板的楼可以作为梁的有效翼缘。为考虑这一有利的作用，在计算梁的截面惯性矩的时候，对于中框架取I=2 Io（Io为梁的截面惯性矩），边跨梁I=1.5 Io 梁采用C30混凝土，查表的，其弹性模量i边EI/L=中跨梁：i中EI/L=底层柱：i底EI/L=其余各层柱：i上EI/L=令i上1.0,则其余各杆件的相对线刚度为：i边i中i底则该框架的相对线刚度如下图3-1所示： 图3-1 框架梁柱的相对线刚度2、结构的横向侧移刚度计算底层： A、E柱 B、C柱 标准层： A、E柱 B、C柱 计算结果见下表3-1：表3-1 横向侧移刚度统计表层号12345D72517.9889430.489430.489430.489430.4D1/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、窗重力荷载标准值一 表4-1 梁、柱重力荷载标准值层次构件b/mh/m /(kN/m3)g/(kN/m)/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0.30 0.50251.053.9386.85014377.654纵梁0.300.70 251.055.5136.700281034.239柱0.500.50251.106.8754.85032106725边横梁0.30 0.70 251.055.5136.40016564.5312064.635中横梁0.30 0.50 251.053.9382.800888.211次梁0.30 0.50251.053.9386.85014377.654纵梁0.300.70251.055.5136.700281034.239柱0.50 0.50251.106.8753.40032748二墙自重外墙作法：全部使用300mm厚的灰砂砖，=18kN/m3，,一侧为20mm的厚抹灰层，=17kN/，一侧墙体为水刷石墙面，=0.5kN/；则外墙的重力荷载标准值为：18×0.3m+17×0.02m+0.5 =6.24内墙使用300mm厚的灰砂砖，=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：18×0.3m+17×0.02m×2=5.74三门窗单个重力荷载计算除大门为玻璃门，办公室为木门窗：全部使用铝合金玻璃窗1.2 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。公式（4-1）其中前所乘的系数0.5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0.5。底层：外墙总长：外墙面积：56.7m×4.85m=274.995外墙自重：6.24×274.995=1715.97 kN所以 G=171597./2=857.985 kN内墙总长：（7.2-0.35-0.4）×8+（7.2-0.2-0.15）×5+5.4-0.2-0.15+3.6×4-0.4-0.5×2-1.8-0.9×3+0.15+3.6×3-0.4-0.5×2-0.9×3+3.6×2-0.35×2-0.9×2+3.6×3-0.35-0.5-1.8-0.9+0.15+3.6×2-0.3-0.9×2=123.45m内墙G=123.45×4.85×5.74/2=1718.362 kN底层梁自重 G=2064.635kN柱子：G=(1067+748)/2=907.5 kN门： G=（1.8×2.7×2+2.4×2.7×2+2.7×2.7+1.8×2.1×2）×0.45+（0.9×2.1×11+1.8×2.1）×0.2=21.803 kN窗：G=（1.8×1.8×3+2.1×1.8×10+2.4×1.8×6）×0.35=25.704 kN板：G=43.4×17.6-(3.6-0.3)×(5.4-0.35)×4.13+(3.6-0.3)×(5.4-0.35)×5.17=3171.99kN活荷载：G=0.5×2.0×43.4×17.6=763.84kN二层：外墙总长：43.4-0.5×8-1.8×2-2.1×4-2.4×6+（17.6-0.5×4-2.1）×2+43.4-0.5×8-1.8×2-2.1×10=54.8m外墙自重：G=54.8×3.4×6.24/2=581.318kN内墙总长：（7.2-0.35-0.4）×12-2.4×6+（7.2-0.2-0.15）×6+5.4-0.2-0.15+43.4-0.5×8-0.9×6+36-0.7-0.5×4-1.2×4-0.9×4-1.8+3.6×2-0.3-0.9×2=171.35m内墙G=171.35×3.4×5.74/2=1672.033 kN柱：G=748 kN梁：G=2064.635 kN门：G=（2.4×2.1×6+1.8×2.1+1.2×2.1×4+0.9×2.1×12）×0.2=13.356 kN窗：G=（1.8×1.8×4+2.1×1.8×14+2.4×1.8×6）×0.35=32.13kN板：G=3171.99kN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+43.4-0.5×8-0.9×10-1.2×2+36-0.7-0.5×4-1.8-0.9×8+3.6×2-0.3-0.9×2=188.2m内墙自重：G=188.2×3.4×5.74/2=1836.456kN柱：G=748 kN梁：G=2064.635 kN门：G=（0.9×2.1×20+1.2×2.1×2+1.8×2.1）×0.2=9.324kN窗：G=32.13kN板：G=3171.99kN活荷载：G=763.84 kN顶层：雪荷载：G=0.5×0.45×43.4×17.6=171.864kN外墙：G=581.318kN内墙：总长：（7.2-0.35-0.4）×8+（7.2-0.2-0.15）×7+5.4-0.2-0.15+43.4-0.5×8-1.2×4-0.7×4+36-0.7-0.5×4-1.8-0.7×6-0.9×2+3.6×2-0.3-0.9×2+(1.8-0.3-0.7) ×10+(2.1-0.3) ×10=193kN内墙自重：G=193×3.4×5.74/2=1883.294kN柱：G=748/2=374kN梁：G=2064.635kN门：G=（1.2×2.1×4+0.9×2.1×4+0.7×2.1×20+1.8×2.1）×0.2=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：5.5×0.3m+17×0.02m×2=2.33屋面女儿墙：0.9×（43.4+17.6）×2=122m2女儿墙自重：G=122×2=244kN板：G=43.4×17.6×6.59=5033.706kN活荷载：G=763.84kN综合以上计算得：G1=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+3171.99+763.84=11465.076kNG3=G4=(581.318+1836.45)*2+748+2064.635+9.324+32.13+3171.99+763.84=11625.467kNG5=1883.294+581.318+374+2064.635+10.164+32.13+171.864+244+5033.706+763.84=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：图4-1 地震荷载集中于各楼层标高处的重力荷载代表值Gi1.3 横向水平地震作用下框架的侧移计算表4-2 结构顶点的假想侧移计算表层次GikNVGikNDi（Nmm)uimmuimm511158.95111158.95189430.4×167.840.2411625.46722784.41889430.4×1615.972.2311625.46734409.88589430.4×1624.096.2211465.07645874.96189430.4×1632.072.2111785.1757660.13172517.98×1640.240.2框架的自振周期：取,则s1.4 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： 查表得 ，；因为，所以可不考虑顶部附加地震作用分数。 计算各质点的水平地震作用标准值，将上述和代入可得 计算结果见表4-3：表4-3 各质点横向水平地震作用下楼层地震剪力计算表层次HimGikNGiHikN·mFikNVikN518.4511158.951205882.65 0.3081225.391225.39415.0511625.467174963.28 0.262 1042.382267.77311.6511625.467135436.70 0.203807.653075.4228.2511465.07694586.88 0.142564.953640.3714.8511785.1757158.070.086342.163982.53各质点的水平地震作用下的楼层地震剪力沿着房屋高度的布设情况见图4-2所示：(a)横向地震作用下荷载分布 （b）每层之间剪力分布 图4-2 横向水平地震作用及楼层地震剪1.5 水平地震作用下的位移验算横向水平地震作用下的该一榀框架结构的每层间位移和顶点位移各按下面两式计算： 公式（4-3） 公式（4-4）计算结果见表4-4所示，表中的层间弹性位移角=/。表4-4 横向水平地震作用下的位移验算层次VikNDi（Nmm)uimmuimmhimm=/51225.3989430.4×160.86119.934001395342267.7789430.4×161.58112.134001215233075.4289430.4×162.15 96.234001158123640.3789430.4×162.5472.234001133913982.5372517.98×163.4340.2485011414由上表可知，该框架的最大层间位移角位于在第二层，其为1/1339/h= 1/550，满足要求。2、风荷载标准值计算及位移验算2.1 风荷载标准值计算为简化计算，将风荷载换算成作用于框架每层节点上的集中荷载，计算过程如下表所示，表中Z为框架节点之室外地面的高度，A为一榀框架每层节点的受风面积。计算公式为： 计算结果见下表4-5：表4-5 风荷载标准值计算层次51.31.00.8418.450.3515.846.0541.31.00.7415.050.3524.489.3631.31.00.7411.650.3524.489.3621.31.00.748.250.3524.489.3611.31.00.744.850.3529.711.35所以，该框架在风荷载作用下的标准值示意图见下图4-3：图4-3 风荷载作用下的结构受荷图，单位为kN2.2 风荷载作用下框架的的位移验算风荷载作用下框架的层间位移计算公式为： 该框架在横向风荷载作用下的侧向位移计算结果见下表4-6：表4-6 风荷载作用下框架的位移计算层次56.056.0589430.40.000073.41/4857149.3615.4189430.40.000173.41/2000039.36 24.7789430.40.000283.41/1214329.3634.1389430.40.000383.41/8947111.35 45.4872517.980.000634.851/7698由上表可知，风荷载作用下该框架的最大层间位移角最大值为1/7698/h= 1/550，满足要求。五、风荷载计算取4号轴线处一榀横向框架为计算单元H=35.4m30m，且高宽比H/B=35.4/13=2.71.5 所以要考虑风振系数z=1+ 基本振型Z高度处振型系数 基本风压值0=0.35kN/m2框架结构基本周期：T1=0.25+0.53×10-3 ×城市郊区属于B类粗糙度地区，查表3-3得，脉动增大系数=1.228H/B=35.4/36=0.983 查表3-4得脉动影响系数=0.4585平面为矩形所以风载体型系数s=0.8+0.5=1.3z由表3-1查得 ki=zi sz 0楼层Z/msziziz0kihiAiFi13.01.31.00001.04770.08470.350.47673.319.89.4426.61.31.00001.10500.18640.350.50283.621.610.86310.21.31.00561.16130.28810.350.53143.621.611.48413.81.31.10641.19840.38980.350.60333.621.613.03517.41.31.19281.23200.49150.350.66863.621.614.44621.01.31.26701.26360.59320.350.72843.621.615.73六、 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， I=1.5Ir注：Ir为按矩形截面计算的惯性矩。所以梁的线刚度计算如下表：梁位置EcLb×hIrIib ×1010中间梁3.15×1046500400mm×600mm7.2×10914.4×1096.98边 梁3.15×1046500400mm×600mm5.4×10910.8×1095.24注：ib=柱的线刚度计算如下表：层数Echb×hIic ×10102-63.15×1043300650mm×650mm14.88×10913.0213.15×1043900650mm×650mm14.88×10911.72注：ic=因为竖向荷载为对称荷载，取4号轴线的一榀框架为计算单元，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i=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：Vbli= 柱剪力：Vihi=梁轴力为上下两柱剪力的代数和，柱上端的轴力=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=该柱上端的轴力+本层柱的自重柱的自重=0.65×0.65×25×3.6=38.03kN 外墙自重=6kN/m×6m=36kN内墙自重=1.5kN/m2×6m×(3.6-0.6)m=27kN层数截面MNV4柱边柱上端43.72-1041.68-24.29下端43.72-1079.71-24.29中柱上端0-1691.180下端0-1729.210梁左端-87.44089.00跨中51.29-右端110.980-96.253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梁左端-87.440.0989.00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/kN/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：Vbl·= 柱剪力：Vihi=梁轴力为上下两柱剪力的代数和，柱轴力=其上所有梁端剪力层数截面MNV4柱边柱上端18.42-261