长沙某五层办公楼结构设计计算书.doc

第1章 建筑设计建筑设计是在总体规划的前提下，根据任务书的要求综合考虑基地环境，使用功能，结构施工，材料设备，建筑经济及建筑艺术等问题。着重解决建筑物内部各种使用功能和使用空间的合理安排，建筑与周围环境，与各种外部条件的协调配合，内部和外表的艺术效果。各个细部的构造方式等。创造出既符合科学性又具有艺术的生产和生活环境。建筑设计在整个工程设计中起着主导和先行的作用，除考虑上述各种要求以外，还应考虑建筑与结构，建筑与各种设备等相关技术的综合协调，以及如何以更少的材料，劳动力，投资和时间来实现各种要求，使建筑物做到适用，经济，坚固，美观，这要求建筑师认真学习和贯彻建筑方针政策，正确学习掌握建筑标准，同时要具有广泛的科学技术知识。建筑设计包括总体设计和个体设计两部分。11 设计任务和主要要求111 设计任务本设计的主要内容是办公楼的设计，办公楼属于行政办公建筑类。作为一个办公空间设计，要在平面规划中自始至终遵循实用、功能需求和人性化管理充分结合的原则。在设计中，既结合办公需求和工作流程，科学合理的划分职能区域，也考虑员工与领导之间、职能区域之间的相互交流。材料运用简洁,大方,耐磨,环保的现代材料,在照明采光上使用全局照明,能满足办公的需要.经过精心设计,在满足各种办公需要的同时,又简洁,大方,美观,能充分体现出企业的形象与现代感.112 设计要求建筑法规、规范和一些相应的建筑标准是对该行业行为和经验的不断总结，具有指导意义，尤其是一些强制性规范和标准，具有法定意义。建筑设计除了应满足相关的建筑标准、规范等要求之外，原则上还应符合以下要求：（1） 满足建筑功能要求：（2） 符合所在地规划发展的要求并具有良好的视觉效果；（3） 采用合理的技术措施；（4） 提供在投资计划所允许的经济范畴内运作的可行性。12 建筑物所处的自然条件121 气象条件建设地区的温度、湿度、日照、雨雪、风向、风速等是建筑设计的重要依据，例如：炎热地区的建筑应考虑隔热、通风、遮阳、建筑处理较为开敞；在确定建筑物间距及朝向时，应考虑当地日照情况及主要风向等因素。122 地形、地质及地震烈度基地的地形，地质及地震烈度直接影响到房屋的平面组织结构选型、建筑构造处理及建筑体型设计等。地震烈度，表示当发生地震时，地面及建筑物遭受破坏的程度。烈度在6度以下时，地震对建筑物影响较小，一般可不做抗震计算，9度以上地区，地震破坏力很大，一般应尺量避免在该地区建筑房屋，建筑物抗震设防的重点时7、8、9度地震烈度的地区。123 水文水文条件是指地下水位的高低及地下水的性质，直接影响到建筑物基础及地下室。一般应根据地下水位的高低及底下水位性质确定是否在该地区建筑房屋或采用相应的防水和防腐措施。13 建筑设计文件的内容及要求建筑初步设计内容：绘制“3平2立1剖”：“3平”即1个底层平面图，1个楼层平面图，加1个屋顶平面图；“2立”指1个南侧或北侧立面图，加1个东侧或西侧立面图；“1剖”必须剖到楼梯。 建筑设计文件要求：以上图纸均需达到施工图深度，弄清建筑平面、立面和剖面之间的关系，熟悉建筑施工图的表达方式及深度要求，掌握常用的建筑构造措施等。建议用2号图绘制，绘图比例、布局和张数自定，以表达清楚且符合制图习惯为原则。第2章 结构设计21 设计资料工程名称：长沙市瑞达集团办公楼建设地点：湖南省长沙市工程概况：建筑总高为15.6m，共5层。其中底层层高为3.6m，其余各层层高为3.0m。局部突出屋面的塔楼为楼梯间，高3.0m。基本风压：0.35kN/m2基本雪压：0.45kN/m2抗震设防烈度：6度，不考虑抗震设防计算。22 结构设计的一般原则221 结构设计目的工程设计是工程建设的首要环节，是整个工程的灵魂。先进合理的设计对于改建、扩建、新建项目缩短工期、节约投资、提高经济效益起着关键作用，使项目达到安全、适用、经济、美观的要求。因而建筑结构设计的基本目的就是要在一定经济条件下赋予结构以适当的可靠度，使结构在预定的基准期内能满足设计所预期的各种功能要求。222 结构设计的一般原则为了达到建筑设计的基本目的，结构设计中应符合以下一般原则：符合设计规范；选择合理的结构设计方案；减轻结构自重；采用先进技术。23 结构选型231 结构体系选型对于一般多层民用建筑，根据使用和工艺要求、材料供应情况和施工技术条件，常选用的结构形式有混合结构、钢筋混凝土框架结构和框架剪力墙结构等结构体系。由于混合结构整体性差，难于满足大空间的使用要求，而框架剪力墙结构多用于1025层的高层建筑。而框架结构强度高、结构自重轻，可以承受较大楼面荷载，在水平作用下具有较大的延性。此外框架结构平面布置灵活，能设置大空间，易于满足建筑功能要求。故该五层办公楼选用框架结构。232 框架施工方法钢筋混凝土框架结构按施工方法不同，有现浇式、装配式和整体装配式三种。现浇式框架的全部构件都在现场整体浇筑，其整体性和抗震性能好，能较好的满足使用要求。故框架采用现浇施工方法。233 其他结构选型1. 屋面结构：采用现浇钢筋混凝土肋形屋盖，屋面板厚120mm。2. 露面结构：采用现浇钢筋混凝土肋形楼盖，露面板厚120mm。3. 楼梯结构：采用钢筋混凝土板式楼梯。4. 过梁：门窗过梁均采用钢筋混凝土梁，并采用纵向框架兼做窗过梁。5. 墙基础：因持力层不太深，承载力高，采用自乘墙基大放脚。6. 基础：因基础持力层不太深，地基承载力高，采用钢筋混凝土柱下独立基础。24 框架结构计算简图及构件尺寸241 简化假定建筑物是复杂的空间结构体系，要精确地按照三维空间结构来进行内力和位移分析十分困难。为简化计算，对结构体系引入以下基本假定：（1） 在正常设计、正常施工和正常使用的条件下，结构物在设计基准期内处于弹性工作阶段，其内力和位移均按弹性方法计算；（2） 楼面（或屋面）在自身平面内的刚度无限大，在平面外的刚度很小，可忽略不计。242 计算单元多层框架结构是由纵、横向框架结构组成的空间结构体系，在竖向荷载作用下，各个框架之间的受力影响较小。本设计中取KJ2作为计算单元 ，如图21所示：图21 结构平面布置图243 计算简图现浇多层框架结构设计计算模型是以梁、柱截面几何轴线来确定，并认为框架柱在基础顶面为固接，框架各节点纵、横向均为刚接。一般情况下，取框架梁、柱截面几何轴线之间的距离作为框架的跨度和柱高度。底层柱高从基础顶面算至二层楼面，基础顶面标高根据地质条件、室内外高差，定为-1.1m，二层楼面标高为3.6m，故底层柱高为4.7m。其余各层柱高为楼层高3.0m。由此可绘出框架计算简图，如图22所示：图22 框架结构计算简图244 梁柱截面尺寸及惯性矩多层框架结构是超静定结构，在计算内力前必须先确定杆件的截面形状、尺寸和惯性矩。1 初估构件截面尺寸及线刚度（1）. 梁截面尺寸 边跨 取h=600mm 取b=250mm 则取边跨截面尺寸为:hb=250mm600mm中跨 考虑刚度因素，取取 则取边跨截面尺寸为:hb=250mm600mm（2）. 柱截面尺寸 底层柱尺寸 按轴压比要求计算，由公式 ： 式中： 轴压比取1.0；轴压比增大系数，本设计取=1.0； F柱的荷载面积； 单位建筑面积上重力荷载值，近似取12-15 kN/m2； n验算截面以上楼层层数。 对于顶层中柱： 如取柱截面为正方形，则其边长为416。 根据以上计算结果，并考虑其他因素，本设计中所有柱子截面尺寸都取500mm500mm。 非计算单元的内梁截面尺寸初估方法如上，计算从略。2. 框架梁、柱线刚度计算 由于现浇楼面可以作为梁的有效翼缘，增大梁的有效刚度，减少框架侧移。考虑这一有利因素，边框架梁取，对中框架梁取。（为梁矩形截面惯性矩） 边跨梁： 中跨梁： 柱： 相对线刚度：取。则其余各杆件相对线刚度为: 框架梁、柱的相对线刚度如图23所示，将作为计算节点杆端弯矩分配系数的依据。图23 梁柱相对线刚度图25 荷载计算251 恒载标准值计算1. 屋面防水层（刚性）：30mm厚C20细石混凝土防水 1.00kN/m2 防水层（柔性）：三毡四油铺小石子 0.40kN/m2找平层：15mm厚水泥砂浆 0.01520 kN/m3=0.30kN/m2找坡层：平均40mm厚水泥焦渣找坡 0.04014 kN/m3=0.56kN/m2保温层：60mm厚1:10水泥膨胀珍珠岩 0.06012 kN/m3=0.72kN/m2结构层：120mm厚现浇钢筋混凝土板 0.12025 kN/m3=3.00kN/m2抹灰层：10mm厚混合砂浆 0.01017 kN/m3=0.17 kN/m2合计 6.15kN/m22. 各层楼面（含走廊）水磨石地面（10mm厚面层，20mm厚水泥砂浆打底） 0.65kN/m2结构层：120mm厚现浇钢筋混凝土板 0.12025 kN/m3=3.00kN/m2抹灰层：10mm厚混合砂浆 0.01017 kN/m3=0.17kN/m2合计 3.82kN/m2 3. 梁自重hb=300mm700mm梁自重： 0.3（0.7-0.12）25 kN/m3=4.35kN/m抹灰层：10mm厚混合砂浆 0.01(0.7-0.12+0.25/2) 217 kN/m3=0.25kN/m 合计 4.60kN/m hb=250mm600mm梁自重： 0.25（0.6-0.12）25 kN/m3=3.00kN/m抹灰层：10mm厚混合砂浆 0.01(0.6-0.12+0.25/2) 217 kN/m3=0.21kN/m 合计 3.21kN/m hb=250mm500mm梁自重： 0.25（0.5-0.12）25 kN/m3=2.38kN/m抹灰层：10mm厚混合砂浆 0.01(0.5-0.12+0.25/2) 217 kN/m3=0.17kN/m 合计 2.55kN/m 4. 柱自重 hb=500mm500mm柱自重： 0.50.525 kN/m3=6.25kN/m抹灰层：10mm厚混合砂浆 0.01(0.5+0.5) 217 kN/m3=0.34kN/m 合计 6.59kN/m 5. 外纵墙自重 标准层纵墙： （3.0-0.6）(8.4-0.5)-1.51.52 0.2418 kN=62.46kN铝合金窗（1.51.5）： 1.51.520.35 kN=1.58kN贴瓷砖外墙面： 3.0(8.4-0.5)-1.51.52 0.5 kN=9.60kN水泥粉刷内墙面： 3.0(8.4-0.5)-1.51.52 0.36 kN=6.91kN 合计 80.55kN 底层纵墙： （4.7-0.6）(8.4-0.5)-1.51.52 0.2418 kN=120.48kN铝合金窗（1.51.5）： 1.51.520.35 kN=1.58kN贴瓷砖外墙面： 3.6(8.4-0.5)-1.51.52 0.5 kN=11.97kN水泥粉刷内墙面： 3.6(8.4-0.5)-1.51.52 0.36 kN=8.62kN 合计 142.65kN6. 内纵墙自重 标准层纵墙： （3.0-0.6）(8.4-0.5)-0.92.12 0.2418 kN=123.60kN门（hb=0.92.1）： 0.92.120.15 kN=0.57kN粉刷墙面： （3.0-0.6）(8.4-0.5)-0.92.12 0.362 kN=10.93kN 合计 78.08kN/m 底层纵墙： （4.7-0.6）(8.4-0.5)-0.92.12 0.2418 kN=123.60kN门（hb=0.92.1）： 0.92.120.15 kN=0.57kN粉刷墙面： （3.6-0.6）(8.4-0.5)-0.92.12 0.362 kN=14. 34kN 合计 138.51kN/m 7. 内隔墙自重 标准层墙重： （3.0-0.6）(6.0-0.5)0.2418 kN=57.02kN粉刷墙面： （3.0-0.6）(6.0-0.5) 0.362 kN=9.05kN 合计 66.07kN 底层墙重： （4.7-0.6）(6.0-0.5)0.2418 kN=97.42kN粉刷墙面： （3.6-0.6）(6.0-0.5) 0.362 kN=11.88kN 合计 109.30kN 252 活荷载标准值计算1. 屋面和楼面活荷载标准值上人屋面：2.0kN/m2楼面：办公室：2.0kN/m2 ；走廊：2.0kN/m22.雪荷载：基本雪压：0.45kN/m2雪荷载标准值：屋面活荷载和雪荷载不同时考虑，二者中取大值。253 竖向荷载下框架受荷总图1. BC,DE轴间框架梁屋面板传荷载：板传至梁上的三角形或梯形荷载为均布荷载，荷载的传递示意图，如图24所示：图24 荷载传递示意图恒载： 活载： 楼面板传荷载：荷载传递示意图如图24所示恒载： 活载： 梁自重： 2BC,DE轴间框架梁均布荷载为：屋面梁：恒载=梁自重+板传荷载 = 活载=板传荷载 =楼面梁：恒载=梁自重+板传荷载 = 活载=板传荷载 =CD轴间框架梁均布荷载为：屋面板传荷载：恒载：梁自重: 屋面梁：恒载=梁自重 = 活载=0楼面梁：恒载=梁自重 = 活载=03. B、E轴柱纵向集中荷载的计算顶层柱：女儿墙自重（做法：墙高1100mm，混凝土压顶100mm）天沟自重：现浇，如图25所示 顶层柱恒载=女儿墙及天沟自重+纵梁自重+板传荷载 顶层柱活载=板传荷载 =标准层柱恒载=外纵墙自重+纵梁自重+板传荷载+横隔墙 顶层柱活载=板传荷载 =4. C、D轴柱纵向集中荷载的计算顶层柱恒载=梁自重+板传荷载 顶层柱活载=板传荷载 =标准层柱恒载=内纵墙自重+纵梁自重+板传荷载+横隔墙 顶层柱活载=板传荷载 =由上可作出框架在竖向荷载作用下的受荷总图，如图26所示：图26 竖向荷载作用下受荷总图254 竖向荷载下框架受荷总图作用在屋面梁和搂面梁节点处的集中风荷载标准值：为了简化计算，通常将计算单元范围内外墙面的分布荷载化为等量的作用于楼面的集中风荷载。式中：基本风压 风压高度变化系数。因建设地点处于大城市郊区，地面粗糙程度为B类； 风荷载体型系数，查表取=1.3； 风振系数。由于结构高度小于30m，且高宽比18.4/14.4=1.26<1.5，则取=1.0； 下层柱高； 上层柱高，顶层取女儿墙高度的两倍； B计算单元迎风面宽度（B=8.4m）计算过程见表21表21 风荷载标准值计算层数离地高度518.11.0 1.3 1.2 0.353.0 2.4 12.38 413.11.0 1.3 1.1 0.353.0 3.0 12.61 310.11.0 1.3 1.0 0.353.0 3.0 11.47 27.11.0 1.3 1.0 0.353.0 3.0 11.47 14.11.0 1.3 1.0 0.354.1 3.0 13.57 255 竖向荷载下框架受荷总图1. 侧移刚度见表22和表23表22 横向25层D值的计算构件名称B轴柱0.30120909C轴柱0.51335636D轴柱0.51335636E轴柱0.30120909表23 横向底层D值的计算构件名称B轴柱0.5519967C轴柱0.71712970D轴柱0.71712970E轴柱0.55199672. 风荷载下框架位移计算水平荷载作用下框架的层间侧移可按下式计算：式中： 第j层的剪力； 第j层所有柱的抗侧刚度之和； 第j层的层间位移。第一层的层间位移值求出以后，就可以计算各楼板标高处的侧移值的顶点侧移值，各层楼板标高处的侧移值应该是该层以下各层层间侧移之和，顶点侧移是所有各层层间侧移之和。j层侧移 顶点侧移 框架在风荷载下侧移的计算见表24，如下：表24 框架在风荷载下侧移计算层号512.3812.380.000111/27273412.6124.990.000221/13636311.4735.460.000321/9375211.4747.930.000471/7143113.5761.50458760.001341/3060侧移验算：层间最大侧移值为： 1/3060<1/550，满足要求顶点侧移 且 u/H=1/7510<1/650，满足要求26 荷载计算为简化计算，考虑如下几种单独受荷情况：（1） 恒载满布情况；（2） 活载分跨布置作用（分左布活载、中布活载、右布活载）（3） 风荷载作用（分左风和右风）对于第（1）种情况，采用分层法计算；第（2）种情况利用PF程序计算；第（3）情况，采用D值法计算。261 恒载作用下的内力计算在竖向荷载作用下框架内力采用分层法进行简化计算，此时每层框架梁同上、下层柱组成基本计算单元。竖向荷载产生的梁端弯矩只在本层内进行弯矩分配，单位之间不再进行传递。计算步骤如下：（） 根据各杆件的线刚度计算各节点杆端弯矩分配；（） 计算竖向荷载作用下各跨梁的固端弯矩，并将各节点不平衡弯矩进行第一次分配；（） 将所有杆端的分配弯矩向远端传递；（） 将个节点因传递弯矩而产生的不平衡弯矩进行第二次分配，使得各节点处于平衡状态；（） 将各杆件的固端弯矩，分配弯矩和传递弯矩相加即可得各杆端弯矩。1. 计算分配系数说明：计算时除底层柱以外，其它各层柱的线刚度先乘以，取传递系数为（梁和底层柱的传递系数为）。分配系数按以下式计算：式中：为节点第根杆件的相对转动刚度；为节点各杆件相对转动刚度之和。由于本榀框架结构、受力对称，在分层法计算时可取半结构进行计算。2. 梁的固端弯矩均布恒载和柱顶集中活载偏心引起的固端弯矩构成节点不平衡弯矩，利用以下公式计算：可求得各梁端弯矩，如表2和表2表2恒载作用下固端弯矩跨跨恒载简图固端弯矩简图固端弯矩表2柱顶集中力产生的偏心弯矩柱柱柱柱顶层其他层003. 固端弯矩第一次分配计算过程见图2（括号中为不平衡弯矩）（）顶层（）中间层（）底层图2恒载作用下分层法计算将图2中（）、（）、（）结果叠加组合后得到框架弯矩图2，可以看出节点存在不平衡弯矩。图2恒载作用下弯矩一次分配图. 节点不平衡弯矩二次分配计算过程见图2所示：（顶层）（四层）（三层）（二层）（底层）图2恒载作用下分层法计算（二次分配）将图2中各层结果组合后得到框架最终弯矩图2。图2恒载作用下弯矩图根据弯矩和剪力的关系，可采用取隔离体的方法计算剪力：式中：，简支梁支座左端和右端剪力标准值（剪力取绕隔离体顺时针转动为正）；，梁端弯矩标准值（以绕杆顺时针转为正，逆时针转动为负）。由此计算得出各杆件剪力如图2所示：图2恒载作用下剪力图横梁作用于柱子轴力值即为梁端剪力值，再加上纵梁传来的轴力值及柱自重。可得出柱轴力图，如图2所示：图2恒载作用下轴力图262 活载作用下的内力计算竖向活荷载是可变荷载，它可以单独的作用在某层的某一跨或某几跨，也可能同时作用于整个结构。对于构件的不同截面或同一截面的不同种类的最不利内力往往有个不相同的活荷载最不利布置位置，最不利内力的种类来确定。本设计中将活荷载分跨布置（分为左布活载、中布活载、右布活载三种情况），并求出内力，然后叠加求出控制截面的不利内力。在分布活荷载下，其集中力会在节点处产生偏心弯矩。如下：（） 左布活荷载柱：柱：（） 中布活荷载柱：柱：（） 右布活荷载柱：柱：活荷载的计算采用程序计算，杆件编号如图2所示：图2杆件编号用程序分别计算出左布活荷载、中布活荷载和右布活荷载作用下框架内力，程序计算输入、输出数据如下：* * * * 左布荷载内力计算 * * * * The Input Data The General Information E NM NJ NS NLC 3.000E+07 35 24 12 1 The Information of Membersmember start end A I 1 1 5 2.E-01 5.E-03 2 2 6 2.E-01 5.E-03 3 3 7 2.E-01 5.E-03 4 4 8 2.E-01 5.E-03 5 5 6 1.E-01 9.E-03 6 6 7 1.E-01 5.E-03 7 7 8 1.E-01 9.E-03 8 5 9 2.E-01 5.E-03 9 6 10 2.E-01 5.E-03 10 7 11 2.E-01 5.E-03 11 8 12 2.E-01 5.E-03 12 9 10 1.E-01 9.E-03 13 10 11 1.E-01 5.E-03 14 11 12 1.E-01 9.E-03 15 9 13 2.E-01 5.E-03 16 10 14 2.E-01 5.E-03 17 11 15 2.E-01 5.E-03 18 12 16 2.E-01 5.E-03 19 13 14 1.E-01 9.E-03 20 14 15 1.E-01 5.E-03 21 15 16 1.E-01 9.E-03 22 13 17 2.E-01 5.E-03 23 14 18 2.E-01 5.E-03 24 15 19 2.E-01 5.E-03 25 16 20 2.E-01 5.E-03 26 17 18 1.E-01 9.E-03 27 18 19 1.E-01 5.E-03 28 19 20 1.E-01 9.E-03 29 17 21 2.E-01 5.E-03 30 18 22 2.E-01 5.E-03 31 19 23 2.E-01 5.E-03 32 20 24 2.E-01 5.E-03 33 21 22 1.E-01 9.E-03 34 22 23 1.E-01 5.E-03 35 23 24 1.E-01 9.E-03 The Joint Coordinatesjoint X Y 1 . . 2 6. . 3 8. . 4 14. . 5 . 4. 6 6. 4. 7 8. 4. 8 14. 4. 9 . 7. 10 6. 7. 11 8. 7. 12 14. 7. 13 . 10. 14 6. 10. 15 8. 10. 16 14. 10. 17 . 13. 18 6. 13. 19 8. 13. 20 14. 13. 21 . 17. 22 6. 17. 23 8. 17. 24 14. 17. The Information of Supports IS VS 11 . 12 . 13 . 21 . 22 . 23 . 31 . 32 . 33 . 41 . 42 . 43 . ( NA= 864 ) ( NW= 2612 ) Loading Case 1 The Loadings at Joints NLJ= 10 ILJ PX PY PM 5 .0000 -32.1400 -3.21000 6 .0000 -32.1400 .00000 9 .0000 -32.1400 -3.21000 10 .0000 -32.1400