华宇办公楼框架结构设计学士学位论文.doc

毕 业 论 文 （设 计）题 目 华宇办公楼框架结构设计 英文题目 Hua Yu frame structure office building design 院 系 土木工程与城市建设学院 专 业 土木工程 姓 名 黄 海 年 级 2010级土A1014 指导教师 戴 嘉 兴 二零一四年六月 摘 要 本工程为华宇办公楼的结构设计，采用混凝土框架结构， 该办公楼为五层钢筋混泥土结构体系，底层层高为3.9m，其它层层高为3.6m，建筑面积约3100。本工程地震烈度为7度，设计分组为第一组，场地类别为类，框架抗震等级为三级。基本风压为0.35kN/，基本雪压为0.40kN/。楼、屋盖均采用现浇钢筋混凝土结构。本设计是以“简单、实用、经济、安全”为核心的设计原则。按照设计规范来完成本工程的结构设计。 本设计方案根据设计资料先画出建筑施工图，先进行荷载的标准值计算，接着采用弯矩二次分配法，做出弯矩图，剪力图，轴力图。横向框架在水平地震作用下的内力和位移计算，横向框架在风荷载作用下的内力和位移计算，然后进行内力组合计算，找出最不利的一组或几组内力组合，进行安全结构计算配筋并绘图。 整个设计过程中，遵循设计资料和相关的最新规范，对设计的各个环节进行全面的分析。始终围绕着设计的核心原则进行设计。【关键词】: 框架结构、内力组合、结构配筋 Abstract For hua yu office building structure design of this project, the adoption of concrete frame structures, the office building for five layer reinforced concrete structure system, the underlying the height of 3.9 m, other layers of high of 3.6 m, building area of about 3100. This design engineering seismic intensity of 7 degrees, grouped into the first group, site category for , frame aseismic levels for level 3. The basic wind pressure is 0.35 kN /m2, basic snow pressure is 0.40 kN /m2. Floor, roof adopts the cast-in-place reinforced concrete structure. This design is based on "simple, practical, economic and security" as the core design principles. According to the design specification to complete the project structure design. This design according to the design data to draw the construction plan, load standard values calculated first, and then USES the bending moment secondary distribution method, make the bending moment diagram and shear diagram, shaft trying to. Transverse frame under horizontal seismic action of internal force and displacement calculation, horizontal framework under the wind load of the internal force and displacement calculation, and then the combination of internal force calculation, find out the most unfavorable one or several groups of internal force combination, the security structure calculation of reinforcement and drawing. The whole design process, follow the latest specification, design data and related to the design of each link to conduct a comprehensive analysis. Always surround the core principles of design. key words ： frame structure, internal force combination, structure reinforcement 目 录摘要(Abstract)I第一章 设计资料11.1工程概况 11.2地质水文条件 11.3气象条件 11.4材料使用1第二章 结构设计22.1 结构布置和结构选型22.1.1 结构布置22.1.2梁柱截面尺寸初估22.1.3结构选型42.2 框架的计算简图42.2.1 计算简图说明42.2.2 框架梁柱的线刚度计算52.3 荷载计算62.3.1.恒载标准值计算62.3.2活荷载标准值计算82.3.3横向框架在恒荷载和活荷载作用下的计算简图92.3.4横向框架在重力荷载代表值作用下计算简图122.4内力计算152.4.1恒载作用下的内力计算152.4.2 活载作用的内力计算212.4.3重力荷载代表值作用下的内力计算26第三章 横向框架在风荷载作用下的内力和位移计算313.1横向框架在风荷载作用下的计算313.2 风荷载作用下框架位移计算313.3 风荷载作用下框架内力的计算33第四章 横向框架在水平地震作用下的内力和位移计算384.1 水平地震作用下结构各层的总重力荷载代表值计算384.2横向框架在水平地震作用下的内力和位移计算404.3水平地震作用下框架内力计算42第五章 内力组合475.1内力换算475.2框架梁、柱的内力组合50第六章 框架梁、柱配筋636.1 框架柱配筋计算636.2 框架梁设计66第七章 楼板配筋计算737.1楼板配筋计算737.2板的配筋计算74第八章 楼梯配筋计算768.1楼梯板配筋计算768.2 平台板设计77 8.3 平台梁设计78第九章 基础设计809.1 A柱基础设计：809.2 B柱基础设计：82参 考 文 献85谢 辞86III第一章 设计资料1.1工程概况（1）工程名称：华宇办公楼框架结构设计；建设地点：九江市郊区（2）建筑概况:该办公楼为五层钢筋混泥土结构体系，底层层高为3.9m，其它层层层高为3.6m，室内外高差为0.45m。具体情况可参见平面布置图和剖面图，建筑面积约3100，采用室内楼梯，使用年限为50年。1.2地质水文条件（1）水文资料：九江地区属亚热带季风气候区，经勘测发现地下稳定水位距地坪-7m。（2）工程地质条件：本工程地震烈度为7度，设计分组为第一组，场地类别为类，框架抗震等级为三级。地质资料：土层深度由自然地坪算起，见下表1-1 表 1-1岩土分类fak(kpa)Es(Mpa)土壤重度底层深度（m）杂填土0.2粉质粘土(孔隙比0.861，液性指数IL=-0.02)2209.418.40.8粘土（孔隙比0.984，液性指数IL=-0.21）26010.0182.51.3气象条件（1）基本风压：0.35kN/，地面粗糙度为B类。（2）基本雪压：雪荷载为0.40kN/1.4材料使用 混凝土：梁柱板均采用C30混凝土,混凝土垫层的为C15。 钢筋：钢筋采用热轧钢筋HRB400，HRB335，其余采用热轧钢筋HRB235。第二章 结构设计2.1 结构布置和结构选型2.1.1 结构布置本工程结构柱网布置如下图2-1所示 图2-1结构柱网布置图 2.1.2梁柱截面尺寸初估1.柱的截面尺寸 依据建筑抗震设计规范（GB500112010）的规定，框架柱的截面尺寸应满足最小尺寸要求、最小刚度以及轴压比要求。初步选取各层柱截面为500mm×500mm。然后进行验算。（1） 底层最小刚度验算： 满足最小刚度要求。（2） 轴压比验算：说明 根据抗震设防烈度、结构形式、房屋的高度。(轴压比)，其中由于抗震等级为三级，故=0.9，G为单位建筑面积上的重力荷载值，近视取15kN/，i为层数。 所以， 本设计中所有柱子截面尺寸都取500mm500mm。2梁截面尺寸初选 （1）AB,CD跨 h=取h=600mm b=取b=250mm故AB,CD跨横向框架尺寸为250mm600mm（2）BC跨 h=考虑到刚度因素，取h=500mmb=取b=250mm故BC跨横向框架尺寸为250mm500mm（3）纵向框架 h=取h=700mmb=取b=300mm故纵向框架梁的尺寸为300mm700mm（4）横向次梁 h=取h=600mm b=取b=250mm故横向次梁的尺寸为250mm600mm(5)纵向次梁 h=取h=400mm b=根据规范要求b200mm，取b=200mm故纵向次梁的尺寸为200mm400mm说明梁柱的截面尺寸应满足建筑抗震设计规范（GB50011-2010）中6.3.1条以及6.3.6条的要求。 2.1.3结构选型 根据建筑办公楼的要求，为使平面布置灵活，获得较大的使用空间，本结构采用混凝土框架结构体系，屋面结构采用现浇混凝土肋型屋盖刚柔性结合的屋面。内外墙都是200mm，楼面结构，采用现浇混凝土肋型楼盖。楼梯结构，采用混凝土板式楼梯。现浇板的厚度；说明判别现浇楼板是单向板还是单向板；按最小刚度原则确定板厚；h=，所以板厚取h=120mm2.2 框架的计算简图 2.2.1 计算简图说明 本设计选用柱下独立基础，基础顶面标高为-1.0m（室外地坪以下0.55m）取3-3轴上的一榀框架计算，假定框架柱嵌固于基础顶，框架梁与柱刚接，由于各层柱截面尺寸不变，故25层的计算高度为3.6m，第一层的计算高度为4.9m计算简图如下图2-2所示。 图 2-2横向框架计算简图2.2.2 框架梁柱的线刚度计算 1.框架梁线刚度计算 由于现浇楼面可以作为梁的有效翼缘，增大梁的有效刚度，减少框架测移。 所以对边框架梁取I=1.5,对中框架梁I=2。边跨梁： 中跨梁: 2.框架柱的线刚度计算 柱： 3.相对线刚度计算 取，则其余杆件相对线刚度为： 相对线刚度表如下图2-3所示： 图 2-3梁柱相对线刚度2.3 荷载计算2.3.1.恒载标准值计算1. 屋面：防水层（刚性）30厚C20细石混凝土防水 1.0防水层（柔性）三毡四油铺小石子 0.4找平层：15厚水泥砂浆 找坡层：40厚水泥石灰焦砂浆3找平 保温层：80厚矿渣水泥 结构层：120厚现浇钢筋混凝土 抹灰层：10厚混合砂浆 合计： 6.592. 各层楼面（含走廊）水磨石地面（10mm面层，20mm水泥砂浆打底） 0.65结构层：120mm厚现浇钢筋混凝土板 抹灰层：10mm厚混合砂浆 合计： 3.823. 梁自重：4.柱自重5. 外纵墙自重底层：纵墙； 10mm水泥粉刷墙面： 1.35m高的贴瓷砖外墙面： 塑钢窗（2.4×2.3）： 合计： 63.97标准层；纵墙： 10mm水泥粉刷墙面： 塑钢窗（2.4×2.0）： 合计： 39.956.内纵墙自重：底层： 纵墙： 塑钢门（2.1×1.2）： 10mm水泥粉刷墙面：合计： 77.39标准层：纵墙： 塑钢门（2.1×1.2）： 10mm水泥粉刷墙面：合计： 48.397. 内横墙自重：底层：横墙： 10mm水泥粉刷墙面： 合计： 68.81标准层：横墙： 10mm水泥粉刷墙面： 合计： 49.688.BC墙重：标准层：横墙：10mm水泥粉刷墙面：窗：合计： 9.712.3.2活荷载标准值计算1. 屋面与楼面活荷载标准值： 不上人屋面：0.5 楼面：办公室：2.0：走廊：2.52雪荷载：0.40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。2.3.3横向框架在恒荷载和活荷载作用下的计算简图1. 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，如下图2-4 图2-4板荷载传递示意图（1） 恒载：由双向板转来的梯形荷载的等效均布荷载为： 由双向板传递来的三角形荷载的等效均布荷载为： 由单向板传递来的荷载 （2）活载： 由双向板传递来的梯形荷载的等效均布荷载为： 由双向板传递来的三角形荷载的等效均布荷载为： 由单向板传递来的荷载： 2. 楼面板传荷载（1） 恒载： 由双向板传递来的梯形荷载的等效均布荷载为： 由双向板传递来的三角形荷载的等效均布荷载为： 由单向板传递来的荷载： （2）活载： 由双向板传递来的梯形荷载的等效均布荷载为： 由双向板传递来的三角形荷载的等效均布荷载为： 由单向板传递来的荷载： 3. AB,CD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=1.68 楼面梁：恒载=梁自重+板传荷载 = 活载=板传荷载=6.724. BC轴间框架梁均布荷载为： 屋面梁：恒载=梁自重 = 活载=0 楼面梁：恒载=梁自重 = 活载=05. A、D轴柱纵向集中荷载的计算： 顶层柱： 女儿墙自重（做法：墙高800mm，100mm的混凝土压顶）恒载=女儿墙自重+梁自重+板传给梁的荷载 =活载=板传给梁的荷载= 标准层柱： 恒载=梁自重+板传给梁的荷载 = 活载=板传给梁的荷载 =6. B、C轴柱纵向集中荷载的计算： 顶层柱： 恒载=梁自重+板传给梁的荷载 = 活载=板传给梁的荷载= 标准层柱： 恒载=梁自重+板传给梁的荷载 = 活载=板传给梁的荷载 = 由上可作出框架分别在恒、活荷载作用下的受荷总图，如下图2-5,2-6所示 图2-5恒荷载作用下的受荷图图2-6活荷载作用下受荷图2.3.4横向框架在重力荷载代表值作用下计算简图 屋面重力荷载代表值=屋面恒荷载标准值+0.5雪荷载标准值 楼面重力荷载代表值=楼面恒荷载标准值+0.5楼面活荷载标准值1.第四层框架重力荷载代表值 （1）AB梁的均布荷载：3.16 （2）板传给AB梁的梯形线荷载：25.30+0.51.34=25.97 （3）BC梁的均布荷载：2.51 （4）CD梁的均布线荷载：3.16 （5）板传给CD梁的梯形线荷载：25.30+0.51.34=25.97 （6）A节点处的集中荷载：=209.39+0.59.96=214.37 (7) B节点处的集中荷载：=245.53+0.512.24=251.65 (8) C节点处的集中荷载：=251.65 （9）D节点处的集中荷载：=214.372.标准层框架重力荷载代表值 （1）AB梁的均布荷载：3.16 （2）板传给AB梁的梯形线荷载：16.00+0.56.72=19.36 （3）BC梁的均布荷载：2.51 （4）CD梁的均布线荷载：3.16 （5）板传给CD梁的梯形线荷载：16.00+0.56.72=19.36 （6）A节点处的集中荷载：=238.02+0.551.59=263.82 (7) B节点处的集中荷载：=259.11+0.565.84=292.03 (8) C节点处的集中荷载：=292.03 （9）D节点处的集中荷载：=263.82 由上可作出横向框架在重力荷载代表值作用下的受荷图，如下图2-8所示图2-8重力荷载作用下的受荷图2.4内力计算2.4.1恒载作用下的内力计算 由于在竖向恒载作用下，忽略结构变形，即无未知的节点线位移，因此采用弯矩二次分配法进行计算，而框架为对称结构，因此可利用其对称性进行计算。1.计算分配系数 梁柱传递系数：由为远端固定，因此传递系数C=1/2，分配系数按进行计算。 图 2-9分配系数图2.梁的固端弯矩 均布荷载引起是固端弯矩构成节点不平衡弯矩，利用一下公式进行计算。 可求得各梁端弯矩，具体如下表 恒载AB跨BC跨简图固端弯矩(kN·m)简图固端弯矩(kN·m)顶层=-89.42=89.42=-1.2其它层=-56.33=56.33=-1.23.弯矩的二次分配过程如下图2-10所示 图 2-10恒载的二次弯矩分配图4. 绘制内力图 （1）弯矩图如下图所示跨中弯矩 图2-11恒载作用下框架弯矩图（2）剪力图 根据弯矩和剪力的关系，可采用隔离体方法计算剪力 如下图所示 图 2-12 横向框架在恒载作用下的剪力图 (3)轴力图 横向框架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，如下图所示 图 2-13横向框架在恒载作用下是轴力图2.4.2 活载作用的内力计算1.梁的固端弯矩 均布活载引起的固端弯矩构成了节点不平衡弯矩，利用一下公式进行计算，可求得各梁端弯矩。活载AB跨BC跨简图固端弯矩(kN·m)固端弯矩(kN·m)顶层5.920其它层23.6602.弯矩的二次分配过程如下图所示 图2-14活载的二次弯矩分配图3.绘制内力图 （1）弯矩图，如下图所示 图2-15横向框架活载作用下的弯矩图（2）剪力图 根据弯矩和剪力的关系，可采用隔离体方法计算剪力 绘制剪力图如下 图2-16横向框架活载作用下的剪力图 （3）轴力图 横向框架作用于柱子轴力值即为梁端剪力值，再加上纵梁传来的活载轴力值可得出活载作用下的轴力图，如下图所示。图2-17横向框架在活载作用用下的轴力图2.4.3重力荷载代表值作用下的内力计算1.梁的固端弯矩重力荷载代表值AB跨BC跨简图固端弯矩简图固端弯矩顶层91.44-1.2其它层68.16-1.22.弯矩二次分配过程 采用弯矩二次分配法计算框架的重力荷载作用下的弯矩分配过程如下图所示 图 2-18 横向框架重力荷载代表值作用下的二次弯矩分配图3.绘制内力图 （1）弯矩图如下图所示 图2-19横向框架在重力荷载代表值作用下的弯矩图（2）剪力图 根据弯矩和剪力的关系，可采用隔离体方法计算剪力 绘制剪力图如下 图2-20横向框架在重力荷载代表值作用下的剪力图（3）轴力图 横向框架作用于柱子轴力值即为梁端剪力值，再加上纵梁传来的活载轴力值可得出活载作用下的轴力图，如下图所示。 图 2-21横向框架在重力荷载代表值作用下的轴力图 第三章 横向框架在风荷载作用下的内力和位移计算3.1横向框架在风荷载作用下的计算 作用在屋面梁和楼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分布荷载转化为等量的作用于楼面的集中荷载，式中：- 基本分压，九江为0.35kN/ -分压高度变化系数，因建设地点处于城市郊区，地面粗糙度为B类，由荷载与结构设计方法查得。 -风荷载体型系数，由荷载与结构设计方法表3-9查得。 - 风振系数，由于结构高度小于30m，且高宽比19.3/15.4<1.5 则取=1.0（混凝土结构设计） B-计算单元的迎风面宽度（B=8.0m） 计算过程如下3-1表表3-1风荷载标准值计算层数离地高度518.751.01.31.220.353.61.611.55415.151.01.31.140.353.63.614.94311.551.01.31.040.353.63.613.6327.951.01.31.00.353.63.613.1014.351.01.31.00.354.353.614.473.2 风荷载作用下框架位移计算1.侧移刚度D的计算（见下表）表3-2横向框架2-5层D值的计算公式D=A轴柱0.960.32412974B轴柱2.460.55222103C轴柱2.460.55222103D轴柱0.960.32412974(12974+22103)2=70154 表3-3横向框架底层D值的计算公式D=A轴柱1.310.5475149B轴柱3.350.7206778C轴柱3.350.7206778D轴柱1.310.5475149238542.风荷载作用下框架侧移验算 水平荷载作用下框架层间侧移验算可以按下式计算： 式中： -第j层的剪力 -第j层所有柱的抗侧刚度之和 j层侧移： 顶层侧移：框架在风荷载下侧移的计算（见下表3-4）表3-4层号(kN)（kN）(kN/m)/h511.5511.55701540.000161/22500414.9426.49701540.000381/9474313.6340.12701540.000571/6316213.1053.22701540.000761/4737114.4767.69238540.002841/1725=0.00471 侧移验算： 层间最大侧移值为：<,满足要求，且顶点侧移为,满足要求。3.3 风荷载作用下框架内力的计算1.应用D值法进行计算 （1）求各柱的反弯点位置 计算公式：Y=表3-5 A、D轴柱的反弯点位置层号h/m/m53.60.960.350.000.000.000.351.2643.60.960.400.000.000.000.401.4433.60.960.450.000.000.000.451.6223.60.960.500.000.000.000.501.8014.91.310.650.000.000.000.653.19表3-6 B、C轴柱的反弯点位置层号h/m/m53.62.460.420.000.000.000.421.5143.62.460.450.000.000.000.451.6233.62.460.500.000.000.000.501.8023.62.460.500.000.000.000.501.8014.93.550.550.000.000.000.552.702.左风作用下的内力 框架柱的杆端弯矩和梁端弯矩按以下公式计算 边柱节点： 中柱节点： , 则左风作用下框架柱内力计算如下表3-7表3-7 风荷载作用下A、D轴框架柱剪力和梁柱端弯矩计算表层号511.5570154129740.1852.141.265.012.705.01426.4970154129740.1854.901.4410.587.0113.28340.1270154129740.1857.421.6214.6912.0221.70253.2270154129740.1859.851.8017.7317.7329.75167.692385451490.21614.623.1925.1146.6442.84表3-8 风荷载作用下B、C轴框架柱剪力和梁柱端弯矩计算表层号511.5570154221030.3153.641.517.595.502.974.62426.4970154221030.3158.341.6216.5113.518.6113.40340.1270154221030.31512.641.8022.7522.7514.1822.08253.2270154221030.31516.761.8030.1730.1720.6932.23167.692385467780.28419.222.7042.4651.8928.4044.23表3-9 风荷载作用下框架柱与梁端剪力层号梁端剪力柱轴力AB跨BC跨A轴B轴Na-Nb51.233.851.23-2.622.6243.3711.174.60-7.809.6235.5218.4010.12-12.8822.5027.7626.8617.88-19.1041.60110.9636.8628.84-25.9067.502.绘制内力图(1)弯矩图，风荷载作用下的弯矩图如下图所示图3-10横向框架在风荷载作用下的弯矩图（2）剪力图根据弯矩和剪力的关系，可采用隔离体方法计算剪力 图3-11横向框架在风荷载作用下的剪力图（3）轴力图 根据梁端剪力可以求出框架柱在风荷载作用下的轴力图。图3-12横向框架在风荷载作用下柱的轴力图 第四章 横向框架在水平地震作用下的内力和位移计算 本设计建筑总高度为19.2m，没有超过40m，以剪切变形为主，且是质量和刚度分布比较均匀的建筑物，可采用底部剪力法的简化方法计算水平地震作用。结构底部总剪力与地震影响系数及各质点重力荷载代表值有关，为计算各质点的重力荷载代表值，本设计分别计算各楼面层的重量，然后上下各半的形式分配并集中与楼面层的原则计算各质点的重力荷载的代表值。结构自振周期采用能量法进行计算，水平地震作用下内力及位移分析均采用D值法进行。4.1 水平地震作用下结构各层的总重力荷载代表值计算 1.顶层重力荷载代表值 （1）女儿墙自重： （2）屋面板自重： （3）纵墙框架梁自重： （4）横墙框架梁自重： （5）次梁自重： （6）柱自重： （7）纵墙自重： （8）横墙自重： （9）雪荷载： （10）重力荷载代表值汇总：+ +=6752.21kN2.标准层重力荷载代表值 （1）楼面板自重： （2）纵墙框架梁自重：=682.50kN （3）横墙框架梁自重：=256.10kN （4）次梁自重：=205.40kN （5）柱自重： （6）纵墙自重：=417.52×2=835.04kN （7）横墙自重：=49.68×16+9.71×2=814.30kN （8）活荷载：= （9）楼梯： （10）重力荷载代表值汇总：=+ + 3.底层重力荷载代表值（1）楼面板自重： （2）纵