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1、XX市某公寓楼建筑与结构设计1 绪 论1.1 工程背景该项目为XX市应天中学教学楼六层钢筋混凝土框架结构体系,总建筑面积约为5524.6m2；每层层高为3.6m,本工程作为教学楼使用。室内地坪为0.000m,室内外高差0.45m。框架梁、柱、屋面板板均为现浇。1.1.1 设计资料气象资料最热月平均温度27.5摄氏度,最冷月温度-3摄氏度。基本风荷载为0.45kN/m2；基本雪荷载为0.3 kN/m2。年平均降水量610mm。地震设防烈度7度抗震等级三级设计地震分组场地为2类一组Tgs=0.40s。1.1.2 材料柱采用C30,纵筋采用HRB335,箍筋采用HPB300,梁采用C30,纵筋采用H
2、RB335,箍筋采用HPB300。基础采用C30,纵筋采用HRB400,箍筋采用HPB300。1.2 工程特点该工程为六层,主体高度为21.6米,属多层建筑。多层建筑采用的结构可分为钢筋混凝土结构、钢结构、钢-钢筋混凝土组合结构等类型。根据不同结构类型的特点,正确选用材料,就成为经济合理地建造多层建筑的一个重要方面。经过结构论证以及设计任务书等实际情况,以及本建筑自身的特点,决定采用钢筋混凝土结构。在房屋建筑中,水平力荷载成为结构设计系统的关键问题。房屋建筑中常用的结构体系有框架、剪力墙、框架-剪力墙、筒体以及它们的组合。房屋建筑随着层数和高度的增加水平作用对房屋建筑机构安全的控制作用更加显著
3、,包括地震作用和风荷载,房屋建筑的承载能力、抗侧刚度、抗震性能、材料用量和造价高低,与其所采用的机构体系又密切的相关。不同的结构体系,适用于不同的层数、高度和功能。框架结构体系是由梁、柱构件通过节点连接构成,既承受竖向荷载,也承受水平荷载的结构体系。这种体系适用于多层建筑及高度不大的高层建筑。本建筑采用的是框架机构体系,框架结构的优点是建筑平面布置灵活,框架结构可通过合理的设计,使之具有良好的抗震性能；框架结构构件类型少,易于标准化、定型化；可以采用预制构件,也易于采用定型模板而做成现浇结构,本建筑采用的现浇结构。 由于本次设计是教学楼设计,要求有灵活的空间布置,和较高的抗震等级,故采用钢筋混
4、凝土框架结构体系。1.3 本章小结本章主要论述了本次设计的工程概况、相关的设计资料、高层建筑的一些特点以及综合本次设计所确定的结构体系类型。2 框架结构计算2.1 工程概况该项目为六层钢筋混凝土框架结构体系,总建筑面积约为5524.6m2；底层层高为3.6 m。总层高21.6m。室内地坪为0.000m,室外内高差0.45m。本教学楼采用柱距为7.2m的内廊式小柱网,边跨为7.2m,中间跨为2.1m框架平面同柱网布置如图2.1。图2.1 框架平面柱网布置框架梁柱现浇,屋面及楼面采用100mm厚现浇钢筋混凝土。竖向荷载的传力途径：楼板的均布活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
5、后传至地基。根据以上楼盖的平面布置及竖向荷载的传力途径,本办公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。2.1.1 设计资料气象条件基本风荷载W。=0.45kN/m2;基本雪荷载为0.3KN/m2。楼、屋面使用荷载教室2kN/m2；走道、会议室、门厅等处：2.5kN/m2。工程地质条件建筑物场地地形平坦,地基土成因类型为水洪积层。自上而下叙述如下：新近沉积层第一层,粉质粘土,厚度0.51.5米,岩性特点,团粒状大孔结构,欠压密。粉质粘土层第二层,地质主要岩性为黄褐色分之粘土,硬塑状态,具有大孔结构,厚度约3.0米, 粉质粘土层第三层,地质岩性为褐
6、黄色粉质粘土,具微层理,含铁锰结核,可塑状态,厚度3.5米,粉质粘土层第四层,岩性为褐黄色粉质粘土,具微层理,含铁锰结核,硬塑状态,厚度未揭露,不考虑地下水。场地位1类一组Tgs=0.40s 屋面及楼面做法1屋面做法20mm厚砂浆找平层；炉渣混凝土找坡3%；苯板60mm厚；20mm厚砂浆找平层；130mm厚钢筋混凝土楼板；20mm厚混合砂浆。2楼面做法130厚混凝土楼板；水泥砂浆抹灰楼板上下各20mm厚。2.2梁柱截面、梁跨度及柱高度的确定初估截面尺寸：1柱：bh=600mm600mm2梁：梁编号如下图2.2：L1:h=7200=600900 取h=700mmb=H=700=233350 取b
7、=300mmL2:h=2100=175263 取h=250mmb=H=250=84125 取b=150mmL3:h=4800=400600 取h=600mmb=H=600=200300 取b=250mmL4:h=4500=375563 取h=500mmb=H=500=16725 0 取b=200mmL5:h=3600=300450 取h=400mmb=H=400=133200 取b=200mm图2.2 梁的初步估算梁的计算跨度框架梁的计算跨度以上柱形心为准,由于建筑轴线与柱轴线重合,故计算跨度如下图2.3。图2.3 梁的计算跨度柱高度底层柱 h=3.6+0.45=4.05m其它层柱 h=3.6
8、m横向框架计算简图及柱编号如图2.4。图2.4 横向框架计算简图及柱编号2.3荷载计算2.3.1 屋面均布恒载二毡三油防水层 0.35kN/m2冷底子有热玛蹄脂 0.05kN/m220mm厚1：2水泥砂浆找平 0.02 20=0.4kN/m2100mm厚钢筋混泥土整浇层 0.10 25=2.5kN/m2吊顶粉底 0.5kN/m2共计 3.8kN/m2屋面恒载标准值为：55.8+0.24.7.2.2+2.1+0.24.5.5=5160 kN2.3.2 楼面均布恒载按楼面做法逐项计算水磨石地面 0.65kN/m2100mm厚、钢筋混凝土整浇层 0.1025=2.50kN/m2吊顶粉底 0.5kN/
9、m2共计 3.65kN/m2楼面恒载标准值为：55.8+0.247.22+2.1+0.244.3=4034 kN2.3.3 屋面均布活载计算重力荷载代表值时,仅考虑屋面雪荷载：雪荷载标准值为：0.255.8+0.247.22+2.1+0.24=188kN2.3.4 楼面均布活荷载楼面均布活荷载标准值为：2.055.8+0.24+0247.22+2.1+2.4=1884kN2.4梁柱自重L1：bh=0.4m 0.8m 长度6.64m 每根重量0.83.0250.022+0.25=53.1kN 根数286=168根L2：bh=0.250.5 长度1.86m 每根重量0.51.8625.0.023=
10、5.81kN 根数146=84根L3：bh= 0.4 0.8 长度4.4m 每根重量0.454.42 50.022+0.25=35.2kN 根数146=84根L4：bh=0.40.8 长度4.1m 每根重量0.74.1250.022+0.3=32.8kN 根数286=168根L5：bh=0.4m0.8m 长度3.2m 每根重量3.2.0.8250.022+0.4=25.6kN 根数164=64根L6：bh=0.40.8 长度4.7m每根重量0.84.7250.022+0.4=37.6kN根数46=24根Z1：截面0.60.6 m2长度4.7m 每根重量0.6+0.0224.725=42.3kN
11、 根数144=56根Z2: 截面0.60.6 m2 长度3.6m 每根重量0.6+0.0223.625=36.86kN 根数1443=168根 Z3: 截面0.50.5 m2 长度3.6m 每根重量0.5+0.0223.625=22.5kN 根数1442=112根梁柱自重见表2.1,梁截面尺寸见表2.2,柱截面尺寸见表2.3。表2.1 梁柱自重梁柱编 号截面m2长度m根数每根重量kNL10.40.86.6416853.1L20.250.51.86845.81L30.40.84.42435.2L40.40.84.116832.8L50.40.83.26425.6L60.40.84.72437.6
12、Z10.60.64.76442.3Z20.60.63.616832.4Z30.50.53.611222.5表2.2 梁截面尺寸mm混凝土等级横梁bh纵梁bhAB跨、CD跨BC跨C307200450021004500600600表2.3 柱截面尺寸mm层次混凝土等级bh1C306006002-6C30600600外墙墙厚240mm,采用瓷砖贴面；内墙墙厚240mm,采用水泥砂浆抹面,内外墙均采用粉煤灰空心砌块砌筑,墙体自重见表2.4。单位面积外墙体重量为：7.00.24=1.68 kN/m2单位面积外墙贴面重量为：0.5 kN/m2单位面积内墙体重量为：7.00.24=1.68 kN/m2单位面
13、积内墙贴面重量为双面抹面：0.362=0.72 kN/m2表2.4 墙体自重墙体每片面积m2片数重量KN底层纵墙外墙2.854.054外墙墙体77.57296.67外墙墙面23.093.154.054外墙墙体85.73外墙墙面25.524.054.051外墙墙体27.56外墙墙面8.205.554.051外墙墙体37.76外墙墙面11.24内墙2.854.054内墙墙体77.57326.59内墙墙面33.243.154.054内墙墙体85.73内墙墙面 36.745.554.051内墙墙体37.76内墙墙面16.184.054.051内墙墙体27.56内墙墙面11.81底层横墙外墙6.754.
14、052外墙墙体91.85233.98外墙墙面27.341.954.052外墙墙体26.54其他层纵墙外墙3.153.604外墙墙体76.20703.34外墙墙面22.684.053.620外墙墙体391.91外墙墙面16.645.553.62外墙墙体67.13外墙墙面28.77内墙2.853.64内墙墙体68.95815.18内墙墙面29.553.153.64内墙墙体 76.20内墙墙面32.664.053.616内墙墙体391.91内墙墙面 167.965.553.61内墙墙体33.57内墙墙面 14.39其他层横墙外墙6.753.62外墙墙体81.65207.97外墙墙面24.31.953
15、.62外墙墙体23.59外墙墙面7.024.553.62外墙墙体55.04外墙墙面16.38内墙6.753.628内墙墙体1143.071632.96内墙墙面 489.892.5荷载总汇顶层重力荷载代表值包括屋面恒载+50%屋面雪载+纵横梁自重+半层柱自重+半层墙体自重。顶层恒载：4182.56kN顶层活载：190.98kN顶层梁自重：+=1650.88+82.65+105.68+36.56+33.08+112.68+39.58=2061.11kN顶层柱自重：21.6152=1123.72kN顶层墙自重：703.34+851.18+207.97+1632.96=1677.7kNG6=+1/2+
16、1/2+1/2=9759.58kN其他层重力荷载代表值包括楼面恒载+50%活载+纵横梁自重+楼面上下各半层的柱及纵横墙体自重。G5=3093.05+1/22387.31+2061.11+1123.72+3359.452=7830.99kNG4=G3=G2=7830.99kN G1=3093.05+1/22387.31+2061.11+1/21123.72+1/224.3162=10756.34kN门窗荷载计算M-1、M-2采用钢框门,单位面积钢框门重量为0.4kN/m2M-3、M-4、M-5采用木门,单位面积木门重量为0.2kN/m2C-1、C-2、C-3、C-4、C-5、均采用钢框玻璃窗,单
17、位面积钢框玻璃窗重量为0.45kN/。门窗重量计算见表2.5。表2.5 门窗重量计算层号门窗号单位面积m2数量重量一至六层M-10.9 2.1492.23242.23M-23.62.715.78C-11.81.5463.75C-21.51.561.24C-31.21.5532.99C-41.21.5442.54底层墙体实际重量G1=10342.04kN二至六层实际重量：G2=G3=G4=G5=G6=9721.5KN建筑物总重力荷载代表值=48607.5KN 3 水平地震作用下框架的侧向位移验算3.1横向线刚度混凝土 C30 kN/m2横向线刚度计算见表3.1。3.1.1横向框架柱的侧移刚度D值
18、柱线刚度列于表3.1,横向框架柱侧移刚度D值计算见表3.2。3.1.2 横向框架自振周期按顶点位移法计算框架的自振周期。顶点位移法是求结构基本频率的一种近似方法。将结构按质量分布情况简化为无限质点的悬臂直杆,导出以直杆顶点位移表示的基本公式。表3.1 柱线刚度柱号截面m2柱高度m惯性矩线刚度m4kNm0.60.64.053.410-35.451040.60.63.63.410-38.02104表3.2 横向框架柱侧移刚度D值计算 项目柱类型层根数底层边框架边柱4.25/5.45=0.780.421157384边框架中柱2.44+4.25/5.45=1.2280.517186724中框架边柱5.
19、24/5.45=0.9610.2761542328中框架中柱5.24+3.14/5.45=1.5380.61320961281109984二至六层边框架边柱4.25+4.25/27.2=0.590.203175424边框架中柱4.25+2.442/14.4=0.9290.321247584续表 3.2 项目柱类型层 根数二至六层中框架边柱6.45+6.452/14.4=0.8960.2132314628中框架中柱6.45+4.252/14.4=1.4860.28734571281567452这样,只要求出结构的顶点水平位移,就可以按下式求得结构的基本周期： 式中基本周期调整系数,考虑填充墙使框
20、架自振周期减少的影响,取0.6；框架的顶点位移。在未求出框架的周期前,无法求出框架的地震力及位移；是将框架的重力荷载视为水平作用力,求得的假想框架顶点位移。然后由求出,再用求出框架结构的底部剪力,进而求出框架各层剪力和结构真正的位移。横向框架顶点位移计算见表3.3。表3.3 横向框架顶点位移层次kNkNkN/m层间相对位移69721.58891.8214616600.00760.286459721.513725.1314616600.01380.371549721.528438.1614616600.01460.256439721.532331.7214616600.02560.1702297
21、21.546145.0814616600.03270.1431110342.045824.0311099840.06780.0678=1.70.63.2横向地震作用计算在2类场地,7度设防区,设计地震分组为第二组情况下,结构的特征周期=0.40s,水平地震影响系数最大值=0.16。利用底部剪力法：由于=0.577=1.40.25=0.35s应考虑顶点附加地震作用。=0.08+0.01=0.080.577+0.01=0.0562结构横向总水平地震作用标准值： FiGiHi/GjHjFek=/ 0.85=0.25/0.8500.90.160.8588844.15=5691.88kN顶点附加水平地震
22、作用：=0.0685681.88=387.05kN各层横向地震剪力计算见表3.4,表中：横向框架各层水平地震作用和地震剪力见表3.4。表3.4 各层横向地震作用及楼层地震剪力层次mmkNkNkN63.621.69721.5209984.40.1231045.343614.2553.618.09721.51749870.104614.624142.7343.614.49721.5139989.60.083553.244674.1433.610.89721.5104992.20.072462.165261.2723.67.29721.569994.80.053312.435517.3414.054
23、.0510342.0441885.260.031181.565730.74注：表中第6层中加入了,其中 =387.05kN。3.3横向框架抗震变形验算详见表3.5表3.5 横向框架抗震变形验算层次层间剪力kN层间刚度kN层间位移m层高m层间相对弹性转角63884.2314616600.002663.61/135354485.8914616600.003073.61/117344974.7414616600.00343.61/105835350.7814616600.003663.61/98325619.3814616600.003843.61/93815780.5411099840.00521
24、4.051/6913.4水平地震作用下横向框架的内力分析本设计取中框架为例,柱端计算结果详见图3.1。地震作用下框架梁柱弯矩,梁端剪力及柱轴力分别见图3.1,3.2。图3.1地震中框架弯矩图kN/m图3.2 地震力作用下框架梁端剪力及柱轴力3.5竖向荷载作用下横向框架的内力分析仍以中框架为例进行计算。3.5.1 荷载计算第6层梁的均布线荷载 CD跨：屋面均布恒载传给梁 4.384.50.836=16.48kN/m横梁自重包括抹灰 0.4+0.0220.825=8.8kN/m恒载： 25.28kN/mDE跨：屋面均布恒载传给梁 4.384.50.836=16.48kN/m横梁自重包括抹灰 0.2
25、5+0.0220.4525=3.26kN/m 恒载： 19.74kN/m第25层梁均布线荷载CD跨： 楼面均布恒载传给梁 3.244.50.836=12.19kN/m横梁自重包括抹灰 0.4+0.0220.825=8.8kN/m无横墙恒载： 20.99kN/mDE跨： 楼面均布恒载传 3.244.50.836=12.19kN/m 横梁自重包括抹灰 0.25+0.0220.4525=3.26kN/m 恒载： 15.45kN/m第25层集中荷载：纵梁自重包括抹灰： 0.25+0.0220.45254.5=14.67kN 外纵墙自重包括抹灰： 1.68+0.723.64.5-0.60=33.70 k
26、N内纵墙自重： 1.68+0.723.64.5-0.60=33.70 kN柱自重包括抹灰： 0.490.493.625=21.609 kN 总计： 103.68 kN第1层梁均布线荷载跨恒载： 20.99kN/m跨恒载： 15.45kN/m第1层集中荷载：纵梁自重包括抹灰： 14.67 kN纵墙自重包括抹灰： 15.45kN柱自重包括抹灰： 24.31kN总计： 90.87 kN活荷载计算：屋面梁上线活荷载楼面梁上线活荷载边框架恒载及活荷载3.5.2 用弯矩分配法计算框架弯矩竖向荷载作用下框架的内力分析,除活荷载较大的工业厂房外,对一般的工业与民用建筑可以不考虑活荷载的不利布置。这样求得的框架
27、内力,梁跨中弯矩较考虑活荷载不利布置法求得的弯矩偏低,但当活荷载在总荷载比例较大时,可在截面配筋时,将跨中弯矩乘1.11.2的放大系数予以调整。固端弯矩计算见表3.3。固端弯矩计算：1恒荷载作用下内力计算将框架视为两端固定梁,计算固端弯矩。2活荷载作用下内力计算将框架视为两端固定梁,计算固端弯矩。表3.3固端弯矩计算层数简图边跨框架梁顶层底层分配系数计算：考虑框架对称性,取半框架计算,半框架的梁柱线刚度。各杆端分配系数见表3.4。 表3.4各杆端分配系数层号节点C各杆端分配系数节点D各杆端分配系数顶层C9C80.58D9D80.51C9D90.42D9C90.37D9E90.12标准层C8C9
28、0.37C8C70.37D8D90.34D8D70.34C8D80.26D8C80.25D8E80.07底层C1C20.4C1C00.31D1D20.37D1D00.28C1D10.29D1C10.27D1E10.08弯矩分配：恒荷载作用下,框架的弯矩分配计算3.5,框架的弯矩图；竖向荷载作用下,考虑框架梁端的塑性内力重分布,取弯矩调幅系数为0.8,调幅后,恒荷载及活荷载弯矩,图3.5中括号内数值。图3.5框架弯矩图表3.5 框架的弯矩分配计算0.200.200.15-0.05-0.07-0.07-0.0221.4318.5840.0240.99-17.05-16.31-7.630.370.3
29、70.266层0.250.340.340.07-44.7744.77-5.3616.5616.5611.65-9.85-13.40-13.40-2.768.288.28-4.935.83-6.7-6.7-4.30-4.30-3.031.892.572.570.53-2.15-2.160.95-1.521.231.281.241.240.87-0.25-0.34-0.34-0.0619.6319.62-39.2540.87-16.64-16.59-7.650.370.370.265层0.250.340.340.07-44.7744.77-5.3616.5616.5611.65-9.85-13.4
30、0-13.40-2.768.288.28-4.925.82-6.7-6.7-4.31-4.31-3.031.892.572.570.54-2.15-2.150.95-1.511.281.281.241.240.87-0.26-0.36-0.36-0.0719.6219.62-39.2540.86-16.61-16.61-7.650.370.370.264层0.250.340.340.07-44.7744.77-5.3616.5616.5611.65-9.85-13.40-13.40-2.768.288.28-4.935.83-6.7-6.7-4.31-4.31-3.031.892.572.57
31、0.54-2.15-2.150.95-1.521.281.281.241.240.88-1.26-0.35-0.35-0.0719.6219.62-39.2540.86-16.6-16.6-7.650.370.370.263层0.250.340.340.07-44.7744.77-5.3616.5616.5611.65-9.85-13.40-13.40-2.768.288.28-4.925.83-6.7-6.7-4.31-4.31-3.021.892.572.570.54-2.15-2.280.95-1.511.281.391.291.290.90-0.29-0.39-0.39-0.0819.
32、6719.54-39.2140.84-16.64-16.53-7.660.370.370.262层0.250.340.340.07-44.7744.77-5.3616.5616.5611.65-9.85-13.40-13.40-2.768.288.96-4.935.82-6.7-7.29-4.55-4.55-3.202.042.782.780.57-2.150.64-0.590.641.020.44-1.600.071.280.100.040.100.0218.7821.02-39.7941.25-15.94-17.77-7.530.40.310.291层0.270.37 0.280.08-4
33、4.7744.77-5.3617.9113.8812.98-10.6414.58-11.03-3.158.28-5.326.49-6.7-1.18-0.92-0.860.050.080.060.02-2.280.03-0.431.390.90.700.65-0.26-0.36-0.17-0.0123.6313.66-37.2940.67-21.2-10.97-8.493.6梁端剪力及柱轴力的计算梁端剪力：式中： 梁上均布荷载引起的剪力,； 梁端弯矩引起的剪力,。柱轴力： 式中： 梁端剪力 节点集中力及柱自重。4 内力组合4.1框架梁内力组合在恒载和活载作用下,跨间可以近似取跨中的代替：式中 、
34、梁左、右端弯矩。跨中若小于应取在竖向荷载与地震组合时,跨间最大弯矩采用数解法计算,如图4.1所示,调幅前后剪力值变化如图4.2。图4.1 框架梁内力组合图 图4.2调幅前后剪力值变化图中 、重力荷载作用下梁端的弯矩；、水平地震作用下梁端的弯矩、竖向荷载与地震荷载共同作用下梁端反力。对作用点取矩： -处截面弯矩为： =- + 由=0,可求得跨间的位置为=将代入任一截面处的弯矩表达式,可得跨间最大弯矩为：= - + =- + 当右震时公式中、反号。及的具体数据见表4.1,表中、均有两组数据。表4.1 及值计算6M-69.75-32.7158.33-129.48-309.15102.51V74.1434.6549.02137.48173.48M-11.9-6.12101.23-22.85113.65-149.55V21.911.9296.4142.97158.77跨中75.2729.84132.1363.6748.107.393.4213.665M-67.34-31.4232.12-124.77202.11-401.40V73.4434.2759.39136.11
