学士学位论文--某商住楼框架结构设计.doc

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某 商 住 楼 框 架 结 构 设 计

专业：土木工程
摘 要
本毕业设计工程是武汉市某小区里的商住楼，包括建筑设计和结构设计两部分内容。
一、建筑设计是在总体规划的前提下，根据设计任务书的要求，综合考虑建筑物与周围环境、建筑物的使用功能、流水交通及经济性等问题，依据相关设计规范来确定设计方案，做出建筑的结构形式、建筑平面、剖面及立面设计。
二、结构设计是在建筑物初步设计的基础上确定结构方案；选择合理的结构体系；进行结构布置，并初步估算，确定结构构件尺寸，进行结构计算。在确定框架布局之后，我先进行了层间荷载代表值的计算,接着利用顶点位移法求出自振周期，进而按底部剪力法计算水平荷载（地震荷载、风荷载）的作用，求出在水平荷载作用下的结构内力（弯矩、剪力、轴力）。接着计算竖向荷载（恒载及活荷载）作用下的结构内力，并利用Excel表格找出最不利的一组或几组内力组合，选取最安全的结果计算配筋。此外还进行了基础、楼板及楼梯的设计，利用PKPM电算软件对整体结构进行分析，并绘制相关的结构施工图。
关键词：框架结构；荷载计算；内力计算；内力组合；抗震设计；PKPM

Abstract
This engineering graduation project includes two parts--- the architecture design and the structure design of a district in Wuhan in commercial and residential building.
1. The architecture design is made under the premise of the overall programming, according to the request of the design mission, in addition, the building and its surroundings, usage function, the transportation and architecture economy and so on are compressively considered. And the project design according to the related design norm confirm the structural form of architecture, the design of the plan views ,the elevation views and the sectional views.
2. The structure design is based on preliminary architecture design, to select the right structure type, precede structure arrangement and sizes of structure components to calculate. When the directions of the frames is determined, firstly the weight of each floor is calculated .Then the vibrate cycle is calculated by utilizing the peak-displacement method, then making the amount of the horizontal load force (seismic load，wind load) can be got by way of the bottom-shear force method. The force can be assigned according to the shearing stiffness of the frames of the different axis. Then the internal force (bending moment, shearing force and axial force ) in the structure under the horizontal loads can be easily calculated. After the determination of the internal force under the dead and live loads, the combination of internal force can be made by using the Excel software, whose purpose is to find one or several sets of the most adverse internal force ，which will be the basis of protracting the reinforcing drawings of the components. Beside that, The designs of the foundation、floor slabs and stairs are also be approached by calculating the internal force and reinforcing . We can use the computer software PKPM to analysis the overall structure. After all，the construction drawings are completed.
Key Words: frame structure；load computation；internal load computation；internal load combination；anti-seismic design；PKPM

绪 论

湖北省武汉市某商住楼建筑结构设计内容包括建筑设计、结构设计两部份。除计算书部分外还附带建筑施工图和结构施工图对本毕业设计进行说明。
由于是做商住楼建筑结构设计，采用的是框架结构，这样利于形成较大的空间供营业部分使用，采取柱网布置既能满足生产和建筑平面的要求，又可以使结构受力合理，施工方便。
本设计建筑部分根据使用要求进行合理的设计，并符合相应规范等要求。结构设计部分包括合理确定房屋结构形式，作出各层平面结构布置图，结构内力分析及构件设计，根据现行国家设计规范，计算结构荷载及地震作用。手算完成结构一个主轴方向的内力分析，进行框架梁、柱的内力组合，完成构件的截面设计。
毕业设计的三个多月里，在指导老师的帮助下，经过资料查阅、建筑绘图、设计计算、论文撰写以及外文的翻译，加深了对新规范、规程、手册等相关内容的理解。巩固了专业知识、提高了综合分析、解决问题的能力。在进行内力组合的计算时，进一步了解了Excel。在绘图时熟练掌握了AutoCAD和天正建筑，以上所有这些从不同方面达到了毕业设计的目的与要求。
毕业设计是整个大学阶段成果，通过毕业设计能对专业知识进行全方位的考查，我所采用的是框架结构设计，在计算过程中以手算为主，竖向内力计算采用计算机辅助计算，由于自己的水平有限，设计难免会有不足之处，敬请各位老师批评指正。

107

目 录

摘要 2
Abstract 3
绪论 4
第1章 建筑设计 6
第2章 结构设计 ......8
2.1 结构平面布置 9
2.2 结构造型 ......9
2.3 框架计算简图及梁柱线刚度 11
2.4 荷载计算 ......14
2.5 竖向荷载下框架荷载计算 19
2.6 框架柱荷载计算 ......22
2.7 风荷载计算 26
2.8 抗震结构计算 ......29
2.9 内力计算 35
2.10 框架内力组合 ......77
2.11 梁柱截面设计与配筋计算 86
2.12 楼板设计 96
2.13 基础设计 ......102
第3章 结论 105
参考文献 ......106
附录 ......107

1 建筑设计

建筑设计是根据总体规划的要求的同时按照任务书上面的内容进行布局和设计，对多方面进行深层次的考虑，包括建筑使用功能，结构施工，以及建筑经济等方面。
建筑设计是行业中至关重要的一环，其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，这对建筑行业的人提出了很高的要求，促使土木工程专业的人不断的更新设计和施工技术，综合考虑，力求完美。
1.1 总平面设计
为满足社会需要和适应城市的发展，拟在武汉市市区某一小区新建商场住宅综合楼。本建筑平面面积为6163.56平方米；商场面积为2457平方米，住宅面积为3706.56平方米；建筑总高度30.3m，共八层，一二层层高4.8m,其余层层高均为2.9m，室内外高差0.45m。

图1-1 总平面图

1.2 建筑等级与要求
(1) 采用钢筋混凝土框架结构。
(2) 建筑结构安全等级为二级。
(3) 框架抗震等级为四级。
(4) 基础采用桩基础，地基基础设计等级为丙级。
1.3 建筑设计条件
(1) 气象条件
温度:最热月平均3最冷月平均，极端最高39,极端最低-2。
相对湿度:最热月平均75%。
主导风向:全年为西北风,夏季为东南风,基本风压w。=0.35，地面粗糙类别为C类。
(2) 地质条件
拟建小区地形平坦，自然标高20.1m;
根据工程地质勘查报告，场地内土层自上而下依次为：①杂填土，厚1.8m,地基承载力特征值125.0KN/㎡;②灰色淤泥质粘土，中密，厚22m,地基承载力特征值为95.0KN/㎡;③粉土夹粉质粘土，密实，厚29m,承载力特征值为149.0KN/㎡;④黄褐色粉质粘土，地基承载力特征值为228.3KN/㎡。
实测地下水位标高16.5m,水质无侵蚀性。
根据地震区划图，本工程建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g;设计地震分组为第一组。场地类别为Ⅲ类场地，无液化土层，场地特征周期0.35s。框架抗震等级为四级。
1.4建筑图
详见图纸

2 结构设计

本建筑的结构设计采用的是钢筋混凝土结构，因为钢筋混凝土结构有以下的一些优点。合理的利用了钢筋和混凝土两种材料的受力性能特点，可以形成强度较高、刚度较大的结构构件。这些构件在有些情况下可以用来代替钢构件，因而能够节约刚材，降低造价。耐久性和耐火性较好，维护费用低。可模性好，结构造型灵活，可以根据使用需要浇注成各种形状的结构。现浇钢筋混凝土结构的整体性好，又具备必要的延性，适于用作抗震结构；同时它的防震性和防辐射性也好，亦适于用作防护结构。混凝土中占比例较大的砂、石材料便于就地取材。
因为钢筋混凝土具有这些特点，所以在建筑结构，地下结构，桥梁，隧道，铁路等土木工程中得到广泛应用。混凝土以成为当今世界上用量最大的建筑材料。但是，钢筋混凝土也存在一些缺点，如自重过大，抗裂性能较差，隔热隔声性能不好，浇注混凝土时需要模板和支撑，户外施工受到季节条件限制，补强修复比较困难。这些缺点在一定程度上限制了钢筋混凝土的应用范围。随着科学技术的发展，钢筋混凝土的这些缺点正在逐步的得到克服和改善。所以考虑到本建筑的层高不是很高，所以通过提高混凝土的强度来改善混凝土的这些缺点。
框架结构体系一般用于钢结构和钢筋混凝土结构中，由梁和柱通过节点构成承载结构，框架形式可灵活布置建筑空间，使用较方便。
但是随着建筑高度的增加，水平作用使得框架底部梁柱构件的弯矩和剪力显著增加，从而导致梁柱截面尺寸和配筋量增加，到一定程度，将给建筑平面布置和空间处理带来困难，影响建筑空间的正常使用，在材料用量和造价方面也趋于不合理。因此在使用上层数受到限制，正是因为本设计采用的是五层，建筑的高宽比H/B小于5，建筑高度小于55m，所以选用框架结构体系。

2.1 结构平面布置
本次方案采用前楼商场部分和主楼部分分开布置，主楼商场部分横向承重，及框架主梁沿横向布置，横向框架为主要承重框架，主梁和柱可形成横向框架，横向抗倒刚度大，各榀横向框架间由纵向的次梁相连。而前楼商场部分则是采用纵向布置，布置横向的次梁。前楼和主楼部分由沉降缝隔断。

图2-1 结构平面布置图

2.2 结构选型
2.2.1 梁和楼板尺寸估算
(1) 现浇板
楼盖及屋盖均采用现浇钢筋混凝土结构，因长边与短边之比为<2.0，所以本设计按双向板计算。根据工程经验，板厚h应取h=100mm。
(2) 主梁
主梁截面按梁跨度的估算，次梁截面按梁跨度的估算，截面宽度按梁截面高度的估算，由此估算的梁截面尺寸见表2-1，表中还给出了梁的混凝土强度等级。
表2-1 梁截面尺寸及混凝土强度等级
结构
混凝土强度等级

KJ跨横梁

200
450
JG跨横梁

200
450
GF跨横梁

200
450

(3) 框架柱
本建筑主体结构八层，实体总高度小于30m，工程设防烈度为6度，根据《建筑杭震设计规范》（GB50011-2010）第6.3.6条规定，本框架结构房屋的抗震等级为四级，柱的轴压比限值，取柱混泥土强度等级为C30,由此可估算柱的截面尺寸。柱的负载面积很容易，各层的重力代表值为12边柱轴力增大系数取1.3，中轴的轴力增大系数取1.25，则柱的截面尺寸 估算为
边柱：
中柱：

如柱截面为正方形，考虑上式估算数据，本设计柱截面尺寸取值为1-8层
400×400㎜。

2.3 框架计算简图及梁柱线刚度
取②轴上的一榀框架计算。假定框架柱嵌固于基础顶面，框架梁与柱刚接，由于各层柱的截面尺寸不变，故梁跨等于柱截面形心轴线之间的距离，底层柱高从基础顶面算至二层楼面，基础顶面标高3为-1.000m，二层标高为4.800m，底层柱高为5.80m，二层柱高为4.80m，其余各层柱高均为2.90m。

2.3.1 框架线刚度计算
对于中框架梁取
左边跨梁：

中跨梁：

右边跨梁：

底层柱：

二层柱：

其他层柱：

令，则其余各构件的相对线刚度为

2.3.2 框架线刚度计算
确定计算简图如下图所示

图2-2 横向框架计算简图

2.4 荷载计算
2.4.1 恒荷载标准值计算
恒载的统计也是分开的，主楼和前楼分别统计计算。
(1) 屋面
主楼的屋面，主楼屋面为现浇混凝土楼面再架上坡屋面
坡屋面部分
水泥瓦
挂条瓦
顺水条
防水材料
20厚水泥砂浆找平层
40厚保温层
20厚水泥砂浆找平层
钢筋混凝土屋面板
现浇楼顶部分
20厚水泥砂浆找平层
100厚现浇钢筋混泥土板
铝合金龙骨吊顶
总计：
‚前楼的屋面
防水层（刚性）30厚C20细石混凝土防水
防水层（柔性）SBS改性沥青防水卷材
找平层：15厚水泥砂浆
找坡层：40厚水泥石灰焦渣砂浆0.3%找平
找平层：15厚水泥砂浆
保温层：80厚矿渣水泥
结构层：100厚现浇钢筋混凝土板
吊顶：铝合金龙骨
合计：
(2) 楼面
釉面陶瓷地面砖，水泥砂浆擦缝；30厚1：3干硬性水泥砂浆，面上撒 2㎜厚素水泥； 水泥砂浆结合层一道
结构层：100厚现浇钢筋混凝土板
吊顶：铝合金龙骨
合计：
(3) 主梁
主楼的主梁有以下一类型
200×450
(4)柱自重
b×h=400㎜×400㎜
抹灰层：10㎜厚混合砂浆
合计：

2.4.2计算各层重力荷载代表值

第八层：顶层重力荷载代表值包括，屋顶自重，主梁自重，半层柱柱自重，
以及半层墙自重
屋顶自重：

主梁自重：
墙自重：

柱自重：

第三到第七标准层：标准层重力荷载包括，楼面恒载，横纵梁自重，柱自重，
以及墙自重。
楼面恒载：
主梁自重：
墙自重：
柱自重：

第二层：
楼面恒载：
主梁自重：
墙自重：

柱自重：

第一层：
楼面恒载：
主梁自重：
墙自重
柱自重：

建筑物总重力荷载代表值：

图2-3 各层重力荷载代表值

2.4.3 活荷载标准值计算
(1) 屋面和楼面活荷载标准值：
根据《荷载规范》查得：
不上人屋面：
楼面：
楼梯：
(2) 雪荷载

——查全国基本雪压分布图（武汉地区）
(3) 雪荷载计算
Sk=μrs0
式中 Sk------雪荷载的标准值（kN/m2）
μr------屋面积雪分布系数（荷载规范6.2.1——7）
s0------基本雪压（kN/m2）（设计资料已明确为0.2）
屋面均布活荷载与雪荷载，取较大者，不同时考虑。本设计不考
虑积灰荷载。
作用在屋面上的雪荷载标准值0.20小于不上人屋面的活
荷载标准值0.5，因此不考虑雪荷载

2.5 竖向荷载下框架荷载计算

图2-4 框架受荷计算图

2.5.1 K-J轴间框架梁荷载计算
(1) 屋面板
①恒载
屋面板：
②活载：
(2) 楼面板
①恒载
楼面板：
填充墙：
②活载： 三到八层住宅
一二层商场
主梁自重：
(3) K-J轴间框架梁荷载
①屋面梁
恒载=主梁自重+板传荷载

活载=板传荷载
②楼面梁
恒载=主梁自重+板传荷载+墙自重

活载=板传荷载
住宅部分楼面梁
商场部分楼面梁
2.5.1 J-G轴间框架梁荷载计算
(1) 屋面板
①恒载
屋面板

②活载

(2) 楼面板
①恒载
楼面板

填充墙：
②活载：三到八层住宅

一二层商场

主梁自重：
(3) J-G轴间框架梁荷载
①屋面梁
恒载=主梁自重+板传荷载

活载=板传荷载
②楼面梁
恒载=主梁自重+墙自重+板传荷载

活载=板传荷载
住宅部分楼面梁
商场部分楼面梁

2.5.1 G-F轴间框架梁荷载计算
(1) 屋面板
①恒载
屋面板：

②活载：

(2) 楼面板
①恒载
楼面板：

填充墙：
②活载： 三到八层

一二层

主梁自重：
(3) G-F轴间框架梁荷载
①屋面梁
恒载=主梁自重+板传荷载

活载=板传荷载
②楼面梁
恒载=主梁自重+墙自重+板传荷载

活载=板传荷载
住宅部分楼面梁
商场部分楼面梁

2.6 框架柱荷载计算
(1) K轴柱纵向集中荷载计算
顶层柱恒载=梁自重+板传荷载

顶层柱活载=板传活载

三到七层柱恒载=墙自重+梁自重+板传荷载

三到七层柱活载=板传活载

一二层柱恒载=墙自重+梁自重+板传荷载

一二层柱活载=板传荷载

(2) J轴柱纵向集中荷载计算
顶层柱恒载=梁自重+板传荷载

顶层柱活载=板传活载

三到七层柱恒载=墙自重+梁自重+板传荷载

三到七层柱活载=板传活载

一二层柱恒载=墙自重+梁自重+板传荷载

一二层柱活载=板传荷载

(3) G轴柱纵向集中荷载计算
顶层柱恒载=梁自重+板传荷载

顶层柱活载=板传活载

三到七层柱恒载=墙自重+梁自重+板传荷载

三到七层柱活载=板传活载

一二层柱恒载=墙自重+梁自重+板传荷载

一二层柱活载=板传荷载

(4) F轴柱纵向集中荷载计算
顶层柱恒载=梁自重+板传荷载

顶层柱活载=板传活载

三到七层柱恒载=墙自重+梁自重+板传荷载

三到七层柱活载=板传活载

一二层柱恒载=墙自重+梁自重+板传荷载

一二层柱活载=板传荷载

图2-5 竖向荷载计算简图(KN)
2.7 风荷载计算
(1) 风荷载标准值计算公式为：
式中 —风荷载标准值（kN/m2）
—高度Z处的风振系数
—风荷载体型系数
—风压高度变化系数
—基本风压（kN/m2）
由《荷载规范》，基本风压：=0.35KN/m，地面粗糙度为C类。风载体型系数由《荷载规范》第7.3节查得： =0.8（迎风面）和=-0.5（背风面）。《荷载规范》规定，对于高度大于30m，且高宽比大于1.5的房屋结构，应采用风振系数来考虑风压脉动的影响。本设计中，房屋高度H=30.3m,高宽比不大于1.5，所以不需要考虑风压脉动的影响，取=1.0。
表2-2 风荷载的等效节点集中力计算表
层次

Z(m)
A(
P(KN)
8
1.0
1.00
1.3
0.35
28.0
18.7
8.51
7
1.0
0.98
1.3
0.35
25.1
18.7
8.34
6
1．0
0．96
1.3
0.35
22.2
18.7
8.17
5
1．0
0．88
1.3
0.35
19.3
18.7
7.49
4
1．0
0．80
1.3
0.35
16.4
18.7
6.81
3
1．0
0．74
1.3
0.35
13.5
18.7
6.30
2
1．0
0．74
1.3
0.35
10.6
18.7
6.30
1
1．0
0．74
1.3
0.35
5.8
22.6
7.61
(2) 风荷载作用下的位移验算
柱抗侧移刚度修正系数
一般层：
底层：
表2-3 横向3—8层D值计算表
构件名称

K轴柱

0.320
10091
J轴柱

0.490
15452
G轴柱

0.455
14348
F轴柱

0.257
8104

表2-4 横向二层柱D值计算
构件名称

K轴柱

0.440
3048
J轴柱

0.615
4260
G轴柱

0.581
3588
F轴柱

0.363
2514

表2-5 横向底层柱D值计算表
构件名称

K轴柱

0.613
2495
J轴柱

0.744
3019
G轴柱

0.720
2865
F轴柱

0.556
2282

(3) 风荷载作用下框架侧移计算
水平荷载作用下框架的层间侧移按下式计算：

式中 ------第j层的总剪力。
------第j层所有柱的抗侧刚度之和。
-------第j层的层间侧移。
表2-5 风载荷作用下框架侧移计算
层次

8
8.51
8.51
47995
0.00018
0.000062
7
8.34
16.85
47995
0.00035
0.000121
6
8.17
25.02
47995
0.00052
0.000179
5
7.49
32.51
47995
0.00068
0.000234
4
6.81
39.32
47995
0.00082
0.000283
3
6.30
45.62
47995
0.00095
0.000328
2
6.30
51.92
13410
0.00387
0.000806
1
7.61
59.53
10661
0.00556
0.000959
侧移的计算：
层间侧移最大值 0.000959<，满足要求。

2.8 抗震结构设计
(1) 水平地震力作用下框架的侧移验算
由于建筑物纵向长度大，所以只考虑横向抗震。
①梁的线刚度：
左边跨：

中间跨：

右边跨：

②柱的线刚度：
底层柱：

二层柱：

三到八层柱：

侧移刚度D计算见下表。

表2-6 横向3—8层D值计算表
构件名称

K轴柱

0.320
10091
J轴柱

0.490
15452
G轴柱

0.455
14348
F轴柱

0.257
8104

表2-7 横向二层柱D值计算
构件名称

K轴柱

0.440
3048
J轴柱

0.615
4260
G轴柱

0.581
3588
F轴柱

0.363
2514

表2-8 横向底层柱D值计算表
构件名称

K轴柱

0.613