七层科研办公楼结构计算书.doc

某 科 研 楼 结 构 设 计

前 言

结构设计是土木工程毕业设计的重要阶段，是毕业前的综合学习阶段,是深化、拓宽、综合教和学的重要过程,是对大学期间所学专业知识的全面总结。
本组毕业设计题目为《某公司科研大楼设计》。在结构前期，我温习了《结
构力学》、《土力学与基础工程》、《混凝土结构》、《建筑结构抗震设计》等知识，并借阅了《抗震规范》、《混凝土规范》、《荷载规范》、《砌体规范》、《地基规范》等规范。在网上搜集了不少资料，并做了笔记。在结构设计中期，我们通过所学的基本理论、专业知识和基本技能进行计算和分析。本组在成员齐心协力，发挥了大家的团队精神。在结构设计后期，主要进行设计手稿的电脑输入和 PKPM 计算出图，并得到老师的审批和指正，使我圆满的完成了任务，在此表示衷心的感谢。
结构设计的八周里，在指导老师的帮助下，经过资料查阅、设计计算加深了对新规范、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、PKPM等专业软件。以上所有这些从不同方面达到了毕业设计的目的与要求。
框架结构设计的计算工作量很大，在计算过程中以手算为主，辅以一些计算软件的校正。 由于自己水平有限，难免有不妥和疏忽之处，敬请各位老师批评指正。

二零零七年六月

目 录
第一部分：工程概况…………………………………………………………1
建筑地点、建筑类型、建筑介绍、门窗使用、地质条件 ……………………1
柱网与层高 ………………………………………………………………………1
框架结构承重方案的选择 ………………………………………………………2
框架结构的计算简图 ……………………………………………………………2
梁、柱截面尺寸的初步确定 ……………………………………………………3
第二部分：框架侧移刚度的计算…………………………………………5
横梁、纵梁、柱线刚度的计算 …………………………………………………5
各层横向侧移刚度计算 …………………………………………………………6
第三部分：重力荷载代表值计算 ……………………………………13
资料准备…………………………………………………………………………13
重力荷载代表值的计算…………………………………………………………14
第四部分：横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算……23
横向自振周期的计算……………………………………………………………23
水平地震作用及楼层地震剪力的计算…………………………………………24
多遇水平地震作用下的位移验算………………………………………………27
水平地震作用下框架内力计算…………………………………………………28
第五部分：竖向荷载作用下框架结构的内力计算…………………32
计算单元的选择确定……………………………………………………………32
荷载计算…………………………………………………………………………33
内力计算…………………………………………………………………………40
梁端剪力和柱轴力的计算………………………………………………………45
横向框架内力组合………………………………………………………………46
框架柱的内力组合………………………………………………………………54
柱端弯矩设计值的调整…………………………………………………………57
柱端剪力组合和设计值的调整…………………………………………………60
第六部分：截面设计…………………………………………………………62
框架梁……………………………………………………………………………62
框架柱……………………………………………………………………………68

框架梁柱节点核芯区截面抗震验算……………………………………………78
第七部分：楼板设计…………………………………………………………82
楼板类型及设计方法的选择……………………………………………………82
设计参数…………………………………………………………………………82
弯矩计算…………………………………………………………………………83
截面设计…………………………………………………………………………87
第八部分：楼梯设计…………………………………………………………91
设计参数…………………………………………………………………………91
楼梯板计算………………………………………………………………………91
平台板计算………………………………………………………………………93
平台梁计算………………………………………………………………………94
第九部分：框架变形验算…………………………………………………96
梁的极限抗弯承载力计算………………………………………………………96
柱的极限抗弯承载力计算………………………………………………………97
确定柱端截面有效承载力Mc……………………………………………………98
各柱的受剪承载力Vyij的计算 …………………………………………………99
楼层受剪承载力Vyi的计算……………………………………………………100
罕遇地震下弹性楼层剪力Ve的计算 …………………………………………101
楼层屈服承载力系数ξyi的计算………………………………………………101
层间弹塑性位移验算 …………………………………………………………103
第十部分：设计心得……………………………………………………120
参考资料 …………………………………………………123

第一部分：工程概况
建筑地点：湖北省襄樊市
建筑类型：七层科研楼，框架填充墙结构。
建筑介绍：根据该房屋的使用功能及建筑设计要求，进行了平立面及剖面的设计，建筑面积约9120平方米，主体结构为七层，底层层高均为5m，二至六层为4m,七层为6m；采用全玻璃幕墙，选用8mm厚夹丝玻璃；填充墙采用200厚蒸压粉煤灰加气混凝土砌块，内外墙均为200mm；大门采用电子感应门，其余为实木门，窗为铝合金窗；屋盖采用轻钢结构，楼盖均采用现浇钢筋混凝土结构，板厚 120mm。
地质条件：经地质勘察部门确定，此建筑场地为一类，设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，抗震等级为三级。
结构概况:结构体系框架结构,基础为柱下独立基础,基础混凝土C20,其余混凝土为C30
柱网和层高布置：
主体结构柱网布置图

框架结构承重方案的选择
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纵横双向框架承重方案。
框架结构的计算简图：
典型框架结构计算单元

横向框架组成的空间结构

梁、柱截面尺寸的初步确定：
1、主梁截面高度一般取跨度的1/15至1/10。本方案中，横梁取1/13×9000=692mm，取700mm，梁宽取梁高的1/3～1/2，取300mm，可得横梁的截面初步定为b×h=300mm×700mm；纵梁分别是B轴取250mm×750mm,其余取250mm×700mm。
次梁按整体肋形次梁选择截面尺寸，初步定为b×h=300mm×650mm
2、框架柱的截面尺寸根据柱的轴压比限值，按下列公式计算：
（1）柱组合的轴压力设计值N=βFgE n
注：β考虑地震作用组合后柱轴压力增大系数。
F按简支状态计算柱的负载面积。
gE 折算在单位建筑面积上的重力荷载代表值，可近似的取14KN/m2。
n为验算截面以上的楼层层数。
（2）Ac≥N/uNfc
注：uN 为框架柱轴压比限值，本方案为三级抗震等级，查《抗震规范》可知取为0.9。
fc 为混凝土轴心抗压强度设计值，对C30，查得14.3N/mm2。
3、计算过程：
对于边柱：
N=βFgE n=1.3×36.45×14×7=4643.73（KN）
Ac≥N/uNfc=4643.73×103/0.9×14.3=433588.235（mm2）
取800mm×800mm
对于内柱：
N=βFgE n=1.25×66.83×14×7=8186.675（KN）
Ac≥N/uNfc=3628.8×103/0.9×14.3=636105.28（mm2）
取800mm×800mm

梁截面尺寸（mm）
混凝土等级
横梁（b×h）
纵梁（b×h）（L3）
AB跨（L1）
BC跨（L2）
C30
300×650
300×700
300×700
次梁（L4）为250mm×650mm，七层4和5轴梁(L5)为500mm×1400mm
柱截面尺寸（mm）
层次
混凝土等级
b×h
1(Z1)
C25
800×800
2-7(Z2)
C25
750×750
A2柱(Z3)为400mm×1700mm,0A1柱(Z4)为500mm×900mm。
第二部分：框架侧移刚度的计算
在框架结构中，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。为考虑这一有利作用，在计算梁的截面惯性距时，边框架梁取I=1.5I(I为梁的截面惯性距)；对中框架梁取I=2.0I。

一、 横梁线刚度i b的计算：
类别
Ec
（N/mm2）
b×h
（mm×mm）
I0
（mm4）
l
（mm）
1.5EcI0/l（N·mm）
2EcI0/l（N·mm）
AB跨
3.0×104
300×650
6.87×109
7500
4.12×1010
5.49×1010
BE跨
3.0×104
300×700
8.58×109
9000
4.29×1010
5.72×1010

二、 纵梁线刚度i b的计算：
类别
Ec
（N/mm2）
b×h
（mm×mm）
I0
（mm4）
l
（mm）
1.5EcI0/l（N·mm）
2EcI0/l（N·mm）
各跨
3.0×104
300×750
1.05×1010
8100
5.86×1010
7.81×1010

三、 柱线刚度i c的计算：I=bh3/12
层次
hc（mm）
Ec（N/mm2）
b×h
（mm×mm）
Ic
（mm4）
EcIc/hc
（N·mm）
1
5000
3.0×104
800×800
3.413×1010
20.48×1010
2--6
4000
3.0×104
750×750
2.637×1010
19.78×1010
7
6000
3.0×104
750×750
2.637×1010
13.18×1010
四、 各层横向侧移刚度计算
横向框架柱侧移刚度D值计算
层
项目

柱类型

根数
底

层
边框架边柱
4.29/20.48=0.209
0.321

31560
4
边框架中柱
（4.29+5.72）/20.48=0.489
0.397
39052
2
中框架边柱
4.12/20.48=0.201
0.318
31309
14
中框架中柱
（4.12+5.49）/20.48=0.469
0.393
38591
8

951398

2至6
层
边框架边柱
（4.29+4.29）/2×19.78=0.216
0.101
14983
4
边框架中柱
（4.29+4.29+4.12+4.12）/2×19.78=0.425
0.175
25961
2
中框架边柱
（5.72+5.72）/2×19.87=0.288
0.126
18672
14
中框架中柱
（5.49+5.72）×2 / 2×19.87=0.564
0.220
32640
8

634383

7层

边框架边柱
（4.29+4.29）/2×19.78=0.216
0.101
14983
4
边框架中柱
（4.29+4.29+4.12+4.12）/2×19.78=0.425
0.175
25961
2
中框架边柱
（5.72+5.72）/2×19.87=0.288
0.126
18672
14
中框架中柱
（5.49+5.72）×2 / 2×19.87=0.564
0.220
32640
6

569103

第三部分：重力荷载代表值计算
1.楼屋面资料
根据轻钢结构平屋面和不上人屋面要求选择以下屋面、楼面做法：
1）. 楼面做法
楼面做法①：选98J122 工程做法P78 屋 18，查《荷载规范》可取：

永久荷载标准值：

1．20 厚花岗石楼面 15×0.02=0.3 kN / m2

2．20 厚 1：4 干硬性水泥砂浆结合层 20×0.02=0.4 kN / m2

3．120 厚钢筋混凝土板 25×0.12=3.0 kN / m2

4．V 型轻钢龙骨吊顶 0.20 kN / m2

合计 3.9 kN / m2

楼面做法②：选98J122 工程做法P79 屋21，查《荷载规范》可取：

永久荷载标准值：

1．20 厚石英地板楼面 15×0.02=0.3 kN / m2

2．20 厚 1：4 干硬性水泥砂浆结合层 20×0.02=0.4 kN / m2

3．120 厚钢筋混凝土板 25×0.12=3.0 kN / m2

4．V 型轻钢龙骨吊顶 0.20 kN / m2

合计 3.9 kN / m2
因此楼面恒荷载取3.9 kN / m2
楼面恒荷载标准值简化计算为
68.7×19.2×3.9＝5144.26KN

2）屋面做法

查《荷载规范》可取：
轻钢结构屋面永久荷载标准值（不上人）：
g=0.12+0.11×l=0.12+0.11×68.7=0.88 kN / m2 (l为该楼的跨度)
屋面恒载标准值简化计算为
1.2×68.7×19.2×0.88=1160.76 KN

3）屋面及楼面可变荷载标准值
查《建筑荷载规范GB50009-2001》
①不上人屋面均布活荷载标准值 0.5 kN / m2
0.5×68.7×19.2=1319.04KN
②楼面活荷载标准值
办公室、会议室、实验室、厕所等取 2.0 kN / m2
档案室、走廊、门厅、楼梯等取2.5 kN / m2
为计算方便，此处偏安全地统一取均步活荷载为 2.5 kN / m2
2.5×68.7×19.2=3297.6kN

4）墙、门重力荷载标准值
①玻璃幕墙 采用夹丝玻璃，厚8mm, 则幕墙重力荷载为：

25.6×0.8=20.5 kN / m2
2×（36×7.2+8.1×6×28.65+6.5×47+8.1×5.5×4）=4270.6kN
43×14.5+12.7×43=1169.6kN
玻璃幕墙的荷载标准值为4270.6+1169.6=5440.2kN

②内墙 200mm 采用200厚蒸压粉煤灰加气混凝土砌块（1.7 kN / m2 ）, 双面抹灰各 20mm ，则内墙重力荷载为：

1.7+17×0.02×2=2.38 kN / m2

墙体自重计算表
墙 体
面积 （m2）
重量（KN）
外 墙
（2.2+1.4+2.0+2.1+4+3.9+1.4+8.1+1.4）×36=954
2270.52

内墙
底层
103.65×4.25=440.51
1048.41
2层
（103.65+95.4）×3.25=646.91
1539.65
3-6层
（103.65+122.6）×3.25×4=735.31×4
7000.15
七层
（79.6+103.65）×5.25=926.06
2289.70

③木门单位面积重力荷载： 0.2 kN / m2
（97×1.0×2.1+0.6×2.1×21+1.5×2.1×13+1.5×2.1×7+1.0×2.1×7）×0.2=61.57kN
2．梁柱自重（包括梁侧.梁底.柱的抹灰重量）
梁侧.梁底.柱周的抹灰，近似按加大梁宽及柱宽考虑。
例：L1 b ×h=0.30×0.65m,长度6.75m
每根重量为：1.05×0.30×0.65×6.75×25﹦34.56 KN
梁柱自重

编号
截面 (m²)
长度 (m²)
根数
β
每根重量(KN)
总重量（KN）
L1
0.30×0.65
6.75
9×6+7=61
1.05
34.56
2108.16
L2
0.30×0.70
8.25
8×6+6=54
1.05
45.47
2455.38
L3
0.3× 0.70
7.35
23×6+20=158
1.05
40.52
6402.16

L4

0.25× 0.65
6.75
15×7=105
1.05
28.79
6541.5
8.25
15×7=105
1.05
33.51
L5
0.50× 1.40
15.25
2
1.05
280.22
560.44
L6
0.3×0.70
5.25
7
1.05
28.94
202.58
Z1
0.80× 0.80
5.0
27
1.05
84
2268
Z2
0.75× 0.75
4.0
26×5=130
1.05
59.06
9803.96
6.0
24
1.05
88.59

Z3

0.40×1.70
5.0
1
1.05
89.25
553.35
4.0
5
1.05
71.4
6.0
1
1.05
107.1

Z4

0.50×0.90
5.0
1
1.05
59.06
366.19
4.0
5
1.05
47.25
6.0
1
1.05
70.88
因本办公楼为长方形布置柱网，纵向柱网使得整体纵向刚度较大，仅考虑水平地震对横向柱网影响即可。采用剪力法计算水平地震作用力，为求基
底剪力，先要计算结构各楼层的总重力代表值。
荷载分层总汇
顶层重力荷载代表值包括：轻钢屋架自重，顶层楼盖恒载，轻钢屋面雪荷载，纵横梁的自重，半层柱自重，半层墙体自重。
其它层重力荷载代表值包括：楼面恒载，调整系数×楼面均布活荷载，纵横梁自重，楼面上、下各半层的柱及纵、横墙体自重。
顶层总重力荷载 10539.67 KN
轻钢屋架 1.2×68.7×19.2×0.88=1160.76 KN
板 5144.26KN
柱 （88.59×24+107.1×1+70.88×1）×0.5＝1152.07 KN
梁 （ 34.56×7+45.47×6+40.52×20+280.22×2）×0.5=942.79 KN
墙 （26.5×6+2289.7）×0.5=1224.35 KN
门 （9×2.1×1.0+3×2.1×0.6+5×1.5×2.1+1.5×2.1+1.0×2.1）×0.2＝8.74 KN
玻璃幕墙 906.7KN
六层总重力荷载代表值 19275.75 KN
楼面 3297.6kN
结构板 5144.26KN
梁 （34.56×9+45.47×8+40.52×23+62.3×30+28.94）＝3504.7 KN
柱 59.06×26+71.4+47.25＝4264.13 KN
墙 2448.7 KN
门 （1.0×2.1×21+0.6×2.1×3+1.5×2.1×2+1.5×2.1+1.0×
2.1）×0.2＝11.89 KN
玻璃幕墙 604.47KN
五层总重力荷载代表值 19275.75 KN
楼面 3297.6 KN
结构板 5144.26 KN
梁 （34.56×9+45.47×8+40.52×23+62.3×30+28.94）＝3504.7 KN
柱 59.06×26+71.4+47.25＝4264.13 KN
墙 2448.7 KN
门 1.0×2.1×21+0.6×2.1×3+1.5×2.1×2+1.5×2.1+1.0×2.1）×0.2＝11.89 KN
玻璃幕墙 604.47KN
四层总重力荷载代表值 19275.75 KN
楼面 3297.6kN
结构板 5144.26KN
梁 （34.56×9+45.47×8+40.52×23+62.3×30+28.94）＝3504.7 KN
柱 59.06×26+71.4+47.25＝4264.13 KN
墙 2448.7 KN
门 （1.0×2.1×21+0.6×2.1×3+1.5×2.1×2+1.5×2.1+1.0×2.1）×0.2＝11.89 KN
玻璃幕墙 604.47KN
三层总重力荷载代表值 19275.75 KN

楼面 3297.6kN
结构板 5144.26KN
梁 （34.56×9+45.47×8+40.52×23+62.3×30+28.94）＝3504.7 KN
柱 59.06×26+71.4+47.25＝4264.13 KN
墙 2448.7 KN
门 （1.0×2.1×21+0.6×2.1×3+1.5×2.1×2+1.5×2.1+1.0×2.1）×0.2＝11.89 KN
玻璃幕墙 604.47KN
二层总重力荷载代表值 19275.75 KN
楼面 3297.6kN
结构板 5144.26KN
梁 （34.56×9+45.47×8+40.52×23+62.3×30+28.94）＝3504.7 KN
柱 59.06×26+71.4+47.25＝4264.13 KN
墙 2448.7 KN
门 （1.0×2.1×21+0.6×2.1×3+1.5×2.1×2+1.5×2.1+1.0×2.1）×0.2＝11.89 KN
玻璃幕墙 604.47KN

一层总重力荷载代表值 17802.99 KN
楼面 3297.6kN

结构板 5144.26KN
梁 （34.56×9+45.47×8+40.52×23+62.3×30+28.94）＝3504.7 KN柱 4264.13×0.5+（84×27+89.25+59.06）×0.5＝3340.23 KN
墙 2448.7×0.5+1048.41×0.5+2270.52×2.5/36＝1906.23 KN
门 5.5 KN
玻璃幕墙 604.47KN
3．各质点重力荷载代表值如下图

各质点重力荷载代表值

第四部分：横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算
1.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频公式。

——基本周期调整系数。考虑填充墙使框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，求得的假象框架顶点位移,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。
=1.7×0.6×=0.85（s）
横向框架顶点位移
层次
（kN）
（kN）
（kN/m）
层间相对位移

7
10539.67
10539.67
569103
0.0185
0.6884
6
19275.75
29815.42
634383
0.0469
0.6699
5
19275.75
49091.17
634383
0.0774
0.6230
4
19275.75
68366.92
634383
0.1078
0.5456
3
19275.75
87642.67
634383
0.1382
0.4378
2
19275.75
106918.42
634383
0.1685
0.2996
1
17802.99
124721.41
951398
0.1311
0.1311
2.横向地震作用计算
在II类场地，7度设防区，设计地震分组为第一组情况下：
结构的特征周期=0.35s，水平地震影响系数最大值=0.08（7度，多遇地震）
由于=0.85＞1.4=1.4×0.35=0.49（s），应考虑顶点附加地震作用。
按底部剪力法求得的基底剪力，若分配给各层，则水平地震作用呈倒三角形分布。对一般层，这种分布基本符合实际。但对结构上部，水平作用小于按时程分析法和振型分解法求得的结果，特别对于周期比较长的结构相差更大。地震的宏观震害也表明，结构上部往往震害很严重。因此，即顶部附加地震作用系数考虑顶部地震力的加大。考虑了结构周期和场地的影响。且修正后的剪力分布与实际更加吻合。
=0.08 +0.01=0.08×0.85+0.01=0.078
结构横向总水平地震作用标准值：
=（/ ）0.9××0.85=（0.35/0.85）0.9×0.08×0.85×124721.41=3816kN
顶点附加水平地震作用：==0.078×3816=298kN
各层横向地震剪力计算见表，表中

各层横向地震作用及楼层地震剪力
层次

（m）

（m）

（kN）

（kN）

（kN）

（kN）
7
6
31
10540
326740
0.1585
855.66
855.66
6
4
25
19276
481900
0.2338
822.51
1678.17
5
4
21
19276
404796
0.1964
690.94
2369.11
4
4
17
19276
327692
0.1590
559.36
2928.47
3
4
13
19276
250588
0.1216
427.79
3356.26
2
4
9
19276
173484
0.0842
296.22
3652.48
1
5
5
17803
96380
0.0468
164.64
3817.12
注：表中第7层中加入了。
3.横向框架抗震变形验算
横向框架变形验算
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

7
855.66
569103
0.00150
6
1/4000
6
1678.17
634383
0.00265
4
1/1509
5
2369.11
634383
0.00373
4
1/1072
4
2928.47
634383
0.00462
4
1/866
3
3356.26
634383
0.00529
4
1/756
2
3652.48
634383
0.00576
4
1/695
1
3817.12
951398
0.00401
5
1/1247

由此可见，最大层间弹性位移角发生在第二层，1/695<1/550，满足规范要求。

4.水平地震作用下荷载内力计算

层次
层高
层间剪力Vi(kN)
层间刚
度Di
中框架边柱
中框架中柱

y(m)

y(m)

7
6
855.66
569103
18672
2802
0.288
0.10
152.28
16.92
32640
49.08
0.564
0.25
220.86
73.62
6
4
1678.17
634383
18672
49.4
0.288
0.25
148.2
49.4
32640
86.34
0.564
0.35
224.48
120.88
5
4
2369.11
634383
18672
69.7
0.288
0.30
195.16
83.64
32640
121.89
0.564
0.40
292.54
195
4
4
2928.47
634383
18672
86.2
0.288
0.40
206.88
137.92
32640
150.67
0.564
0.45
331.47
271.21
3
4
3356.26
634383
18672
98.8
0.288
0.45
217.36
177.84
32640
172.43
0.564
0.45
379.35
310.37
2
4
3652.48
634383
18672
107.5
0.288
0.55
193.5
236.5
32640
187.93
0.564
0.50
375.86
375.86
1
3
3817.12
951398
31309
125.6
0.318
0.84
150.48
477.52
38591
154.83
0.469
0.70
232.25
541.91

第五部分：竖向荷载作用下框架内力分析（横向框架）
1. 计算单元确定
取轴线横向框架进行计算，计算单元如下图所示，由于房间内布置有次梁（b×h=300mm×650mm ），故直接传给该框架的楼面荷载如图中的水平阴影所示。计算单元范围内的其余楼面荷载则通过次梁和纵向框架梁以集中力的形式传给横向框架，作用于各节点上。由于纵向框墙的中心线与纵向梁、柱的中心线不重合，对梁有扭矩，对框架节点上还作用有