怡都高层办公楼结构设计.doc

怡都高层办公楼结构设计（土木工程专业）学生：刘雪琴04121056 指导教师：徐玉野博士摘要： 本计算书给出了怡都高层办公楼的结构设计过程，包括主体结构、基础及楼梯等部分。该建筑为出租商用办公楼，拟建于某开放城市总建筑面积为7238平方米，总建筑高度为36.9米，属于高层公共建筑。确定该建筑类型为框架剪力墙结构，依据该建筑功能的需要，结构布置时只考虑了很少的剪力墙。结构分析中考虑了风荷载、地震荷载及重力荷载的作用，在楼板楼板无限大的平面刚度假定下，用近似的手算方法分析了该结构中框架和剪力墙之间的协同作用，并将水平荷载分配到框架和剪力墙，分别用D值法和弯矩的二次分配法计算水平地震和重力荷载作用下个框架的内力，并进行了一榀框架的内力组合及截面设计。通过对计算结果的分析得知，即使是很少的剪力墙也能对结构的抗侧刚度增加起着很大作用，减少结构水平侧移，提高了建筑的舒适度，并使框架中剪力基本均匀。用PKPM结构分析软件对该结构进行了全面的补充计算。并绘制了整个建筑的结构施工图和建筑扩初图。关键词：高层建筑，框架，剪力墙，协同作用分析1 工程概况1、工程概况本工程为某开放城市拟建的出租商用办公楼，建筑总面积为7070m2，层数为10层。首层：设门厅、楼梯、电梯间、服务台、卫生间、消防控制室、大楼管理处，并设有供出租的店面。二九层：宽敞办公区、电梯、楼梯间、卫生间、负责人办公室顶层：设大会议室、中会议室两间、贵宾室、卫生间每层并配有强弱电室、给排水管道，总平面上要留出停车场地2、气象资料常年主导风向为东南风，基本风压为0.65kN / m2，年最高温度39C，最低温度4C。3、地质水文资料建筑物所处的场地土为类土，地下水位高度为地面下4.5m左右，地下水为无腐蚀性的一般水，地质情况见附表。附表 地基上的物理力学性质指标表层次土层名称土层厚度（m）天然重度（Kn/m2）压缩模量Es（Mpa）承载力特征值fak(kPa)承载力修正系数桩极限侧阻力标准值（kPa）桩极限端阻力标准值（kPa）bd(1)杂填土1.218.54.08001.010(2)淤泥质粘土3.217.23.98001.010(3)粘土6.319.25.91500.31.6201500(4)残积砂质粘性土1.819.37.23000.31.6302200(5)强风化片岩21.020.03508030004、建筑物场地处于地震区，设防烈度按7考虑（0.15），设计分组第二组；地震特征周期值0.55s5、建筑材料：混凝土为C20C40，钢筋为HPB235、HRB335及HRB400。2 结构方案及布置 楼层为10层，主体高度为36.9m，本建筑结构类型为框架剪力墙结构，结构安全等级为二级，主要材料为钢筋砼，本工程为7度抗震设防，框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等二级。采用现浇结构体系。混凝土强度等级选用：梁板为C30，墙柱为15层C40610层C35结合建筑设计确定的轴线尺寸和结构布置的原则详见附图2截面尺寸初估1、因为建筑总高度60m,故初步确定框架的抗震等级为三级，剪力墙的抗震等级为二级，按经验确定楼面荷载为12KN/m2，则柱子截面尺寸可按其轴压比限值确定为，而梁和板的截面尺寸可根据其跨度确定。2、柱子截面尺寸 N=F gE n N为柱组合的轴压力；F为按简支状态计算的柱的负荷面积；gE为折算在单位建筑面积上的重力荷载代表值；为考虑地震作用组合后柱轴压力增大系数，边柱取1.3，不等跨内柱取1.25，等跨内柱取1.2 。n为验算截面以上楼层层数。Ac为柱截面面积，fc为混凝土轴心抗压强度设计值；（1）首层0.0004.500m B轴中柱：fc=19.1N/mm2 柱边长,取650650。（2） 首层0.0004.500m C轴中柱：fc=19.1N/mm2 柱边长,取650650。（3）首层0.0004.500m A轴边柱： 柱边长,取550550。（4）首层0.0004.500m D轴边柱： 柱边长,取550550。（5）25层4.50018.900m B轴中柱：fc=19.1N/mm2 柱边长,取600600。（6）25层4.50018.900m C轴中柱：fc=19.1N/mm2 柱边长,取600600。（8）25层4.50018.900m A轴边柱：fc=19.1N/mm2柱边长,取500500。（9）25层4.50018.900mD轴边柱：fc=19.1N/mm2柱边长,取500500。（10）610层18.90036.900m B轴中柱：fc=16.7N/mm2柱边长,取500500。（11）610层18.90036.900m C轴中柱：fc=16.7N/mm2柱边长,取500500。（12）610层18.90036.900mA轴边柱：fc=16.7N/mm2柱边长,取400400。（13）610层18.90036.900mD轴边柱：fc=16.7N/mm2柱边长,取400400。因此首层中柱截面 650mm650mm首层边柱截面 550mm550mm25层中柱截面 600mm600mm25层边柱截面 500mm500mm610层中柱截面 500mm500mm610层边柱截面 400mm400mm3、梁的截面尺寸：(1) 取相同尺寸，以最大跨度8m确定,取700，b=（1/41/2）h，考虑到边梁的的偏心，取b=300.5m跨度的框架梁取250600(2) ，次梁取200450 , 200300依其跨度大小而定(3) 地梁及楼梯间其上有短柱的次梁取2506004、板的厚度： 板的最小厚度不小于80mm，双向板单向板h=3000/40=75mm，考虑到保证结构的整体性初选h=100mm，顶层楼板取120mm。5、剪力墙数量及墙厚剪力墙截面面积Aw与楼面面积之比按2%左右考虑，Aw=2%Af=2%3520.2=14.14m2底层h1/20H=1/20（4500+1200）=285mm，剪力墙数量比较少，取h=350mm。h1/20H=1/203600=200mm，且不小于160mm，则23层取h=300mm，其余取250mm。则Aw=460.35+43.60.35+41.50.35=15.54 m26、填充墙外墙及内主隔墙取200厚，其余内隔墙取100厚（详见建施图）3 结构刚度特征值计算3.1 框架的等效剪切刚度1、 梁的线刚度计算见表3.1表3.1 梁线刚度计算表 梁的混凝土等级为C30混凝土弹性模量Ec=3.00104N/mm2梁号截面长度Lbm中框架梁边框架梁（KNm）（KNm）KL-10.30.78.57510-3817.1510-36431012.86310-348230KL-20.250.64.510-35910-3540006.7510-340500KL-30.30.78.57510-37.217.1510-37146012.86310-3535902、柱的线刚度计算见表3.2表3.2 柱的线刚度计算表层号柱截面（m2）层高h(m)610边0.400.403.631.51062.1310-318667中0.500.505.2110-34557325边0.500.503.631.51065.2110-345573中0.600.6010.8010-3945001边0.550.555.732.51067.6310-343479中0.650.6514.8810-3848173、框架的剪切刚度可由柱子的D值求得，柱子的D值计算见表3.3：注：图中数值表示梁柱的线刚度 单位：kNm表3.3 框架的等效剪切刚度计算层号位置根数层高（m） D（kN/m）等效剪切刚度（kN）610层A轴柱3.8280.657 186671135663.6423422 1524319B轴柱2.7530.579 45573244326C轴柱2.5960.565 45573238416D轴柱3.4450.633 1866710941625层A轴柱1.5680.439455731852563.66417402310265B轴柱1.3280.39994500349136C轴柱1.4000.412 94500360506D轴柱1.4110.414455731747061层A轴柱1.6440.588 43479944365.73233111842871 B轴柱1.4790.569 84817178256C轴柱1.3950.558 84817174806D轴柱1.4790.5694347991376那么，框架的总剪切刚度(不包括塔楼，即11层) =186.90104 (kN) 3.2剪力墙的等效抗弯刚度。剪力墙刚度计算W-1W-4为横向剪力墙，Q1Q4为纵向剪力墙。W-1墙为带翼缘的整截面墙。现以W-1为例说明剪力墙的计算方法。1层有效翼缘宽度翼缘墙1.5m，即bf=1.5m Aw=650650+550550+350（1175+1625）+3506875=2.82106mm2y=3505675(5675/2+325)/2.82106=2227mmIw=46506502227235011752227 2 3 335056759362=11.221012mm4则11.2232.5106=364.65106KNm2按翼缘厚度hf考虑，截面形式为L型，则bf=1500+175=1675mm，hw=6000+325=6325mmbf / t=5，hw/t=18，查表得截面剪应力不均匀系数=1.40023层 有效翼缘宽度翼缘墙1.5m，即bf=1.5mAw=600600+3001200+3005700=2.43106mm2y=3005700(5700/2+300)/2.43106 =2217mmIw=46006002217230012002217 2 3 330057009332=9.67 1012mm4则9.6732.5106=314.28106KNm2按翼缘厚度hf考虑，截面形式为L型，则bf=1500+150=1650mm，hw=6000+300=6300mmbf / t=5.5，hw/t=21，查表得截面剪应力不均匀系数=1.38745层 有效翼缘宽度Aw=600600+2501200+2505700=2.085106mm2y=2505700(5700/2+300)/2.085106 =2153mmIw=46006002153225012002153 2 3 325057009972=8.351012mm4则8.3532.5106=271.38106KNm2按翼缘厚度hf考虑，截面形式为L型，则bf=1500+125=1625mm，hw=6000+300=6300mmbf / t=6.5，hw/t=25，查表得截面剪应力不均匀系数=1.398610层有效翼缘宽度Aw=500500+2501250+2505750=2.00106mm2y=2505750(5750/2+250)/2106 =2246mmIw=45005002246225012502246 2 3 325057508792=7.921012mm4则7.9231.5106=249.48106KNm2按翼缘厚度hf考虑，截面形式为L型，则bf=1500+125=1625mm，hw=6000+250=6250mmbf / t=6.5，hw/t=25，查表得截面剪应力不均匀系数=1.398EcIw，Aw，Iw应沿房屋高度取加权平均值，EcIw=（364.65106+314.281062+271.381062+249.481065）/10=278.34106 KNm2=（1.4+1.3872+1.3982+1.3985）/10=1.396Aw=（2.82106 +2.431062+2.0851062+21065）/10=2.185106mm2Iw=（11.221012+9.6710122+8.3510122+7.9210125）/10=8.691012mm4横向剪力墙4=1076.32KNm23.3连梁的约束刚度CB截面250mm600mm，混凝土为C30，两端有刚域，框剪协同刚接体系，如图所示。1、首层连梁约束刚度CB考虑楼板的翼缘作用查表得剪力不均匀系数的=1.400 2、23层连梁约束刚度CB考虑楼板的翼缘作用查表得剪力不均匀系数的=1.387 3、45层连梁约束刚度CB考虑楼板的翼缘作用查表得剪力不均匀系数的=1.398 4、610层连梁约束刚度CB考虑楼板的翼缘作用查表得剪力不均匀系数的=1.398 所以全部连梁的约束刚度加权平均可得 3.4 主体结构刚度特征值 主体结构高度 框架总剪切刚度 连梁总约束刚度 剪力墙等效抗弯刚度1、计算地震作用下框架剪力墙结构的内力和位移时，式中的可取0.55，即2、计算风荷载作用下框架剪力墙结构的内力和位移时，可取1.0，即 4 竖向荷载和水平荷载的计算4.1 竖向荷载 1、各种构件的荷载标准值（1）屋面荷载标准值活载： 恒载：30厚细石混凝土保护层 三毡四油防水层 20厚水泥砂浆找平层 80厚保温层 120厚钢筋混凝土板 恒载合计 （2）楼面荷载标准值活载： 办公室灵活隔断活荷载 活载合计： 恒载：瓷砖地面（包括水泥粗砂打底） 100厚钢筋混凝土板 板底粉刷 恒载合计： （2）电梯机房地面活载： 恒载： 120厚钢筋混凝土板 恒载合计： 2、 板、梁、柱、墙自重（1）板的自重 把每层的通风口和电梯口均当作有楼板来算，而每层楼板的长宽均取轴线的距离，则板的重力荷载计算结果见下表。表 板的重力标准值层号S(m2)g(kN/m2)Gi(kN)11141.44.88690.03 107074.883450.16 97073.392396.73 87073.392396.73 77073.392396.73 67073.392396.73 57073.392396.73 47073.392396.73 37073.392396.73 27073.392396.73 17073.392396.73 （2）主、次梁自重计算计算梁重力荷载时应从梁截面高度中减去板厚，混凝土重度取（粉刷层不另计）。主、次梁重力荷载计算结果见下表表 主梁重力标准值层号KL1 bhl(m)KL2 bhl(m)g(kN/m2)Gi(kN)1130070065.42506001027339.65 10300700231.225060030271183.38 9300700231.225060030271224.88 8300700231.225060030271224.88 7300700231.225060030271224.88 6300700231.225060030271224.88 5300700231.225060030271224.88 4300700231.225060030271224.88 3300700231.225060030271224.88 2300700231.225060030271224.88 1300700231.225060030271224.88 表 次梁重力标准值层号L1 bhl(m)L2 bhl(m)L3 bhl(m)g(kN/m2)Gi(kN)112004501425060014.220030002770.96 10200450162.325060014.22003005.927340.96 9200450231.225060014.22003005.927491.27 8200450231.225060014.22003005.927491.27 7200450231.225060014.22003005.927491.27 6200450231.225060014.22003005.927491.27 5200450231.225060014.22003005.927491.27 4200450231.225060014.22003005.927491.27 3200450231.225060014.22003005.927491.27 2200450231.225060014.22003005.927491.27 1200450231.225060014.22003005.927491.27 （3）柱的自重计算为了简化计算，计算柱重力荷载时近似取1.1倍柱自重以考虑柱面粉刷层的重力荷载。柱净高可取层高减去板厚。柱重力荷载计算结果见下表，表 柱重力标准值层号柱截面Hn根数g(kN/m2)Gi(kN)边柱中柱边柱中柱114004005005004.38 10025175.20 104004005005003.48 16825436.39 94004005005003.50 16825438.90 84004005005003.50 16825438.90 74004005005003.50 16825438.90 64004005005003.50 16825438.90 55005006006003.50 16825662.20 45005006006003.50 16825662.20 35005006006003.50 16825662.20 25005006006003.50 16825662.20 15505506506505.60 168251265.88 （4）非承重墙的自重内、外围护墙均采用190mm的加气混凝土砌块（容重取），粉刷层单位面积的自重，内、外墙及混凝土的自重计算结果如下表表 内外围护墙自重层号b（m）h（m）G(kN/m3)g(kN/m2)l(m)Gi(kN)110.193.86.00 0.68 65.40 452.31 100.192.96.00 0.68 235.00 1240.33 90.192.96.00 0.68 235.00 1240.33 80.192.96.00 0.68 235.00 1240.33 70.192.96.00 0.68 235.00 1240.33 60.192.96.00 0.68 235.00 1240.33 50.192.96.00 0.68 235.00 1240.33 40.192.96.00 0.68 235.00 1240.33 30.192.96.00 0.68 235.00 1240.33 20.192.96.00 0.68 235.00 1240.33 10.1956.00 0.68 235.00 2138.50 （5）剪力墙的自重计算底层剪力墙厚度为，23层厚度为，其余为，剪力墙重度取（不另计粉刷层）剪力墙自重计算结果如下表。表 剪力墙自重层号b（m）h（m）G(kN/m3)l(m)Gi(kN)100.252.927 44.40 869.13 90.252.927 44.40 869.13 80.252.927 44.40 869.13 70.252.927 44.40 869.13 60.252.927 44.40 869.13 50.252.927 44.40 869.13 40.252.927 44.40 869.13 30.32.927 44.40 1042.96 20.32.927 44.40 1042.96 10.35527 44.40 2097.90 （6）荷载小计顶层还要加上水箱的重量，女儿墙的重量，具体结果见下表。层号板主梁次梁柱围护墙剪力墙Gi(kN)11690.03339.6570.96175.2452.3101728.15103450.161183.38340.96436.391240.33869.137820.3592396.731224.88491.27438.91240.33869.136661.2482396.731224.88491.27438.91240.33869.136661.2472396.731224.88491.27438.91240.33869.136661.2462396.731224.88491.27438.91240.33869.136661.2452396.731224.88491.27662.21240.33869.136884.5442396.731224.88491.27662.21240.33869.136884.5432396.731224.88491.27662.21240.331042.967058.3722396.731224.88491.27662.21240.331042.967058.3712396.731224.88491.271265.882138.52097.99615.164.2 重力荷载代表值各层楼面取建筑总面积计算恒载，取楼板净面积计算楼面活荷载。集中于各质点的重力荷载代表值Gi为计算单元内各层楼面上的重力荷载代表值及上下各半层的墙柱等重力荷载、可变荷载的组合系数取0.5G11恒载:活载：总计：G10恒载:活载：总计：G9恒载:活载：总计：G68恒载: 活载：总计：G5恒载:活载：总计：G4恒载:活载：总计：G3恒载:活载：总计：G2恒载:活载：总计：G1恒载:活载：总计： 总重力荷载代表值： 4.3 风荷载计算垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，基本风压，地面粗糙度C类。（1） 风载体型系数： （2） 因房屋计算高度,且高宽比，因此应考虑风压脉动的影响.查表得高层结构脉动影响系数,动力计算简图 确定房屋的基本周期 查表得脉动增大系数 计算屋面突出部分(第11层)的风荷载时，s取1.3，迎风面宽度为14m，风振系数近似取1.318.横向风荷载计算表层次Hi/mHi/HsZzBiwkFi(kN)Vi（KN）FiHi(kNm)1141.41.31.14 1.318 141.270 39.993 39.9931655.724 1036.911.31.09 1.318 351.214 114.708 154.701 4232.729 933.30.91.31.04 1.301 351.143 144.021 298.723 4795.914 829.70.81.31.00 1.279 351.081 136.163 434.886 4044.054 726.10.711.30.94 1.261 351.001 126.176 561.062 3293.195 622.50.611.30.88 1.240 350.922 116.189 677.251 2614.244 518.90.511.30.82 1.216 350.843 106.201 783.452 2007.203 415.30.411.30.74 1.194 350.747 94.084 877.537 1439.492 311.70.321.30.74 1.148 350.718 90.485 968.022 1058.677 28.10.221.30.74 1.103 350.690 97.747 1065.769 791.749 14.50.121.30.74 1.057 350.661 52.054 1117.823 234.244 根据静力等效原理折算，其中,则倒三角形分布荷载最大荷载均布荷载4.3 横向水平地震作用的计算近似地采用底部剪力法1、 该地区设计地震分组为为第二组，5，7度抗震设防，本建筑为丙类建筑，不提高设防标准，场地土类型为类2、 总的重力荷载代表值那么等效重力荷载代表值3、结构基本自振周期。基本自振周期可按式计算。因屋面带有突出间（），将折算到主体结构的顶层处，即：结构定点假想侧移应按式计算，将、以及和分别代入下式，得 则取，得由类场地及设计地震分组为第二组查有场地特征周期及地震影响系数最大值 4、 5、 底部总剪力6、 所以不用考虑顶部附加水平地震作用。 层作用地震力（KN）表 横向水平地震作用计算表层号Hi(m)Gi(kN)GiHi(kNm)Fi(kN)Vi(KN)FiHi (kNm)1142.6145060030.0 0.0365 258.03 258.03 10682 1038.18013295679.7 0.1798 1270.93 1528.95 46897 934.57339244388.7 0.1486 1050.46 2579.41 34980 830.97493222542.1 0.1353 956.56 3535.97 28410 727.37493195567.3 0.1189 840.61 4376.58 21940 623.77493168592.5 0.1025 724.66 5101.25 16305 520.17602143677.8 0.0873 617.57 5718.82 11672 416.57714118024.2 0.0718 507.31 6226.12 7762 312.9780091260.0 0.0555 392.26 6618.39 4589 28.1788763884.7 0.0388 274.60 6892.99 2224 15.7916141224.5 0.0251 177.20 7070.18 797 1644871.5 186259 根据基地弯矩和剪力相等的原则，将计算所得地震作用等效为倒三角形荷载qmax和顶部集中力F，其中 , 5 水平荷载作用下框架-剪力墙结构内力和位移计算5.1 位移计算与验算由于风荷载值远小于水平地震作用，故只需进行水平地震作用下的位移验算。计算水平地震作用下的侧移时，应取倒三角形分布荷载与顶点集中荷载产生的侧移之和。相应的侧移公式分别为表 横向水平地震作用下结构侧移计算表层次Hi(m)hi(m)1i（mm）2i（mm）i（mm）i（mm）i/hi1038.11.00 3.620.23 12.94 33.17 4.13 1/873934.50.90 3.617.91 11.13 29.04 4.14 1/869830.90.80 3.615.54 9.36 24.90 4.15 1/868727.30.71 3.613.12 7.64 20.75 4.10 1/879623.70.61 3.610.66 6.00 16.66 3.96 1/909520.10.51 3.68.22 4.47 12.69 3.71 1/970416.50.41 3.65.88 3.10 8.98 3.31 1/1087312.90.32 3.6