结构概念与体系设计.docx

研 究 生 课 程 设 计

课程: 结构概念与体系
姓名:
专业: 结构工程
学院: 土木工程学院
学号:

年 月

目录
【摘要】 3
【关键词】 3
一．设计概况 3
二． 相关设计参数的选取 4
三．方案一初步设计 4
3.1方案一水平分体系结构初步设计：（采用的是主-次梁体系） 4
3.2 方案一竖向分体系结构初步设计：（采用的是框架结构体系） 6
四． 方案二初步设计 8
4.1方案二水平分体系结构初步设计：（采用的是板-梁体系） 8
4.2 方案二竖向分体系结构初步设计：（采用的是剪力墙结构体系） 10
五．方案一和方案二的优劣比较 11
5.1方案一和方案二水平分体系的比较 11
5.2方案一和方案二竖向分体系的比较 11
六． 概念设计方法与传统构件设计方法的区别 11
【参考文献】 12

【摘要】 本工程为深圳市某12层办公楼，标准层层高3.6m，建筑总高度为43.2m。办公楼结构方案初步设计分为两个方案：方案一是水平分体系采用主-次梁结构体系，竖向分体系采用框架结构体系；方案二是水平分体系采用板-梁结构体系，竖向分体系采用剪力墙结构体系。

【关键词】 主-次梁结构体系 框架结构体系 板-梁结构体系 剪力墙结构体系

一．设计概况
本设计为深圳市某12层办公楼，标准层层高3.6m，建筑总高度为43.2m。其建筑方案见图1.1；办公楼结构方案初步设计分为两个方案：方案一是水平分体系采用主-次梁结构体系，竖向分体系采用框架结构体系；方案二是水平分体系采用板-梁结构体系，竖向分体系采用剪力墙结构体系。

图1.1 办公楼建筑方案

二． 相关设计参数的选取
混凝土梁、板均采用强度为C30的混凝土，柱和墙采用强度为C40的混凝土。
板钢筋采用HPB300级钢筋，其应力允许值是
梁柱钢筋采用HRB400级钢筋，其应力允许值是
根据《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001混凝土自重取为25kN/m³，楼面活荷载
取2.0kN/㎡；基本风压取0.75kN/㎡。
三．方案一初步设计
3.1方案一水平分体系结构初步设计：（采用的是主-次梁体系）
计算简图见图3.1 主次梁体系计算简图

图3.1 主次梁体系计算简图
①双向钢筋混凝土板、主次梁截面的初步设计。
不妨取跨高比为36，则板厚为
不妨取主梁的跨高比为12，则主梁高为，梁宽取梁高的1/2，即b=300mm
不妨取次梁的跨高比为15，则次梁高为，梁宽取b=200mm
②双向钢筋混凝土板的设计
跨度L=3.6m
混凝土板自重 0.01x25=2.5kN/㎡
活荷载（未折减） 2.0 kN/㎡
隔墙、吊顶等 0.96 kN/㎡
-------------------------------------------------------------
每米板宽的总荷载 5.46kN/m
设

则不妨可假设板设计可按来控制。并设板跨中的2/3的宽度承担绝大部分的板弯矩（即3.6x2/3=2.4m的有效宽度），则有效宽度的每米板宽所承受的弯矩=5.90/2.4=2.46kN·m/m。设取保护层厚度为20mm，则
力臂a=（100-20）7/8=70mm
T=M/a=2.46/0.07=35.14kN/m
钢筋应力允许值是

由于板的有效高度是70mm，所以，对板来讲，此配筋率是可以满足规范要求的0.2%的最低配筋率。由此可见，板的厚度可以做得更薄。

③次梁的设计
L=4.5m
板传来的荷载5.46x3.6x0.44=8.65kN/m
次梁自重：25x0.2x（0.3-0.1）=1kN/m
------------------------------------------------------------
总荷载 9.65kN/m

取保护层厚度为30mm
力臂a=300-30=270mm
T=M/a=16.64/0.27=60.31kN
钢筋应力允许值是

，此配筋率是可以满足规范要求的0.2%的最低配筋率。
梁的最佳配筋率大约为1.5%，说明采用这种体系时，此梁还可以继续优化为更小的截面。

④主梁的设计
L=7.2m
楼板传来的荷载5.46x4.5x0.56=13.76kN/m
次梁传来的荷载9.65x4.5/7.2=6.03kN/m
主梁自重 25x0.3x（0.6-0.1）=3.75kN/m
------------------------------------------------------------------
总荷载 23.54kN/m
对于初步设计不妨假设主梁是简支的

取保护层厚度为30mm
力臂a=600-30=570mm
T=M/a=152.54/0.57=268kN
钢筋应力允许值是

，此配筋率是可以满足规范要求的0.2%的最低配筋率。
梁的最佳配筋率大约为1.5%，说明采用这种体系时，此梁还可以继续优化为更小的截面。

3.2 方案一竖向分体系结构初步设计：（采用的是框架结构体系）
①水平力作用下（取风荷载），结构的内力计算
不妨假设全楼受到一均布的风荷载，其值可取为0.75x4.5=3.38kN/m
其计算简图见图3.2

图3.2 风荷载作用下的计算简图
在此风荷载作用下，结构的剪力和弯矩图见图3.2.1

图3.2.1 风荷载作用下结构弯矩和剪力图

②框架分析（取首层分析）
用门式框架法近似计算侧向力作用下建筑物某高度处柱子弯矩；用悬臂法计算侧向力作用下由倾覆力矩产生的柱子轴力。
由图3.2.1 风荷载作用下结构弯矩和剪力图可知
该层荷载如下：
倾覆力矩=3154kN·m
总的层剪力=楼板以上为139kN，楼板以下为146kN
总重力荷载（估算）=1.2x14x4.5x17.4x11=14470kN
从承受面积分析，可以确定在14470kN的重力荷载按下述方式分配到每根柱子，其中每根内主可分到4241kN，每根外柱可分到2994kN。

用门式框架法把剪力139kN和146kN分配到各柱，每根内柱剪力为每根外柱的两倍。
对剪力139kN分配如下：外柱23kN，内柱46kN；
对剪力146kN分配如下：外柱24kN，内柱49kN。
计算由水平剪力产生的住、梁弯矩。
外柱端弯矩为：
上柱M=23x1.8=41.4kN·m
下柱M=24x1.8=43.2kN·m
内柱端弯矩为：
上柱M=46x1.8=82.8kN·m
下柱M=49x1.8=88.2kN·m

用悬臂梁法计算由柱轴向应力抵抗3154kN·m倾覆力矩。外柱的轴向应力是内柱的三倍。因为每根外柱承担的竖向荷载为内柱的一半，加上外墙后，可以假定外柱的配筋面积A大约是内柱的2/3,。因此外柱的轴力是，而内柱的力是，则可以得到

这说明一侧外柱将承受167kN的压力，另一侧承受167kN的拉力（内柱为一半即84kN）
与重力荷载组合以后，每根外柱承受3161kN的轴向压力，每根内柱承受4325kN的轴向压力。
作为初步设计，则可初步取
内柱的截面为
外柱的截面为
显然，在进行内力组合以后及计算地震作用以后，柱的应力值会更大，则相应的柱子的截面需进一步加大。显然，柱子截面太大，对于建筑的使用空间相对而言就变得不那么灵活了。

四． 方案二初步设计
4.1方案二水平分体系结构初步设计：（采用的是板-梁体系）
计算简图见图4.1 板-梁体系体系计算简图

图4.1 板-梁体系体系计算简图
①双向钢筋混凝土板的初步设计。
不妨取跨高比为36，则板厚为
不妨取梁的跨高比为12，则梁高为，梁宽取梁高的1/2，即b=300mm
②双向钢筋混凝土板、梁的设计
跨度L=4.5m
混凝土板自重 0.01x25=2.5kN/㎡
活荷载（未折减） 2.0 kN/㎡
隔墙、吊顶等 0.96 kN/㎡
-------------------------------------------------------------
每米板宽的总荷载 5.46kN/m
设

板设计可按来控制。并设板跨中的2/3的宽度承担绝大部分的板弯矩（即4.5x2/3=3m的有效宽度），则有效宽度的每米板宽所承受的弯矩=9.21/3=3.07kN·m/m。设取保护层厚度为20mm，则
力臂a=（100-20）7/8=70mm
T=M/a=3.07/0.07=43.86kN/m
钢筋应力允许值是

由于板的有效高度是70mm，所以，对板来讲，此配筋率是可以满足规范要求的0.2%的最低配筋率。

②梁截面的初步设计
L=7.2m
板传来的荷载5.46x4.5=24.57kN/m
主梁自重 25x0.3x（0.6-0.1）=3.75kN/m
------------------------------------------------------------
总荷载 28.32kN/m

取保护层厚度为30mm
力臂a=600-30=570mm
T=M/a=183.5/0.57=322kN
钢筋应力允许值是

，此配筋率是可以满足规范要求的0.2%的最低配筋率。

4.2 方案二竖向分体系结构初步设计：（采用的是剪力墙结构体系）
不妨可设剪力墙的厚度为0.3m，宽度为7.2m，高度为43.2m，钢筋混凝土容重取25kN/m³，则墙上的垂直荷载是2333kN，并假定沿高度作用有均布风荷载3.38kN/m，其计算简图如图4.2

图4.2 剪力墙计算简图

最大剪力
悬臂梁的最大弯矩

偏心距是3154/2333=1.35m,超过了7.2m墙宽的平衡设计偏心距（7.2/6=1.2m），
因此，在基底处将出现拉力区（即最大平衡弯矩M=2333x1.2=2800kN·m
墙的惯性矩：

最大弯曲应力

平均剪应力：

矩形截面的最大剪应力。因为在正常配筋的混凝土墙中，至少可以承受的剪应力。显然，采用0.3m厚的剪力墙结构对于本结构来说是可以继续优化的。

五．方案一和方案二的优劣比较
5.1方案一和方案二水平分体系的比较（在相同的截面和荷载作用下）

方案一
方案二
主-次梁体系
板-梁体系
从配筋率角度上做比较
板
次梁
主梁
板
梁
0.2%
0.3%
0.4%
0.23%
0.52%
从建筑使用上做比较
建筑空间易分割，但净高小
建筑空间大，净高大
从表格可看出，在选取同样的构件截面和相同的荷载作用下，显然主-次梁体系所需要的配筋面积更小，换言之，构件的截面尺寸能做得更小，更经济，又或者说，与板-梁体系相比较，主-次梁体系能承受更大的荷载；板-梁体系虽然不及主-次梁体系可以承受更大的荷载，但板-梁体系施工相对简单，而且因为缺少了次梁，板-梁体系的建筑净高更高。

5.2方案一和方案二竖向分体系的比较
方案一采用的竖向分体系是框架结构体系，其柱子需要较大的截面才能承受比较大的荷载，而方案二采用的竖向分体系是剪力墙结构体系，其剪力墙的截面做得比较小，但已经能承受比较大的荷载，而且，从截面惯性矩而言，剪力墙远远大于框架柱，这是有利于在地震或者风荷载作用下控制结构侧移的，这些都是剪力墙结构体系优于框架结构体系的地方；但从建筑使用功能的角度考虑，剪力墙结构布置不灵活，往往限制了建筑的使用。

六． 概念设计方法与传统构件设计方法的区别
首先，概念设计方法着重于从概念上整体把握结构，再把结构细分成相应的水平分体系、竖向分体系进行概念上的定性分析，而不必做出准确的定量分析；简而言之，概念设计方法是着重于确定结构设计方案的一些比较基本的设想和处理手段，而不是结构的细部设计；其次，概念设计方法主要是运用于结构方案设计和初步设计阶段，它只是通过一些基本的概念判断结构的受力状态，然后选择相应的结构体系，再对相应的结构体系从整体到分体系做简单的力学计算，比如说初步计算梁、柱截面，也就是说，概念设计更多的是定性的分析，而不是定量的分析；而传统构件设计方法，我们需要精确的选择结构体系，然后精确的计算各种荷载作用下结构构件的反应，再利用这些反应精确的进行结构的极限承载力和正常承载力下的设计。很显然，如果在做设计的时候，与直接进行传统构件设计相比较，先进行概念设计再进行传统构件设计，对于结构的优化是更好的，对于结构的设计也能避免走更多的歪路，即提高相应的效率，也就是说，概念设计可以辅助传统构件设计。

【参考文献】
[1] 林同炎：《结构概念和体系》，中国建筑工业出版社；
[2] 沈蒲生：《混凝土结构设计》，高等教育出版社；
[3]《建筑结构荷载规范》 （GB50009-2001）；
[4] 《混凝土结构设计规范》 （GB 50010－2010）；