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房屋建筑学课程设计写字楼

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房屋建筑课程设计

七层写字楼

专业 学生____________ 指导老师_____________
摘 要

本工程为写字楼, 采用现浇钢筋混凝土框架结构, 主体为七层。设计部分包含建筑设计和结构设计两大部分。建筑设计中, 贯彻”实用、 安全、 经济、 美观”的设计原则, 主要对结构的整体布局、 建筑功能和构件形式进行设计, 满足写字楼使用要求。在确定框架布局和横向框架荷载之后, 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震周期, 进而按底部剪力法计算水平地震荷载作用下大小, 求出在水平荷载作用下的结构内力( 弯矩、 剪力、 轴力) 。在计算出竖向荷载( 恒载及活荷载) 作用下的结构内力后, 找出最不利的一组或几组内力进行组合。 选取最安全的结果计算配筋并绘图。
整个结构在设计过程中, 严格遵循相关的专业规范的要求, 参考相关资料和有关最新的国家标准规范, 对设计的各个环节进行综合全面的科学性考虑。

关键词: 框架结构, 抗震设计, 荷载计算, 内力计算, 配筋计算

目录

第一章概述 --------------------------------------1
第一节 设计参考 -----------------------------------------------------------------------------------1

第二节 房屋结构概况 -----------------------------------------------------------------------------2

第三节 设计参数 -----------------------------------------------------------------------------------3

第二章 截面设计 ---------------------------------5

第一节 构件截面尺寸 -----------------------------------------------------------------------------5

第二节 刚度计算 ----------------------------------------------------------------------------- -----6

第三章 重力荷载作用下的内力计算--------------- --8
第一节 重力荷载计算 -------------------------------------------------------------------- -- -----8

第二节 弯矩二次分配法计算框架内力--------------------------------------- ---------------- 13

第四章 水平地震荷载作用下的内力计算-------------20

第一节 水平地震作用标准值计算 ------------------------------------------------------------20

第二节 D值法计算水平地震作用下的内力 ------------------------------------------------22

第五章 框架的内力组合 --------------------------29

第一节 梁控制截面内力与梁端负弯矩调幅 ------------------------------------------------29

第二节 底层边跨梁内力组合与截面计算 ---------------------------------------------------29

第三节 底层中跨梁内力组合与截面计算 ---------------------------------------------------32

第四节 底层柱内力组合与截面计算 ---------------------------------------------------------34

第一章 概述

第一节 设计参考

1．中华人民共和国国家标准, 建筑结构可靠度设计统一标准(GB50068- )
2. 中华人民共和国国家标准, 建筑结构荷载规范(GB50009- )
3．中华人民共和国国家标准, 混凝土结构设计规范(GB50010- )
4．中华人民共和国国家标准, 建筑抗震设计规范(GB50011- )
5．中华人民共和国国家标准, 建筑地基基础设计规范(GB50007- )
6．东南大学、 天津大学、 同济大学合编, 《混凝土建筑结构设计》, 北京: 中国建筑工业出版社, 1月
7．梁兴文、 史庆轩主编, 《土木工程毕业设计指导》, 北京: 科学出版社, 7月
8．李必瑜主编, 《房屋建筑学》, 湖北: 武汉理工大学出版社, 7月
9．龙驭球、 包世华主编, 《结构力学教程》( I) ,北京: 高等教育出版社, 5月
10. 单建, 吕令毅主编, 《结构力学教程》, 南京: 东南大学出版社, 7月
11. 熊丹安, 《钢筋混凝土框架结构设计与实例》, 湖北: 武汉理工大学, 1月

第二节 房屋结构概况

某七层办公楼为钢筋混凝土全现浇框架结构, 一层层高5.4m, 二至六楼层高3.3m, 七层层高4m。其平面柱网布置如图1-1, ②—⑦轴线对应的框架立面如图1-2。

图1-1 柱网布置图

图1-2 框架立面图
第三节 设计参数

1 结构层高
一层高5.4m, 二至六楼层高3.3m, 七层高4m。如图1-2所示。
2 荷载
楼面恒载: , 屋面恒载: , 楼面活载:
走廊活载: , 屋面活载:
二三层横墙荷载:
四至七层横墙荷载:
二至七层外纵墙荷载:
屋面以上外纵墙荷载:
二至七层内纵墙荷载:
注:
1) 楼面层恒载中已计入楼屋面面层, 结构层即楼屋面板及顶棚抹灰或吊顶重, 但未计入梁自重。
2) 内外纵墙荷载已计及门、 窗及相关装饰、 粉刷、 贴面, 且忽略结构层高差别的影响。
3) 屋面以上外纵墙荷载为屋面女儿墙荷载。
4) 一层墙对框架结构内力无影响, 未列入。
查《建筑结构荷载规范》表A.1钢筋混凝土自重取。
3 钢筋种类
梁、 柱钢筋: HRB400, , ,
其它钢筋: HRB335, ,
4 混凝土强度等级
混凝土强度等级为C30, , , , 。
混凝土弹性模量。
5 抗震设防烈度
本设计抗震设防烈度设定为7.5度。
6 设计地震分组
本设计设计地震分组为第一组。
7 建筑场地类别
本设计选定场地类别为: Ⅱ类。
8 其它
由于本设计是抗震设防烈度为7.5度, 高度为25.5m的框架结构,查《建筑抗震设计规范》( GB50011- ) 表6.1.2可知, 本设计的抗震等级为一级。
本设计将④轴横向框架作为典型框架。

第二章 截面设计

第一节 构件截面尺寸

1 板厚
由柱网布置图可知, 本设计中的板为双向板, 查《混凝土结构设计规范》( GB50010- ) , 现浇钢筋混凝土双向板的最小板厚为80mm。考虑到本设计的荷载, 以及模数要求, 板厚取为100mm。
2 梁截面设计
框架梁截面高度h可按计算跨度的选取, 且不小于400mm, 也不宜大于净跨。框架梁的宽度b一般为梁截面高度h的, 且不应小于200mm。
考虑到实际承受的荷载大小、 跨度、 抗震设防烈度、 混凝土强度等级等因素, 本设计选取梁的截面为:
梁:
3 柱截面设计
框架柱的截面尺寸一般由最小构造、 模数、 剪跨比、 轴压比要求决定。
在本设计中剪跨比不起控制作用, 可不考虑。
查《建筑抗震设计规范》( GB50011- ) 6.3.5可知, 柱截面的宽度和高度不宜小于400mm。截面长边与短边的边长比不宜大于3。
查《建筑抗震设计规范》( GB50011- ) 6.3.6可知, 柱轴压比限值为0.65。
根据轴压比按下式估算截面尺寸:

式中 ——柱所需截面面积;
——柱组合的轴压力设计值:

式中 ——考虑地震作用组合后柱轴压力增大系数, 取1.3;
——按简支状态计算的柱的负载面积, 本设计中为;
——折算在单位建筑面积上的重力荷载代表值, 可近似取, 本设计取
——验算截面以上楼层层数;
——混凝土轴心抗压强度设计值;
——框架柱轴压比限值。
本设计中起控制作用的是底层的中柱

截面尺寸:

选取截面尺寸为。
第二节 刚度计算
1 梁的刚度计算
计算梁的截面惯性矩时, 对于两侧有板的中间框架, 横梁截面惯性矩可取梁矩形截面( 包括板厚在内) 惯性矩的2倍, 对于仅有一侧有板的横梁, 则取。
梁的计算过程见表2.1。
表2.1 梁的刚度
部位
断面

跨度

截面惯性矩

边框架梁
中框架梁

边跨梁
0.6×0.4
6.3
7.2
14.4
68.57
10.8
51.43
中跨梁
0.6×0.4
3.6
7.2
14.4
120
10.8
90
2 柱的刚度计算
按D值法计算柱的刚度的计算过程见表2.2。
表2.2 柱的刚度
层数
层高
( m)
柱号
柱根数

( )

( )
楼层D
()
1
5.4
1
4
60000
0.68
0.44
10877.31
404519
2
12
0.91
0.48
11955.76
3
4
1.08
0.51
12653.14
4
12
1.44
0.56
13910.66
2至6
3.3
1
4
98181.82
0.42
0.17
18637.38
859509
2
12
0.55
0.22
23500.39
3
4
0.66
0.25
26780.78
4
12
0.88
0.30
32985.97
7
4.0
1
4
81000
0.50
0.20
12237.88
554757
2
12
0.67
0.25
15290.43
3
4
0.80
0.29
17318.32
4
12
1.06
0.35
21087.28

第三章 重力荷载作用下的内力计算

第一节 重力荷载计算

1 恒载参数计算
对于双向板, 由板传到框架横梁上的荷载为对称的梯形或三角形分布, 荷载传递简图如图3-1所示。
楼面:

屋面:

图3-1 恒载传递简图
二至七层:

屋面以上:

横墙及横梁荷载集度:
二三层:

四至七层:

屋面:

板传递至框架的恒载集度最大值:
楼面:

屋面:

2 框架上的恒载
框架上的恒载由上述所算出的各参数组合而成, 分为二三层、 四至七层、 屋面三种情况, 分别如图3-2、 3-3、 3-4所示。整个框架的受力简图如图3-5所示。

图3-2 一二层框架恒载受力简图

图3-3 三至六层框架恒载受力简图

图3-4 七层框架恒载受力简图

图3-5 整个框架的恒载受力简图
3 活载参数计算
活载的传递方式同恒载相同。荷载传递简图如图3-6所示。
楼面:

屋面:

图3-6 活载传递简图
板传递至框架的活载载集度最大值:
楼面:
屋面:
4 框架上的活载
框架上的恒载由上述所算出的各参数组合而成, 分为楼面 、 屋面两种情况, 分别如图3-7、 3-8所示。整个框架的受力简图如图3-9所示。

图3-7楼面的活载受力简图

图3-8屋面的活载受力简图

图3-9 整个框架的活载受力简图
5 框架上的重力荷载
框架上的重力荷载=100%的恒荷载+50%的活荷载。叠加框架上的恒载及活载的一半得整个框架的重力荷载, 如图3-10所示。

图3-10 整个框架的重力荷载受力简图

第二节 弯矩二次分配法计算框架内力

1 梁柱转动刚度
除底层柱外, 其余各层柱的线刚度乘以0.9的折减系数。梁柱转动刚度见表3.1。
2 计算分配系数
分配系数按下式计算:
由于结构和荷载对称, 仅计算半边结构的分配系数, 各节点杆件分配系数见表3.2。
表3.1 梁、 柱转动刚度
构件名称
转动刚度S( )
框架梁
边跨

中跨

框架柱
顶层

中间层

底层

3 梁端固端弯矩
①七层:
边跨: 中跨:
②三至六层
边跨: 中跨:
③一、 二层
边跨: 中跨:
4 弯矩分配与传递
由于结构以及荷载对称, 能够取半结构进行弯矩分配与传递。弯矩分配与传递分别如图3-11所示。
5 作框架弯矩图
将杆端弯矩按比例画在杆件受拉一侧, 如图3-12所示。
6 作框架剪力图和轴力图
根据弯矩图很容易作出剪力图和轴力图。可是在横向框架柱中, 除了上述由楼板及框架横梁上的恒载和活载经框架横梁在框架柱中产生的轴力外, 框架柱中轴力还应包括:
1) 楼屋面恒载和活载经过双向板传给纵向框架梁对柱引起的压力;
2) 纵向框架梁自重及其上外纵墙、 内纵墙经纵向框架梁对柱引起的压力;
3) 对于各层柱的下端截面尚有柱自重产生的轴力。
单位长度柱产生的自重为:

框架剪力图、 轴力图分别如图3-13、 3-14所示。

图3-11 弯矩分配与传递

3-12 框架弯矩图( )

图3-13 框架剪力图( )

图3-14 框架轴力图( )

第四章 水平地震荷载作用下的内力计算

第一节 水平地震作用标准值计算

1 楼层重力荷载代表值
各楼层的重力荷载代表值采用估算的算法。

2 自振周期计算
基本自振周期采用顶点位移法计算。其中非结构墙影响的折减系数取0.6。结构顶点假象侧移计算结果见表4.1。
表4.1 顶点假象侧移
层次

( )

()

()

()

()
7
6032.88
6032.88
554757
0.01087
0.25565
6
6032.88
12065.76
859509
0.01404
0.24478
5
6032.88
18098.64
859509
0.02106
0.23074
4
6032.88
24131.52
859509
0.02808
0.20968
3
6032.88
30164.4
859509
0.03509
0.18160
2
6032.88
36197.28
859509
0.04211
0.14651
1
6032.88
42230.16
404519
0.10440
0.10440

3 地震影响系数
根据《建筑抗震设计规范》中地震影响系数的曲线, 设防烈度为7.5度, 设计地震分组为第一组, Ⅱ类场地时: , 。由于, 地震影响系数按下式计算:

式中——曲线下降段的衰减指数, 取0.9;
——阻尼比调整系数, 取1;
——结构自振周期;
——特征周期;
——地震影响系数最大值。

由于,需计算附加顶部集中力:

4 结构水平地震作用标准值
结构总水平地震作用效应标准值为:

附加顶部集中力为:

各层水平地震作用标准值:

屋面:

楼面:

第二节 D值法计算水平地震作用下的内力

1 典型框架柱的剪力
根据表2.2计算的框架柱侧向刚度D值, 柱的剪力按下式计算:

式中——第层第柱的剪力;
——第层第柱的抗侧刚度;
——第层所有柱的抗侧刚度之和;
——第层由外荷载引起的总剪力。
图4-1

2 计算反弯点高度比
根据框架总层数、 所在楼层以及梁柱线刚度比查《高层建筑结构设计原理》表3.7查出。由于上下层梁线刚度相同, 反弯点高度比修正值。由于上下层层高可能变化, 因此反弯点高度比修正值、 经过、 与值查《高层建筑结构设计原理》表3.9。其中: ,
式中、 ——上层、 下层层高。
上层层高大于本层, 向上移; 反之, 向下移。下层层高大于本层, 向下移; 反之, 向上移。于是, 框架各层柱经过修正后的反弯点高度可由下式计算得到:
详细计算过程及结果见表4.2。

层数
边柱
中间柱
1
( , )
, , ,
,
,

, , ,
,
,

2
( , )
, , ,
,
,

, , ,
,
,

3
( , )
, , ,
,
,

, , ,
,
,

4
( , )
, , ,
,
,

, , ,
,
,

5
( , )
, , ,
,
,

, , ,
,
,

6
( , )
, , ,
,
,

, , ,
,
,

7
( , )
, , ,
,
,

, , ,
,
,

表4.2 各层柱反弯点高度比计算

3 柱端弯矩
柱端弯矩详细计算过程见表4.3。
表4.3 柱端弯矩
层数
边柱上端
( )
边柱下端
( )
中柱上端
( )
中柱下端
( )
1

2

3

4

5

6

7

4 梁端弯矩
边柱梁按节点平衡得到梁端弯矩; 中间节点按线刚度比分配柱端弯矩。
中柱梁外侧刚度比分配系数为:
中柱梁内侧刚度比分配系数为: 0.37
梁端弯矩详细计算过程见表4.4。
层数
边柱梁
( )
中柱梁外侧
( )
中柱梁内侧
( )
1

2

3

4

5

6

7

5 水平地震作用标准值作用下的弯矩图
根据表4.3、 4.4的计算结果作水平地震作用标准值作用下的弯矩图, 如图4-2所示。
6 水平地震作用标准值作用下的剪力图、 轴力图
根据水平地震作用标准值作用下的弯矩图, 能够作出框架的剪力图以及柱的轴力图, 如图4-3、 4-4所示。

图4-2 水平地震作用标准值作用下的弯矩图( )

图4-3水平地震作用标准值作用下的剪力图( )

图4-3水平地震作用标准值作用下柱的轴力图( )

第五章 框架的内力组合

由于是钢筋混凝土全现浇框架结构, 所示截面最大内力会出现在底层。以上各层配筋与底层一致, 下面以底层的梁、 柱为例, 进行抗震内力组合与截面计算。

第一节 梁控制截面内力与梁端负弯矩调幅

1 底层梁
地震作用下:

重力荷载作用下:

考虑梁端负弯矩调幅, 取调幅系数, 则

调幅后的跨中弯矩为

第二节 底层边跨梁内力组合与截面计算

1 梁正截面计算

故梁端顶部按, 梁底部按确定纵向受拉钢筋。
( 1) 梁底部纵向受拉钢筋计算

根据规范, , C30时, , 采用25的钢筋, 保护层厚度, 故
故上式为

解得

又由, 可得

选425, 。
( 2) 梁顶部纵向受拉钢筋计算
采用20的钢筋, 双排布置, 保护层厚度, 故

解得

又由, 可得

选1020, , 双排。
( 3) 梁纵向受拉钢筋配筋率
梁端
跨中

满足规范要求。
2 梁斜截面计算

其中, 根据实配钢筋面积和材料强度确定的截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值为:

剪压比验算:

配箍计算:
选用双肢10@100, 有

满足规范要求。

第三节 底层中跨梁内力组合与截面计算

1 梁正截面计算
梁左端最大负弯矩

梁左端最大正弯矩

梁右端最大负弯矩

梁左端最大正弯矩

将跨中正弯矩

故梁端顶部按, 梁底部按确定纵向受拉钢筋。
( 1) 梁底部纵向受拉钢筋计算

根据规范, , C30时, , 采用20的钢筋, 保护层厚度, 故
故上式为

解得

又由, 可得

选520, 。
( 2) 梁顶部纵向受拉钢筋计算
采用25的钢筋, 保护层厚度, 故

解得

又由, 可得

选425, 。
( 3) 梁纵向受拉钢筋配筋率
梁端
跨中

满足规范要求。
2 梁斜截面计算
由于本框架是一级框架, 还应符合下式要求:

其中, 根据实配钢筋面积和材料强度确定的截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值为:

剪压比验算:

配箍计算:
选用双肢10@100, 有

满足规范要求。

第四节 底层柱内力组合与截面计算

1 轴压比验算
柱:

2 正截面计算
在内力组合时, 对柱顶需考虑柱端弯矩的调整, 对柱底需乘以规范要求的增大系数, 则柱采用如下最不利内力组合。
中柱柱顶:
及相应的: ( A)

及相应的: ( B)

及相应的: ( C)

中柱柱底:
及相应的: ( D)

及相应的: ( E)

及相应的: ( F)

初步试算可知, 以上全部为大偏心受压构件, 可能起控制作用的组合有
D: ,
F: ,
柱采用对称配筋,初步试算可知, ①②③为大偏心受压。
配筋计算: D:,
, 取,
, 取。
, 取。

F:,
, 取,
, 取。
, 取。

按最小配筋率

综上, 底层柱钢筋选用1020, 。

3 斜截面计算
剪力设计值的调整
其中, 根据实配钢筋面积和材料强度确定的截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值为:

弯矩设计值为
剪跨比
边柱逆时针上端
边柱顺时针上端
边柱逆时针下端
边柱顺时针下端
中柱逆时针上端
中柱顺时针上端
中柱逆时针下端
中柱顺时针下端
取剪压比验算

配箍计算

故取。则

选取10@200, 3肢箍。

柱端加密区配10@100, 3肢箍, 则加密区体积配箍率为

加密区最小体积配箍率为

故满足规范要求。