16层剪力墙结构设计.docx

前 言

毕业设计是大学本科教育培养目标实现的重要阶段，也是综合性和实践性极强的最后一个教学环节，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。是我们学生运用所学的基础理论、专业知识和基本技能进行建筑、结构、施工设计的重要实践过程，涉及综合运用建筑、结构、施工、设备、给排水和相关学科的基础知识。在老师的指导和同学的帮助下，我完成了这次的毕业设计课题——西安中新浐灞半岛A11地块6#楼住宅楼结构设计。
这次毕业设计，我们土木工程专业的学生要完成该工程从初步设计到施工图纸完成的整个过程，可以说涉及知识面比较广，比较全面！工程量也很大！

1建筑设计
1.1 高层的特点及意义
城市中高层建筑反映一个城市经济繁荣和社会进步的重要标志。随着社会和经济的发展，特别是城市建设的发展，要求建筑所能达到的高度与规模不断地增加。合理的规划和设计可以美化城市的效果，可以预见，在未来相当长的时间内，高层建筑仍然是城市建设的主要建筑形式，因此，认识这些特点并掌握高层建筑结构的分析理论和基本设计方法，可以为今后的工作打下良好的基础。
1.2总体布局
该住宅楼共16层，顶部设有电梯机房，一至16层均为住宅，首层两户，其余各层均为三户，对称分布，形状规则，这种布置对抗侧力有利。
三种户型可以满足不同层次和不同人口家庭的需要
1.3平面交通
交通枢纽设置在建筑的中心，各户之间通过走廊连接，并且各住户离楼梯间，电梯间较近，这样的交通线路简洁流畅，同时在紧急的情况下，用户可以迅速的疏散。
1.4垂直交通
由于一层只有四户，人流量并非很大，故设电梯台数为两台，同时兼备防火电梯用，为了考虑建筑的经济性，本设计方案地上总层数为16层，满足《高层民用建筑设计防火规范》6.1.1.1十八层及十八层以下，每层不超过8户、建筑面积不超过650m2，且设有一座防烟楼梯间和消防电梯的塔式住宅的规定.虽然设置了电梯，但是楼梯必须设置。
1.5防火设计
各套户型的分户门均采用防火门。如某一户发生火灾可以及时关闭防火门，防止火势蔓延，使用户有足够的逃离时间，进入楼梯的门为乙级防火门，耐火极限为1.2小时，该楼梯是发生火灾时居民逃生的主要通道，采用封闭式楼梯间可以有效的较少人员伤亡。规范规定，塔式高层建筑必须设置消防电梯。

2结构设计
2.1结构选型及几何特征计算
2.1.1工程概况
本工程位于西安中新浐灞半岛地产A11地块内，拟建工程为16层为普通住宅楼。采用剪力墙结构，标准层高3m，室外地坪高度-0.600m，建筑高度为48.6m。室外电梯机房高度为4.5m，标准层建筑面积约为360m2。
自然条件：基本风压 W0=0.35kN/m2(50年基准期)；地面粗糙度：B类；场地地震基本烈度：8度；抗震设防烈度：8度；设计基本雪压S0=0.25KN\m2；
设计地震分组：第一组； 建筑物场地土类别：Ⅱ类
结构形式：钢筋混凝土剪力墙结构； 抗震等级：二级；
设计使用年限：50年； 防火耐火等级：一级；
建筑结构的安全等级：二级； 建筑抗震设防类别：丙类；
2.1.2主体结构的布置
该剪力墙结构布置对称，凸出和凹出尺寸符合规范要求。结构侧向刚度沿竖向变化均匀，无刚度突出。结构的高宽比H/B=48.6/27.5=1.77<5.剪力墙上下空口对齐，成列布置，形成了明确的墙肢和连梁，采用现浇楼板，除阳台板厚100mm外，其它均为120mm。
2.1.3材料的选用和剪力墙截面尺寸的确定
剪力墙结构的混凝土强度等级选用C35，梁选用C30，本工程剪力墙采用双排配筋，剪力墙的厚度均为200mm。按一、二级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/16，且不应小于200mm；其他部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/20，且不应小于160mm2。首层结构平面布置图见图2-1所示。
2.1.4剪力墙截面的类型判别和刚度计算
根据抗震设计规范的一般原则，对称结构的两个主轴方向均应进行抗震计算，本设计只对一个方向进行计算，且假定结构无扭转。另外根据《高层规程》，在计算剪力墙的内力和位移时，可以不考虑纵横墙的共同作用。
1剪力墙的类型判别
由图2-1可得Y方向上各剪力墙上的截面尺寸，如图2-2所示，有图可知YSW-2，YSW-3，YSW-4，YSW-6，YSW-7，YSW-8，YSW-11，YSW-12，YSW-15，YSW-16为整体墙。

图2-2

图2-1

图2-2

图2-2

图2-3Y方向各剪力墙截面尺寸

剪力墙根据是否开洞和开洞大小可以分为：
（1） 实体墙或整截面剪力墙：不开洞或开洞面积不大于15%的墙。
（2） 整体小开口剪力墙：开洞面积不大于15%但仍较小的墙。
（3） 双肢或多肢剪力墙：开洞较大且成列布置的墙。
（4） 壁式框架：洞口尺寸大，连梁线刚度和墙肢线刚度相近的墙。
整体小开口墙，整体小开口墙和壁式框架的分类界限可以根据整体性系数α，墙肢惯性矩的比值In/I以及楼层数确定。整体性系数可以按下列公式计算：
双肢墙：α=H12Iba2Ihα=HI1+I2In
多肢墙：α=12j=1mIbjaj2lbj3τhj=1m+1Ij
式中τ----------考虑墙肢轴向变形的影响系数，当3-4肢是取0.8,5-7肢时取0.85,8肢以上取0.9；
I----------剪力墙对组合截面形心的惯性矩；
In---------扣除墙肢惯性矩后剪力墙的惯性矩，In=I-j=1m+1Ij;
Ibj---------第j列连梁的折算惯性矩，Ibj= Ibj01+30μIbj0Abjlbj2
I1，I2------墙肢1,2的截面惯性矩；
m---------洞口列数；
h----------层高；
H----------剪力墙总高度；
aj----------第j列洞口两侧墙肢的轴线距离；
lbj----------第j列连梁计算跨度。取洞口宽度加梁高的一半；
Ij----------第j列墙肢截面惯性矩；
Ibj0---------第j列连梁截面惯性矩
μ---------截面形状系数，矩形截面时μ=1.2；
Abj--------第j列连梁的截面面积。
当α>=10且InI<=ζ时，为整体小开口墙；
当α>=10且InI>ζ时，为壁式框架；
当α<10时，为联肢墙；
YSW-5，YSW-9，YSW-10，YSW-13，YSW-14在y方向上的截面特征值见如下表。
表2-1 截面特性

YSW-5 YSW-9 YSW-10 YSW-13 YSW-14 截面特性
编号

各墙肢截面面积（m2）
B1（m）
H1（m）
B2（m）
H2（m）
B3（m）
H3（m）
A1
A2
A3
YSW-5
0.20
4.00
0.20
1.00

0.80
0.20
0.00
YSW-9
0.20
5.50
0.20
2.80

1.10
0.56
0.00
YSW-10
0.20
1.40
0.20
1.40

0.28
0.28
0.00
YWS-13
0.20
0.40
0.20
3.00
0.20
1.10
0.08
0.60
0.22
YWS-14
0.20
1.60
0.20
1.60

0.32
0.32
0.00
注：
I=112bh3

续表2-1 截面特性

YSW-5 YSW-9 YSW-10 YSW-13 YSW-14 截面特性

∑Aj
各墙肢截面惯性矩（m4）
∑I
X1
X2
X3
形心（m）
Y1
Y2
Y3
组合截面惯性矩I（m4）
I1
I2
I3
1.00
1.07
0.02
0
1.08
2.0
5.50

2.70
0.70
2.80

3.04
1.66
2.77
0.37
0
3.14
2.75
7.80

4.45
1.70
3.35

12.6
0.56
0.05
0.05
0
0.09
0.70
3.30

2.00
1.30
1.30

1.04
0.90
0.00
0.45
0.02
0.47
0.2
3.10
5.94
3.54
3.34
0.44
2.41
2.76
0.64
0.07
0.07

0.14
0.8
3.90

2.35
1.55
1.55

1.67
注：
I=112bh3

表2-2 YSW-5 YSW-9 YSW-10 YSW-13 YSW-14连梁截面惯性矩

编号
lbj0（m）
hb（m）
lbj（m）
Ajb（m）
μ
Ibj0（m）
Ibj（m）
αj（m）
j=1kIbjaj2lbj3　
YSW-5
1.00
2.10
2.05
0.42
1.20
0.15
0.04
3.50
0.05
YWS-9
0.90
1.00
1.40
0.20
1.20
0.02
0.01
5.05
0.06
YWS-10
1.20
1.80
2.10
0.36
1.20
0.10
0.03
2.60
0.02
YWS-13
1.20
2.10
2.25
0.42
1.20
0.15
0.04
3.10
0.08
0.80
2.10
1.85
0.42
1.20
0.15
0.03
2.85
YWS-14
1.50
0.90
1.95
0.18
1.20
0.01
0.01
4.10
0.02
注：
Ibj=Ibj01+30μIbj0Abjlbj2
lbj=lbj0+hb2

表2-3 剪力墙类型判别

编号
∑Ij
I
In=I-∑Ij
j=1kIbjaj2lbj3　
α
In/I
类别
YSW-5
1.08
3.04
1.96
0.05
17.08
0.64
整体小开口墙
YSW-9
3.14
12.60
9.46
0.06
11.59
0.75
整体小开口墙
YSW-10
0.09
1.04
0.95
0.02
43.25
0.91
整体小开口墙
YSW-13
0.47
2.76
2.29
0.08
43.16
0.83
整体小开口墙
YSW-14
0.14
1.67
1.53
0.02
32.02
0.92
整体小开口墙
注：
h=3.0m，H=48，τ=0.8

2剪力墙刚度计算
（1） 实体墙YSW-1，YSW-2,YSW-3，YSW-4，YSW-6，YSW-7，YSW-8，YSW-11，YSW-12，YSW-15，YSW-16，YSW-17刚度计算如表所示

表2-4 实体墙等效刚度计算

编号
H(m)
b(m)
h(m)
Aw
Iw
μ
Ec（*107）
（kN/m2）
EcIeq（×107）
（kN/m2）
YSW-1

48.00
0.20
5.70
1.14
3.09
1.20
3.15
9.60
YSW-2

48.00
0.20
2.40
0.48
0.23
1.20
3.15
0.72
YSW-3

48.00
0.20
4.30
0.86
1.33
1.20
3.15
4.14
YSW-4

48.00
0.20
1.25
0.25
0.03
1.20
3.15
0.10
YSW-6

48.00
0.20
1.80
0.36
0.10
1.20
3.15
0.31
YSW-7

48.00
0.20
3.80
0.76
0.91
1.20
3.15
2.86
YSW-8

48.00
0.20
3.30
0.66
0.60
1.20
3.15
1.88
YSW-11

48.00
0.20
7.20
1.44
6.22
1.20
3.15
19.21
YSW-12

48.00
0.20
3.10
0.62
0.50
1.20
3.15
1.56
YSW-15

48.00
0.20
2.70
0.54
0.33
1.20
3.15
1.03
YSW-16

52.50
0.20
2.40
0.48
0.23
1.20
3.15
0.72
YSW-17

48.00
0.20
4.20
0.84
1.23
1.20
3.15
3.86
注：

ECIeq=EcIw1+9μIwAwH2

（2） 整体小开口墙YSW-5,YSW-9,YSW-13,YSW-14等效刚度如表所示

表2-5 整体小开口墙等效刚度计算

编号
ΣAj
hd（m）
ΣA（m）
hb（m）
Aw（m2）
I（m4）
h（m）
Iw
（m4）
EcIeq
（×107）（kN/M2）
YSW-5

1.00
0.90
1.20
2.10
1.14
3.04
6.00
3.43
10.74
YSW-9

1.66
2.00
1.84
1.00
1.72
12.60
9.20
12.73
39.44
YSW-10

0.56
2.10
0.08
0.90
0.28
1.04
4.00
1.06
3.31
YSW-13

0.90
0.90
1.30
2.10
1.18
2.76
6.50
4.03
12.60
YSW-14

0.64
2.10
0.94
0.90
0.73
1.67
4.70
1.69
5.29
注：
ECIeq=EcIw1+9μIwAwH2

（3） 总剪力墙刚度计算
框架-剪力墙结构的内力计算分两步进行：第一步要将各榀宽假合并成一榀总框架，将各片剪力墙合成一片总剪力墙，对总宽假和总剪力墙进行协同工作分析，将水平荷载和地震作用分配给总框架和总剪力墙。第二部是将总剪力墙和总框架的水平荷载和地震作用按刚度分配给每一片剪力墙，并对每一片剪力墙在水平荷载和地震作用下的内力进行分析，然后与竖向荷载下的内力进行组合与配筋。总剪力墙的刚度等于每片剪力墙的刚度之和。总剪力墙刚度见表2-6。

表2-6 总剪力墙刚度
编号
类别
数量
EcIeq
（×107）（kN/m2）
总剪力墙的等效刚度（×107）（kN/m2）
YSW-1
实体墙
1.00
9.60
9.6+0.72+4.14+0.1+2.86+1.88+19.21+1.56+1.03+0.72*3+3.86+10.74+39.44+3.31+12.6+5.29=118.81
YSW-2
1.00
0.72
YSW-3
1.00
4.14
YSW-4
1.00
0.10
YSW-6
1.00
0.31
YSW-7
1.00
2.86
YSW-8
1.00
1.88
YSW-11
1.00
19.21
YSW-12
1.00
1.56
YSW-15
1.00
1.03
YSW-16
3.00
0.72
YSW-17
1.00
3.86
YSW-5
整体小开口墙
1.00
10.74
YSW-9
1.00
39.44
YSW-10
1.00
3.31
YSW-13
1.00
12.60
YSW-14
1.00
5.29

2.2荷载计算
2.2.1重力荷载计算（标准）
1.屋面及楼面荷载
（1）屋面及楼面的永久荷载
屋面：
30厚细石混凝土保护层 0.03×25=0.75KN/m2
SBS防水层 0.04KN/m2
20厚1:3水泥砂浆 0.02×25=0.5KN/m2
240膨胀珍珠岩 0.24×3.0=0.72KN/m2
120厚现浇钢筋混凝土板 0.12×25=3KN/m2
10厚水泥石灰膏砂浆打底 0.01×14=0.14KN/m2
---------------------------------------------------------------------------------
Σ=6.01KN/m2
楼面：
8 厚陶瓷地砖 0.008×17.8=0.142KN/m2
20厚干硬性水泥砂浆找平层 0.02×25=0.5KN/m2
120厚钢筋混凝土现浇板 0.12×25=3.0KN/m2
10厚水泥石灰膏砂浆打底 0.01×14=0.14KN/m2
-------------------------------------------------------------------------------------
Σ=3.782KN/m2
阳台：20厚水泥砂浆找平层 0.02×25=0.500KN/m2
100厚钢筋混凝土现浇楼板 0.1×25=2.500KN/m2
10厚水泥石膏砂浆打底 0.01×14=0.14KN/m2
------------------------------------------------------------------------------------
Σ=3.14KN/m2
（2）屋面及楼面的活荷载
查《建筑结构荷载规范》本建筑楼面活载为：
住宅 2.0 KN/m2
厨房，卫生间 2.0 KN/m2
走道，门厅，楼梯 2.0 KN/m2
阳台 2.5 KN/m2
（3） 屋面活载：
不上人屋面 0.5 KN/m2
（4） 雪荷载：
查《建筑结构荷载规范》屋面水平投影面积上的雪荷载标准值：
Sk=0.25KN/m2
2.墙体自重
（1）外墙
6厚水泥砂浆罩面 0.006×25=0.15KN/m2
12厚水泥砂浆 0.012×25=0.300KN/m2
200厚钢筋混凝土墙 0.2×25=5.00KN/m2
20厚水泥石灰砂浆找平 0.02×25=0.500KN/m2
30厚稀土保温层 0.03×4=0.120KN/m2
--------------------------------------------------------------------------------------
Σ=6.25KN/m2
（2）内墙：
15厚水泥石灰膏砂浆打底（两面） 0.015×14×2=0.42KN/m2
5厚水泥石灰膏砂浆罩面（两面） 0.005×14×2=0.14KN/m2
200厚钢筋混凝土墙 0.20×25=5.00KN/m2
-------------------------------------------------------------------------------------
Σ=5.56KN/m2
（3）隔墙
5厚水泥石灰膏砂浆罩面（两面） 0.005×14×2=0.14KN/m2.
15厚水泥石灰膏砂浆打底（两面） 0.015×14×2=0.42KN/m2
120厚空心砖墙 0.120×14=1.68KN/m2
--------------------------------------------------------------------------------------
Σ=2.24KN/m
（4）女儿墙
6厚水泥砂浆罩面 0.006×20=0.120KN/m2
12厚水泥砂浆打底 0.12×20=0.240KN/m2
100厚钢筋混凝土墙 0.1×25=2.500KN/m2
20厚水泥砂浆找平层 0.02×25=0.500KN/m2
---------------------------------------------------------------------------------
Σ=3.45KN/m2
3.门窗自重：
木门 0.2KN/m2
钢铁门 0.45KN/m2
乙级防火门 0.45KN/m2
塑钢窗 0.45KN/m2
4设备重量
电梯箱及设备取 200KN
5 梁自重
b×h=200mm×500mm
梁自重 0.2×（0.5-0.12）×25=1.9KN/m
10厚水泥石灰膏砂浆 0.01×（0.5-0.12）×2×14=0.11KN/m
---------------------------------------------------------------------------------
Σ=2.01KN/m
b×h=200mm×400mm
梁自重 0.2×（0.4-0.12）×25=1.4KN/m
10厚水泥石灰膏砂浆 0.01×（0.4-0.12）×2×14=0.08KN/m
---------------------------------------------------------------------------------
Σ=1.48KN/m
b×h=150mm×250mm
梁自重 0.15×（0.25-0.12）×25=0.49KN/m
10厚水泥石灰膏砂浆 0.01×（0.25-0.12）×2×14=0.04KN/m
---------------------------------------------------------------------------------
Σ=0.53KN/m

2.2.2 风荷载标准值计算
基本风压ω0=0.35KN/m2
由于本建筑质量和刚度沿建筑高度分布较均匀，高度H=48+0.6=48.6m>30m

图2-4楼层风荷载体形系数

而且高宽比H/B=48.6/27.5=1.77>1.5，对于高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋建筑设计时，用风振系数加大风载，所以按下列公式计算风振系数：
βz=1+HiHευμz
T1=0.006n=0.006×16=0.96
ω0T12=0..35×0.962=0.32
查表得脉动增大系数ζ=1.316
脉动影响系数ν=0.50
Fi=βzμsBhiμzω0;
各楼层风荷载标准值的计算见下表2-7,续2-7-

表2-7 各楼层风荷载标准值计算

续表2-7 各楼层风荷载标准值计算

由于电梯机房风荷载数值不大，不作为集中荷载作用在结构主体顶部，按照结构底部弯矩等效将各层风荷载转化为倒三角形分布，如图2-5所示。

q max=47.27KN/m2

图2-5
倒三角形分布荷载最大值为：

q max=3FiHiH2=3×结构地震反应的分析的计算是将各楼层的荷载集中作用于一个质点，集中于各质点的重力荷载Gi为计算单位范围内各楼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。（楼电梯间楼面自重力荷载近似取一般楼面自重了荷载的1.2倍）。重力荷载代表值是指100%的恒荷载，50%-80%的楼面活荷载和50%的雪荷载之和。重力荷载代表值G1 的计算结构列于表2-8中，重力荷载代表值G2-G15的计算结构列于表2-9中，重力荷载代表值G16的计算结构列于表2-10中，重力荷载代表值G17的计算结果列于表2-11中

表2-8 重力荷载代表值G1

表2-9 重力荷载代表值G16

表2-10 重力荷载代表值G16

表2-11 重力荷载代表值G17

重力荷载代表值G1-G17 的位置如2-7图

转化为均布荷载图2-8

重力荷载代表值G1-G17
图2-7
q=1629.64KN/m2

2.3.2结构自振周期的计算
因屋面带有突出见，按照主题结构定点位移相等的原则，将电梯间质点的重力荷载代表值折算到主体结构的顶层，并将各质点的重力荷载转化为均布荷载。有公式可得：
Ge=G17*1+3h2H=938.64KN/m2
q=i=115GiH=1629.64KN/m2
由于本工程设计的地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ，查《高层建筑结构》表，可知特征周期Tg=0.35s
本工程的剪力墙结构自振周期T1=0.053n=0.053×16=0.85s。
2.3.3水平地震作用计算
我国《建筑抗震设计规范》（GB5001-2002），建筑结构的抗震计算应根据情况采用底部剪力法或振型反应谱法计算，特别不规范的建筑，甲类建筑等，尚可采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。
根据Ⅱ场地类别，8度抗震，设计分组为第一组，查表可得，Tg=0.35s，αmax=0.16，取ζ=0.05，则η2=1.0，η1=0.02
α=TgTrη2αmax=0.08
Geq=0.85Ge=0.85（5197.06+14*4912.46+4251.25+822.92）=67188.82KN
结构底部总剪力标准值FEK=αGeq=0.08*67188.82=5375.11KN
因为 T1=0.85s >1.4Tg=1.4×0.35s=0.49s
δn=0.08T1+0.07=0.08×0.85+0.07=0.14
所以 ΔFn=δnFEK=0.14×5375.11=752.52KN
各质点的水平地震作用见表2-12
将电梯机房的地震的作用移至主体结构顶层，并附加一弯矩M1。
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