中心办公楼设计框架结构计算书.doc

邯郸市地理信息中心办公楼设计学 生 范召兵 指导老师 左咏梅河北工程大学土木工程学院土木工程专业建筑工程方向0 绪论根据设计任务书的要求，本次结构采用钢筋混凝土框架结构。建筑设计依据周围环境和建筑使用功能特点，首先设计建筑平面，包括建筑平面选择、平面柱网布置、平面交通组织及平面功能设计；其次进结构设计。本次建筑位于地震区，考虑地震的影响，查阅有关规范和资料，进行结构设计时不用考虑风荷载及雪荷载，主要设计内容包括：1确定结构体系与结构布置；2根据经验对构件进行初估；3地震作用的内力分析；4确定计算单元模型及计算简图；5竖向荷载统计与计算；6内力计算及组合；7梁、柱截面及节点设计；8楼梯和楼板设计；9基础设计。1. 工程概况本工程建设单位为河北省邯郸市规划局，工程位于该单位院内南侧，单位北临展览路，西临邯郸市民政局，南面为新世纪二期商业广场。自然条件1.气象条件室外气温: 年平均温度最冷月平均 -2，年平均温度最热月平均 33，冻土深度: 0.5m。主导风向: 夏季南风， 冬季北风， 最大风速19m/s。基本雪压: So=0.35KN/基本风压: Wo=0.30KN/2.工程地质情况第一层: 杂填土，层厚1.52.5m。第二层: 粉土，层厚2.73.5m，承载力特征值fak130kpa。第三层: 粉土，层厚2.73.9m，承载力特征值fak105kpa。第四层: 粉土，层厚1.02.0m，承载力特征值fak140kpa。第五层: 粉质粘土，层厚1.52.5m，承载力特征值fak105kpa。第六层: 粉质粘土，本层未钻穿，承载力特征值fak200kpa。基础持力层为第三层粉土层，其承载力特征值为105kpa，根据地质报告，边坡临界直立高度Hcr=3.8m。3.地震烈度(1) 地震效应 根据全国地震区划图，邯郸市抗震设防烈度为7度，设计基本加速度值为0.15g，设计震分组为第一组。(2) 建筑场地类别场地类别为类2. 建筑设计说明平面设计该写字楼根据使用要求、结合场地条件、结构选型等情况按照建筑模数选择开间和进深，进而选择合理的建筑平面为灵活分割使用空间创造了条件。该办公楼在设计时保证了办公用房的良好朝向和通风。建筑设计要点两间小会议室设在顶层，为了满足大空间的使用要求进行了局部抽柱，设计了井字梁。用房采用的是双走廊，对称布置，走廊轴线宽度3.6m。建筑内设有带前室的男女卫生间，在前室内设洗手盆。防火要求为满足放火等级的要求，建筑安全出口为两个，分别设在建筑的端部。走道和楼梯的最小宽度均大于1.5m。3.基本构件选择3.1初步确定构件的截面尺寸1、 板厚按考虑塑性内力重分布法计算。考虑刚度要求，板厚 h=1/403300=82.5 取 h=1002 、A、B、C、D 轴梁 h=(1/10-1/15)L=(1/10-1/15)6600=440-660mm(1)-(9)轴 AB和CD跨梁 h=(1/10-1/15)L=(1/10-1/15)8400=560-840mm框架梁均取 h=600mm梁宽取 b=300mm 次梁：H=(1/8-1/12)6000=333-500mm取 h=400mm次梁宽取： b=200mm四层井字梁结构梁截面均取：300mm600mm3、 梁的计算跨度 框架梁的计算跨度以上柱形心线为准。4、柱的高度地下室柱的高度为4.2 m 第一层柱的高度为4.2 m第二层柱的高度为3.6 m 第三层柱的高度为3.6 m第四层柱的高度为4.2 m结构平面布置如图所示，梁柱截面尺寸、梁跨度及柱高度的确定如下.图3.11 顶层平面布置图4.工程作法及荷载统计4.1工程作法4.1.1屋面做法：刚性防水层一道，40厚细石混凝土捣实压光，内配双向直径为4的一级钢筋，间距150。按纵横6m设置分隔缝，缝中钢筋断开，缝宽20，与女儿墙留缝30，逢内均用按缝密封材料填实密封。隔离层干铺350克沥青卷材一层铺1.2合成高分子卷材一道，用配套粘接剂粘接搭缝20厚1：3水泥沙浆找平层200厚保温层钢筋混凝土基层结构找坡4.1.2楼面做法：20厚大理石楼面、稀水泥擦缝撒素水泥面（撒适量清水）30厚1：4干硬性水泥沙浆结合层20厚1：3水泥沙浆找平层现浇钢筋混凝土楼板100厚结构布置及梁柱截面尺寸、板厚、梁跨及柱高度的确定结构平面布置如图所示，梁柱截面尺寸、梁跨度及柱高度的确定如下.4.2荷载统计 荷载计算分两阶段，第一阶段主要围绕地震作用下的内力分析而进行，其目的是求出结构的重力荷载代表值。1、 屋面均布荷载标准值。按屋面做法逐项计算均布荷载。10 厚缸地砖面 0.21kN/4厚高聚物改性沥青卷材防水 0.0410=0.04 kN/20厚水泥砂浆找平 0.0220=0.4 kN/ 水泥焦砟找2%坡最薄30 (0.03+0.206)/210=1.653 kN/ 100厚钢筋混凝土 0.10025=2.5 kN/17厚石膏水泥砂浆 0.01712=0.204 kN/ 合计：5.007 kN 屋面恒荷载标准值 （6.6003+0.225）（20.650+0.250）25.007=4191 kN2、 楼面横载标准值，按楼面做法计算均布荷载a、8-10厚地砖楼面 0.21 kN/20厚干硬水泥砂浆结合层 0.0220=0.4 kN/20厚水泥砂浆找平层 0.0220=0.4 kN/100厚钢筋混凝土 0.125=2.5 kN/17厚水泥石膏砂浆 0.1712=0.204 kN/ 合计：3.714 kN b、8-10厚地砖楼面 0.01021=0.21 kN/ 20厚干硬水泥砂浆 0.02020=0.40 kN/60厚找坡、最薄30厚 0.4525=1.125 0.01021=0.21 kN/20厚水泥砂浆找平层 0.02020=0.40 kN/100厚钢筋混凝土 0.1025=2.5 kN/17厚水泥石膏砂浆 0.01712=0.204 kN/ 合计：4.479 kN楼面恒载标准值：（6.68+0.25）（20.65+0.25）3.714+（6.6-0.2）（6.00+0.25）2（4.479-3.714）=4166.5kN4、屋面均布活载 根据建筑抗震设计规范（GB50011-2001）第5.1.3条款，计算地震作用时的重力荷载代表值时，仅考虑屋面积灰荷载和屋面雪荷载，由于本建筑为民用建筑且位于邯郸地区，本项不考虑。5、楼面均布活载 楼面均布活荷载标准值为：（6.68+0.25）（20.65+0.25）1.5=1663 kN6、梁柱自重（包括梁侧、柱的摸灰） 屋面荷载：井字梁：横向：（20.4-0.35）2+（20.4-0.3752）0.50.225=149.4 kN纵向：13.2-0.175-0.1550.50.225 =161 kN主梁：(8.4-0.25-0.375)2+(3.6-0.5)230.30.525 =209.7 kN6.6-0.175-0.25)20.30.525+(6.6-0.5)60.30.525=183.7 kN 次梁：（6.6-0.3）20.30.225+（6-0.175-0.1）0.30.225=27.49 kN 楼盖： (6.63+0.125+0.125)(20.4+0.25)-0.50.5140.125=1032.78 kN楼面层主梁： 纵向 (6.6-0.5)64+(6.6-0.375-0.25)40.50.325 =638.6 kN 抹灰： (6.6-0.5)64+(6.6-0.375-0.25)40.52120.017 =34.74 kN 横向 (8.4-0.375-0.25)(0.6-0.1)0.392+(3.4-0.5)(0.6-0.1)0.3925 =622.69 kN 抹灰： （8.4-0.375-0.25）（0.6-0.1）0.01792+（3.4-0.5）（0.6-0.1）0.017925 =70.57 kN楼面层次梁： 纵向： （3.3-0.2）0.30.2162+（6.6-0.2）0.30.22825=302.4 kN 抹灰 12.34 kN 横向： （6.0-0.1-0.1）0.30.2825+（3.6-0.2）0.30.2825=180 kN抹灰 7.344 kN 柱子（500500） 地下室、一层: ( 4.2 - 0.1 ) 0.5 0.5 36 25 = 922.5 kN 第二、三标准层 （ 3.6 - 0.1） 0. 5 0.5 36 25 = 787.5 kN第四层（ 4.2 - 0.1 ） 0. 5 0.5 32 25 = 820 kN外墙（外墙选240厚加气混凝土砌块） 底层 墙体 147.90.254.27=1084.9 kN 墙裙 5厚釉面砖 147.60.0051.519.8=21.9 kN 8厚水泥石膏砂浆找平 147.60.0081.514=24.8 kN 8厚水泥石膏砂浆打底 147.60.0081.514=24.8 kN 合计：1156.40.85=983.0 kN 一层kN12厚的面砖 147.60.0124.219.8=147.3 kN6厚水泥石膏砂浆找平层 147.60.0064.219.8=73.7 kN6厚水泥石膏砂浆扫毛 147.60.0064.219.8=73.7 kN 6厚水泥石膏砂浆打底扫毛 147.60.0064.219.8=73.7 kN 合计：1453.30.85=1235.4 kN二层kN8厚的面砖 135.40.0084.219.8=77.2 kN6厚水泥石膏砂浆找平层 135.40.0064.219.8=11.4 kN6厚水泥石膏砂浆扫毛 135.40.0064.219.8=11.4 kN 6厚水泥石膏砂浆打底扫毛 135.40.0064.219.8=11.4 kN 合计：964.50.85=819.9 kN 三层同二层顶层：（6.6-0.25-0.125-0.25）2+（6.6-0.252）4+（20.4-0.25-0.125-0.5-0.5-0.25-0.125）2+（3.6-0.5）0.254.27 =234.58 k N内墙底层75.70.24.26=381.6 kN5厚水泥石膏砂浆 75.70.0054.26=22.3 kN 6厚水泥石膏砂浆找平 75.70.0064.214=26.8 kN 6厚水泥石膏砂浆打底 75.70.0064.214=26.8 kN 合计 ： 45.7 kN 一层 75.60.24.26=381.1 k N5厚水泥石膏砂浆找平层 75.60.0054.214=22.3 kN6厚水泥石膏砂浆扫毛 75.60.0064.214=26.7 kN 6厚水泥石膏砂浆打底扫毛 75.60.0064.214=26.7 kN二层 5厚水泥石膏砂浆找平层 271.30.0053.614=68.4 kN6厚水泥石膏砂浆扫毛 271.30.0063.614=82.4 kN6厚水泥石膏砂浆打底扫毛 271.30.0063.614=82.1 kN三层同二层顶层：（20.40.2）4.26+（6.6-0.5）40.24.26+（6-0.25）0.24.26=234.58 kN8、荷载分层总汇各层重力荷载代表值包括：屋面恒载、纵横梁自重、半层柱自重、半层墙体自重。前述分项荷载相加得集中于各层楼面的重力荷载代表值如下：顶层： G4=4448KN三层： G3= 7784KN二层： G2= 7595KN一层： G1= 8099KN负一层： G-1=8548 KN 建筑物总重力荷载代表值为：Gi+Gn=4448+7784+7595+8099+8548=28375 KN5.横向框架地震作用内力5.1自振周期计算横梁及柱相对线刚度见前一部分，混凝土C30，Ec=3.0107KN/M2代入后可得到表5.11所示的横梁及柱线刚度。表5.11AB、CD跨边框架梁iAB1KN.mAB、CD跨中框架梁iAB1KN.mBC跨边框架梁iAB1KN.m4.051045.41046.75104BC跨中框架梁iAB1KN.m负一、一、四层柱iAB1KN.m二、三层柱iAB1KN.m91043.721044.35104横向框架柱的侧移刚度D值计算表5.12柱类型K =ib/2ic一般层 K=ib/ic底层A= K /(2+ K)一般层A=(0.5+K)/(2+K)D=aic12/h2根数底层A轴边框架边柱1.35/1.24=1.090.5143022A轴中框架边柱1.8/1.24=1.450.5748087B轴边框架中柱（2.25+1.35）/1.24=2.900.6958202B轴中框架中柱（3+1.8）/1.24=3.870.7462427C轴边框架中柱（2.25+1.35）/1.24=2.900.6958672C轴中框架中柱（3+1.8）1.24=2.670.6857367D轴边框架边柱1.35/1.24=1.090.5143022D轴中框架边柱1.8/1.24=1.450.5748087合计519196第一四层A轴边框架边柱21.35/21.24=1.090.3529522A中框架边柱21.8/21.24=1.450.4235437B轴边框架中柱2（1.35+2.25）/21.24=2.900.5949772B轴中框架中柱2（1.8+3）/21.24=3.870.6655677C轴边框架中柱2（1.35+2.25）/21.24 =2.900.5949772C轴中框架中柱2（1.8+3）/21.24=3.870.6655677D轴边框架边柱21.35/21.24=1.090.3529522D轴中框架边柱21.8/21.24=1.450.4235437合计401640第二三层A轴边框架边柱21.35/21.45=0.930.3242962A轴中框架边柱21.8/21.45=1.210.3851027B轴边框架中柱2（1.35+2.25）/21.45=2.480.5573842B轴中框架中柱2（1.8+3）/21.45=3.310.6283247C轴边框架中柱2（1.35+2.25）/21.45=2.480.5573842C轴中框架中柱2（1.8+3）/21.45=3.310.6283247D轴边框架边柱21.35/21.45=0.930.3242962D轴中框架边柱21.8/21.45=1.210.3851027合计631764 自振周期计算按顶点位移法计算，考虑填充墙对框架的影响，取基本周期调整系数a=0.6。计算公式为 ： （1）式中T为顶点位移（单位为m）按D值法计算。表5.13层数Gi(KN)Gi(KN)Dii-i-1=i/D(m)i(m)44496.24496.22738680.01640.20737784.212280.46317640.01940.19127595.419875.86317640.03150.1721809927974.84016400.06970.14低层8548.536523.35191960.07030.0703(本结构是高度不超过40m,质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架结构，一般采用顶点移法计算结构基本周期) =0.465根据全国地震区划分，邯郸市抗震设防烈度为7度，设计基本加速度值为0.15g，设计地震分组为第一组建筑场地类型为类，查表得特征周期值Tg=0.45s。水平地震影响系数最大值amax=0.125.2横向总水平地震作用标准值 因为：TgT1=0.465s5Tg 所以：地震影响系数A1=（Tg/T1）rn2amax= (0.45/0.465)0.91.00.12=0.1165由于T1=0.465s1.4Tg=0.63s,可不考虑顶点附加地震作用。按底部剪力法，结构横向总水平地震作用标准值为：Fek=a1Geg=0.11650.8536523.3=3616.72KN5.21层横向地震剪力各层横向地震剪力见下表5.21表5.21层数Hi(m)Hi(m)Gi(KN)GiHiGiHi/GiHiFi(KN)Vi44.219.8449689024.80.2196794.2379433.615.67784121433.50.29941082.8187723.612759591144.80.2248813.04269014.28.4809968031.60.1678606.893297底层4.24.2854835903.70.0885320.136175.3横向框架抗震变形验算多遇地震作用下，层间弹性位移验算见表5.31表5.31层数层间剪力层间刚度层间位移层高层间相对弹性转角47994.232738680.00294.20.000690.002231877.086317640.00303.60.000860.002222690.126317640.00433.60.00120.0022132974016400.00824.20.0020.0022底层3617.115191960.00704.20.00170.00225.4水平地震作用下的横向框架内力分析5.41反弯点高度y.边柱： 中柱：表5.41项 目3层2层1层底层边柱中柱边柱中柱边柱中柱边柱中柱0.8982.990.8982.991.043.481.043.480.450.500.450.500.500.50.650.55000000000000000000000000（m）3.63.63.63.64.24.24.24.2y(m)1.621.801.621.802.12.12.732.315.42柱端弯矩Mc和剪力由柱剪力和反弯点高度y，求柱端弯矩上端： 下端： 柱剪力：计算结果见表5.42项目楼层柱剪力（KN）弯矩（KN.M）3中框架边柱36.7172.6959.47中框架中柱70.97127.75127.752中框架边柱52.61104.1785.23中框架中柱101.71183.08183.081中框架边柱70.87148.8148.8中框架中柱131.2275.5275.5底中框架边柱88.9130.68242.7底中框架中柱115.91219.07267.75表5.425.43梁端弯矩梁端弯矩可按节点弯矩平衡条件，将节点上、下柱端弯矩之和按左、右梁的线刚度比例分配。计算公式如下： （2）表5.43楼层梁弯矩（KN.M）3中框架边梁72.69中框架中梁38.3489.412中框架边梁163.64中框架中梁93.32217.581中框架边梁234.03中框架中梁137.64320.93底中框架边梁279.48中框架中梁148.45346.12图5.41 水平力作用下框架梁柱弯矩图（单位.KN.M）5.44计算梁端剪力根据梁的两端弯矩，按下试计算， （3）第三层边梁：中梁：第二层边梁：中梁： 第一层边梁：中梁：地下室边梁： 中梁： 图5.425.48计算柱的轴力边柱轴力为各层梁端剪力，按各层叠加，中柱轴力为柱两侧梁端剪力之差，亦按层叠加。如图5.42： 边柱N=Vb1+Vb2+Vb3+Vb4中柱N=（Vb1+Vb2+Vb3+Vb4）(Vb1+Vb2+Vb3+Vb4)第五榀框架柱轴力计算结果见下表5.09表5.09柱层数边柱中柱D柱轴力（KN）C柱轴力（KN）第三层13.22-36.45第二层43.81-126.75第一层89.12-305.03地下室140.07-446.36图5.43 地震（水平）作用下框架梁剪力和柱轴力示意图(单位.KN)6.竖向荷载作用下横向框架的内力分析由于结构基本对称，在竖向荷载作用下的框架侧移可略去不计，其内力分析采用弯矩分配法。在在竖向荷载作用下粱端可以考虑朔性内力重分布，取弯矩调幅系数0。8，楼面竖向荷载分别按恒荷载及全部活荷计算。6.1荷载计算6.11恒荷载计算图6.11 框架梁恒载计算简图注: P1,P2,P3,P4,P5,P6分别为由边纵梁，中纵梁直接传给柱的恒荷载，它包括梁自重，楼板重和女儿墙等的重力荷载。横梁自重，为均布荷载：q2,q2为房间和走道板传给横梁的楼梯荷载和三角形荷载，由图示几何关系可得：q2=5.013.3=16.53 KN/M q2=5.013.3=16.53 KN/MP1计算如下：Pa=3.31.6525.01/2+6.60.50.325=52.03KNPb=(3.31.6525.01/2+2.73.35.01)/2+0.20.36.025=44.96 KN注：Pb为次梁DC中DD1段传到纵主梁D和纵次梁D1的集中荷载，并由纵梁传至梁端DD1处。Pc=0.60.246.618=17.11 KN注：Pc为女儿墙重传至梁端的集中荷载。则 P1= Pa+ Pb+ Pc=52.03+44.96+17.11=114.1 KN图6.12横梁楼面荷载计算范围图 P2计算如下：Pa=（2.43.3-2.41.2/2）5.01+3.31.6525.01/2+8.71.655.01/2=105.6 KNPb=44.96+2.40.20.325=48.56 KNP2= Pa+ Pb=105.6+48.56=154.16 KNP3计算如下：Pa=59.74+6.60.50.325=84.49 KNPb=（0.3+3.6）1.655.01/2+3.60.20.325=21.52 KNP3= Pa+ Pb=84.49+21.52=106.01 KN由于结构对称，按对称结构取荷载值，即：P1=P6=114.10KN P2= P5=154.16 KN P3=P4=106.01 KN集中力矩：对于第一层，第二层q包括梁自重和其上横墙自重，为均布荷载。其他荷载计算方法同第三层。计算结果如下：梁自重：q=3.75 KN/M梁自重+墙自重：q1=3.75+0.23.610=10.95 KN/Mq2=3.743.3=12.34 KN/M q2=3.742.4=8.98 KN/M计算方法同上，结果如下：P1=P6=133.65 KN P2=P5=140.02 KN P3=P4=130.70 KN集中力矩：底层与顶层荷载计算基本相同，仅集中荷载P1，P6加上一层墙重：P1=P6=133.65 KN P2=93.94KN P3=P4=85.86 KN集中力矩： 表6.11 横向框架恒载汇总：层次q1 KN/Mq2 KN/Mq2 KN/Mq2 KN/MP1KNP2KNP3KNM1KN33.75-16.5312.02114.10154.16106.0114.26210.953.7512.348.98133.65140.02130.7016.71110.953.7512.348.98133.65140.02130.7016.71底层3.753.7512.348.98133.6593.9485.8616.716.12活荷载计算活荷载作用下各层框架梁上的荷载分布如图6.13所示：图6.13 各层梁上作用的活荷载示意图顶层活荷载计算结果如下：q2=3.32=6.6 KN/M，q2=2.42=4.8 KN/MP1=3.31.652/2+(2.7+6)1.65/22=25.26 KNP2=3.31.6522/2+(2.43.3-2.41.2/2)/2+(2.7+6)1.652/2 =38.22 KNP3=3.31.6522/2+(2.43.3-2.41.2/2)/2+(0.3+3.6)1.652/2 =30.30KN 集中力矩：底层，第一层，第二层活荷载计算同顶层结果如下：P1= P6=25.26 KN P2= P5 =38.22 KN P3= P4=30.30KN 集中力矩：表6.12 横向框架活载汇总：层次q2KN/Mq2KN/MP1KNP2KNP3KNM1KN36.64.825.2638.2230.303.162,1,底层6.64.825.2638.2230.303.16图6.14 恒载作用下框架受力图 图6.15 活载作用下框架受力图6.2内力计算梁端，柱端弯距采用弯距二次分配法计算。由于结构和荷载均对称，故计算时可用半框架。弯距计算过程如图。梁端剪力可根据梁上竖向荷载引起的剪力与梁端弯矩引起的剪力相叠加而得。柱轴力可由梁端剪力和结点集中力叠加得到。计算柱底轴力还需考虑柱的自重。6.21恒荷载作用下梁端固端弯距：图6.21第三层梁端固端弯距计算如下： MD5=-8.50 KN.MMC5=7.95 KN.M集中荷载均布荷载 第一二层梁固端弯距计算如下底层梁固端弯距计算如下6.22活荷载作用下梁端固端弯距：图6.22第三层和第一二层梁端固端弯距相同计算如下： 6.23恒荷载作用下梁端剪力及柱轴力计算如下按下式计算： （4）S-荷载计算面积M2 q-活荷载值KN/M2P2-集中荷载KN （5）注：BC跨间无集中荷载。第三层剪力计算如下： 第二层剪力计算如下：第一层剪力计算如下： 底层剪力计算如下： 表6.21 恒荷载作用下梁端剪力和柱轴力（KN）层次荷载引起剪力弯距引起剪力剪力柱轴力DC跨CB跨DC跨CB跨DC跨CB跨D柱C柱VD=VCVC=CBVD=-VCVC=VBVDVCVC=VBN顶N底N顶N底3124.522.87-11.170113.33135.6722.87227.43249.93264.55287.052102.2418.77-12.58089.66114.8218.77473.24495.74551.34573.841102.2418.77-11.76090.48114.0018.77719.87746.12837.31863.56底79.2018.77-10.07069.1389.2718.77948.9975.151057.461083.716.24活荷载作用下梁端剪力及柱轴力第三层第二层第一层底层活荷载作用下剪力相同，计算如下：表6.22 活荷载作用下梁端剪力和柱轴力（KN）层次荷载引起剪力弯距引起剪力剪力柱轴力DC跨CB跨DC跨CB跨DC跨CB跨D柱C柱VD=VCVC=CBVD=-VCVC=VBVDVCVC=VBN顶=N底N顶=N底336.416.440036.416.446.4461.6743.18236.416.440.46036.475.846.44123.4085.76136.416.440.37036.786.076.44185.13128.53底36.416.440.24036.656.206.44247.04171.47